專利名稱：微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米鋁合金制造技術(shù)，具體涉及一種組織為微納米基體上自生枝 晶組織的鋁合金及制備方法。
背景技術(shù)：
按照成型類別，鋁合金一般分為變形鋁合金、鑄造鋁合金、粉末冶金鋁合金， 其中，鑄造鋁合金占75 80%。按照主要合金元素的不同，鑄造鋁合金一般分為四類 Al-Zn系合金，有自然時(shí)效傾向、強(qiáng)度較高、密度大、耐蝕性差、熱裂傾向大、生產(chǎn)時(shí) 對環(huán)境污染較大，現(xiàn)在一般不用，如ZL401、ZL402等。Al-Mg系合金強(qiáng)度較高、延性 韌性好、具有穩(wěn)定的抗蝕性和良好的加工性能，但是裂紋傾向大、熔化工藝復(fù)雜、有自 然時(shí)效傾向，一般為不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，如我國的ZL301等。Al-Cu系合金強(qiáng)度 高，切削性能良好，在砂型鑄造條件下，室溫拉伸強(qiáng)度可達(dá)400-500MPa，是目前強(qiáng)度性 能最高的鑄造鋁合金，如ZL201。Al-Si系合金占鑄造鋁合金的70%，具有良好的鑄造 性能、穩(wěn)定的抗蝕性、中等的切削性能，中等的強(qiáng)度(280-320MPa)、如我國的ZL107、 ZL109、美國的319、英國的LM21。在鑄造鋁硅合金系列中，共晶和過共晶鋁硅合金具 有高強(qiáng)度、高耐磨性、低的熱膨脹系數(shù)及優(yōu)良的鑄造性能，是制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體襯套、活 塞、空調(diào)壓縮機(jī)等高性能耐磨部件的優(yōu)質(zhì)材料。在常規(guī)鑄造條件下，共晶和過共晶鋁硅合金組織為塊狀初生Si+ (α-Al+Si)共 晶組織，塊狀初生Si的尺寸大約為25-100 μ m，使合金的韌性和機(jī)械加工性能降低。近 年來，如何利用快速成型技術(shù)改變鋁硅合金中硅相的形態(tài)和尺寸，提高鋁硅合金的切削 加工性、韌性及強(qiáng)度，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有微納米基體上自生枝晶組織的鋁硅合金及其制 備方法。該發(fā)明所制備的鋁合金，微觀組織中初生相為自生的樹枝狀a-Al，晶粒小于 lym；基體為微納米晶，硅相呈微納米級短桿狀分布于基體中，枝晶主要生長方向上的 長度小于500nm，衍射斑點(diǎn)呈暈環(huán)狀。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為將重量百分比Si: 12-25%、 Ti: 0.1-0.3%、Mg 0.5-1.0%、其余為Al的原材料按所需量進(jìn)行計(jì)算、稱重，在電阻爐
中熔煉得到棒狀鑄態(tài)母合金，在單輥旋鑄機(jī)上將母合金制備成微納米基體上自生枝晶組 織的條狀鋁硅合金。一種微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金的制備方法，由多晶硅、純鋁、鋁鈦 合金、純鎂、富鈰混合稀土和磷組成，各物料的重量百分比是多晶硅12-25%、純鋁 73.7-87.4%,鋁鈦合金0.1-0.3%、純鎂0.5_1.0%，富鈰混合稀土和磷的加入量是多晶 硅、純鋁和鋁鈦合金的總重量的0.5-0.7%和0.07-0.09%。其制備方法如下一、熔煉，按重量將多晶硅12-25%、純鋁73.7-87.4%、鋁鈦合金0.1_0.3%，依序加 入電阻爐的無鐵坩堝中，溫度600-750°C，加熱熔化；
二、多晶硅、純鋁和鋁鈦合金熔化后，將無鐵坩鍋內(nèi)的溫度升至800°C，后按坩堝中 物料的總重量加入富鈰混合稀土 0.5-0.7%和磷0.07-0.09%，進(jìn)行變質(zhì)處理；
三、變質(zhì)處理后，進(jìn)行吹氬除氣，溫度770-790°C；
四、用鐘罩向坩堝中壓入0.5-1.0%的純鎂，溫度760-780°C，攪拌1一 5分鐘；
五、將溫度降為750-770°C，靜置5-10分鐘，出堝澆注，澆注成直徑20_40mm、長 100-150mm的棒狀鑄態(tài)母合金；
六、將鑄態(tài)母合金置于直徑為30-50mm的石英管中，石英管底部的噴嘴設(shè)有開口， 開口寬度2-2.5_，長度與石英管直徑相同；
七、在石英管中將鑄態(tài)母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，鑄態(tài)母合金熔化后，以熔化溫 度點(diǎn)為準(zhǔn)，再將溫度提高50-100°C，進(jìn)行過熱溫度處理；
八、旋鑄，旋鑄時(shí)石英管底部的噴嘴與輥輪的間隙為0.4-0.5mm，輥輪轉(zhuǎn)速 1600-1800r/min,吹入氬氣，壓力為0.3_0.5Mpa，旋鑄后得到條狀的具有微納米基體上 生成枝晶組織的鋁合金。一種微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金的制備方法制得的產(chǎn)品，鋁合金材料 由多晶硅、純鋁、鋁鈦合金、純鎂、富鈰混合稀土和磷組成，各物料的重量百分比是 多晶硅12.5%、純鋁86.5%、鋁鈦合金0.2%、純鎂0.8% ；富鈰混合稀土和磷的加入量是 多晶硅、純鋁和鋁鈦合金的總重量的0.6%和0.08%。所述的鋁合金，其形狀為帶狀。所述的過熱溫度，過熱溫度對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說，通常是指在金屬材料的 熔化中，將其材料的熔化溫度點(diǎn)為熔化溫度，熔化后，為進(jìn)一步提高材料的質(zhì)量，需對 熔化后的溫度再行提高，即在壓制成型前再提高其材料的溫度，以熔化溫度為基準(zhǔn)所提 高的溫度點(diǎn)，為過熱溫度。所述的變質(zhì)處理，變質(zhì)，在本技術(shù)領(lǐng)域中，技術(shù)人員為提高金屬材料的質(zhì)量， 改變其微觀晶體的分布，一般采用向所制備的材料中添加某一種物質(zhì)元素的材料，生成 一種晶粒，實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量改變和提高的目的，這種處理過程，本技術(shù)領(lǐng)域的人員稱之為變 質(zhì)處理。結(jié)合本案，具體的說是將微觀組織中初生相為自生的樹枝狀α-Al，晶粒小 于lym，基體為微納米晶，硅相呈微納米級短桿狀分布于基體中，枝晶主要生長方向上 的長度小于500nm，衍射斑點(diǎn)呈暈環(huán)狀。本發(fā)明的有益效果
利用粉末冶金及噴射沉積法技術(shù)制備的Al-Si合金的組織中，雖然，通過合金熔體的 快速冷卻使合金在很大的過冷度下發(fā)生高生長速率的凝固，可以減少晶粒尺寸，細(xì)化微 觀組織，改善硅相的形態(tài)，初生Si由塊狀變?yōu)轭w粒狀，尺寸減到10 μ m以下，并提高合 金元素在基體中的固溶度，提高其性能。但初生相仍然為硅相，性能提高有限。
該發(fā)明所研制微納米基體上自生枝晶組織的鋁合金，硅相晶粒尺寸達(dá)到微納米 級分布于基體中，提高合金的切削加工性，細(xì)小微米級的α-Al枝晶有利用合金強(qiáng)度和 韌性的提高，使合金表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
具體實(shí)施例方式一種微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金的制備方法，由多晶硅、純鋁、鋁鈦 合金、純鎂、富鈰混合稀土和磷組成，各物料的重量百分比是多晶硅12-25%、純鋁 73.7-87.4%,鋁鈦合金0.1-0.3%、純鎂0.5_1.0%，富鈰混合稀土和磷的加入量是多晶 硅、純鋁和鋁鈦合金的總重量的0.5-0.7%和0.07-0.09%。其制備方法如下
一、熔煉，按重量將多晶硅12-25%、純鋁73.7-87.4%、鋁鈦合金0.1_0.3%，依序加 入電阻爐的無鐵坩堝中，溫度600-750°C，加熱熔化；
二、多晶硅、純鋁和鋁鈦合金熔化后，將無鐵坩鍋內(nèi)的溫度升至800°C，后按坩堝中 物料的總重量加入富鈰混合稀土 0.5-0.7%和磷0.07-0.09%，進(jìn)行變質(zhì)處理；
三、變質(zhì)處理后，進(jìn)行吹氬除氣，溫度770-790°C；
四、用鐘罩向坩堝中壓入0.5-1.0%的純鎂，溫度760-780°C，攪拌1一 5分鐘；
五、將溫度降為750-770°C，靜置5-10分鐘，出堝澆注，澆注成直徑20_40mm、長 100-150mm的棒狀鑄態(tài)母合金；
六、將鑄態(tài)母合金置于直徑為30-50mm的石英管中，石英管底部的噴嘴設(shè)有開口， 開口寬度2-2.5mm，長度與石英管直徑相同；
七、在石英管中將鑄態(tài)母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，鑄態(tài)母合金熔化后，以熔化溫 度點(diǎn)為準(zhǔn)，再將溫度提高50-100°C，進(jìn)行過熱溫度處理；
八、旋鑄，旋鑄時(shí)石英管底部的噴嘴與輥輪的間隙為0.4-0.5mm，輥輪轉(zhuǎn)速 1600-1800r/min,吹入氬氣，壓力為0.3_0.5Mpa，旋鑄后得到條狀的具有微納米基體上 生成枝晶組織的鋁合金。實(shí)施例1
將重量百分比多晶硅12%、鋁鈦合金0.1%、純鎂0.5%、純鋁87.4%的原材料按所需 量進(jìn)行計(jì)算、稱重。將多晶硅12.5%、純鋁87.4%、鋁鈦合金0.1%按順序放入電阻爐的無鐵坩堝 中，加熱熔化并進(jìn)行攪拌，全部熔化后溫度升至800°C，后按坩堝中物料的總重量加入富 鈰混合稀土 0.5%和磷0.07%，進(jìn)行變質(zhì)處理，780°C時(shí)進(jìn)行吹氬除氣，扒渣后溫度升至 780°C時(shí)，用鐘罩將純鎂0.5%壓入坩堝中，攪拌，扒渣，溫度至760°C時(shí)，靜置5分鐘， 澆注成直徑30mm、長120mm的棒狀母合金。將鑄態(tài)母合金置于直徑為40mm的石英管中，石英管底部噴嘴開口寬度2.0mm， 長度與石英管直徑相同；母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，過熱80°C;旋鑄時(shí)噴嘴距輥輪間 隙為0.4mm，輥輪轉(zhuǎn)速1700r/min，吹入氬氣壓力為0.4Mpa ；得到條狀的具有微納米基 體上生成枝晶組織的鋁合金。實(shí)施例2
將重量百分比多晶硅25%、鋁鈦合金0.3%、純鎂1.0%、純鋁73.7%的原材料按所需 量進(jìn)行計(jì)算、稱重。將多晶硅25%、純鋁73.7%、鋁鈦合金0.3%按順序放入電阻爐的無鐵坩堝中， 加熱熔化并進(jìn)行攪拌，全部熔化后溫度升至800°C，后按坩堝中物料的總重量加入富鈰混 合稀土 0.7%和磷0.09%，進(jìn)行變質(zhì)處理，780°C時(shí)進(jìn)行吹氬除氣，扒渣后溫度升至780°C時(shí)，用鐘罩將純鎂1.0%壓入坩堝中，攪拌，扒渣，溫度至760°C時(shí)，靜置5分鐘，澆注 成直徑30mm、長120mm的棒狀母合金。將鑄態(tài)母合金置于直徑為40mm的石英管中，石英管底部噴 嘴開口寬度2.0mm， 長度與石英管直徑相同；母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，過熱80°C;旋鑄時(shí)噴嘴距輥輪間 隙為0.4mm，輥輪轉(zhuǎn)速1700r/min，吹入氬氣壓力為0.4Mpa ；得到條狀的具有微納米基 體上生成枝晶組織的鋁合金。實(shí)施例3
將重量百分比Si: 22%、Ti: 0.3%、Mg: 0.6%、A177.1 %的原材料按所需量進(jìn)行計(jì)
算、稱重。按重量將多晶硅22%、純鋁77.1%、鋁鈦合金0.3%，依序放入電阻爐的無鐵坩 堝中，加熱熔化，熔化中進(jìn)行攪拌，全部熔化后，溫度升至800°C，后按坩堝中物料的總 重量加入富鈰混合稀土 0.6%和磷0.08%，進(jìn)行變質(zhì)處理，780°C時(shí)進(jìn)行吹氬除氣，扒渣 后溫度升至780°C，用鐘罩將純鎂0.6%壓入坩堝中，攪拌，扒渣，溫度至760°C，靜置8 分鐘，澆注成直徑40mm、長150mm的棒狀母合金。將鑄態(tài)母合金置于直徑為50mm的石英管中，石英管底部噴嘴開口寬度2.2mm， 長度與石英管直徑相同；母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，過熱60°C;旋鑄時(shí)噴嘴距輥輪間 隙為0.5mm，輥輪轉(zhuǎn)速1800r/min，吹入氬氣壓力為0.5Mpa ；得到條狀的具有微納米基 體上生成枝晶組織的鋁合金。實(shí)施例4
將重量百分比多晶硅18%、鋁鈦合金0.2%、純鎂0.75%、純鋁81.05%的原材料按所
需量進(jìn)行計(jì)算、稱重。將多晶硅18%、純鋁81.05%、鋁鈦合金0.2%按順序放入電阻爐的無鐵坩堝中， 加熱熔化并進(jìn)行攪拌，全部熔化后溫度升至800°C，后按坩堝中物料的總重量加入富鈰混 合稀土 0.6%和磷0.08%，進(jìn)行變質(zhì)處理，780°C時(shí)進(jìn)行吹氬除氣，扒渣后溫度升至780°C 時(shí)，用鐘罩將純鎂0.75%壓入坩堝中，攪拌，扒渣，溫度至760°C時(shí)，靜置5分鐘，澆注 成直徑30mm、長120mm的棒狀母合金。將鑄態(tài)母合金置于直徑為40mm的石英管中，石英管底部噴嘴開口寬度2.0mm， 長度與石英管直徑相同；母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，過熱80°C;旋鑄時(shí)噴嘴距輥輪間 隙為0.4mm，輥輪轉(zhuǎn)速1700r/min，吹入氬氣壓力為0.4Mpa ；得到條狀的具有微納米基 體上生成枝晶組織的鋁合金。
權(quán)利要求
1.一種微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金的制備方法，其特征在于由多晶 硅、純鋁、鋁鈦合金、純鎂、富鈰混合稀土和磷組成，各物料的重量百分比是多晶硅 12-25%、純鋁73.7-87.4%、鋁鈦合金0.1-0.3%、純鎂0.5-1.0%，富鈰混合稀土和磷的加 入量是多晶硅、純鋁和鋁鈦合金的總重量的0.5-0.7%和0.07-0.09%，制備方法如下一、熔煉，按重量將多晶硅12-25%、純鋁73.7-87.4%、鋁鈦合金0.1_0.3%，依序加 入電阻爐的無鐵坩堝中，溫度600-750°C，加熱熔化；二、多晶硅、純鋁和鋁鈦合金熔化后，將無鐵坩鍋內(nèi)的溫度升至800°C，后按坩堝中 物料的總重量加入富鈰混合稀土 0.5-0.7%和磷0.07-0.09%，進(jìn)行變質(zhì)處理；三、變質(zhì)處理后，進(jìn)行吹氬除氣，溫度770-790°C；四、用鐘罩向坩堝中壓入0.5-1.0%的純鎂，溫度760-780°C，攪拌1一 5分鐘；五、將溫度降為750-770°C，靜置5-10分鐘，出堝澆注，澆注成直徑20_40mm、長 100-150mm的棒狀鑄態(tài)母合金；六、將鑄態(tài)母合金置于直徑為30-50mm的石英管中，石英管底部的噴嘴設(shè)有開口， 開口寬度2-2.5mm，長度與石英管直徑相同；七、在石英管中將鑄態(tài)母合金感應(yīng)加熱至全部熔化，鑄態(tài)母合金熔化后，以熔化溫 度點(diǎn)為準(zhǔn)，再將溫度提高50-100°C，進(jìn)行過熱溫度處理；八、旋鑄，旋鑄時(shí)石英管底部的噴嘴與輥輪的間隙為0.4-0.5mm，輥輪轉(zhuǎn)速 1600-1800r/min,吹入氬氣，壓力為0.3_0.5Mpa，旋鑄后得到條狀的具有微納米基體上 生成枝晶組織的鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金的制備方法制 得的產(chǎn)品，其特征在于鋁合金材料由多晶硅、純鋁、鋁鈦合金、純鎂、富鈰混合稀 土和磷組成，各物料的重量百分比是多晶硅12.5%、純鋁86.5%、鋁鈦合金0.2%、 純鎂0.8%;富鈰混合稀土和磷的加入量是多晶硅、純鋁和鋁鈦合金的總重量的0.6%和 0.08%。
全文摘要
一種微納米基體上生成枝晶組織的鋁合金及制備方法，由多晶硅、純鋁、鋁鈦合金、純鎂、富鈰混合稀土和磷組成，各物料的重量百分比是多晶硅12-25%、純鋁73.7-87.4％、鋁鈦合金0.1-0.3%、純鎂0.5-1.0%，富鈰混合稀土和磷的加入量是多晶硅、純鋁和鋁鈦合金的總重量的0.5-0.7％和0.07-0.09％；制備方法將多晶硅、純鋁、鋁鈦合金依序放入無鐵坩堝中，熔化后，溫度升至800℃，后加入富鈰混合稀土和磷，780℃吹氬除氣，后加入純鎂，溫度760℃，澆注成直徑30mm、長120mm的棒狀母合金，將鑄態(tài)母合金置于石英管中，感應(yīng)加熱至全部熔化，過熱80℃；旋鑄，得到產(chǎn)品。本發(fā)明，硅相晶粒達(dá)到微納米級分布于基體中，提高了合金的切削加工性，微米級的α-Al枝晶有利用合金強(qiáng)度和韌性的提高，使合金表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
文檔編號C22C21/04GK102011034SQ20101060501
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月25日
發(fā)明者李洛利, 李繼文, 王文焱, 王愛琴, 謝敬佩 申請人:河南科技大學(xué)