一種鋁硅合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型鋁硅合金材料及其制備方法。該鋁硅合金材料的成分包括：15～20wt％的硅，0.2～0.5wt％的混合稀土，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)；制備方法：以純鋁、純硅以及鑭鈰系混合稀土熔煉后澆注冷卻脫模得到包含20wt％的硅，0.2～0.5wt％混合稀土的過共晶鋁硅合金鑄錠；將合金鑄錠破碎清洗；噴射成形制備過共晶鋁硅合金沉積坯體，對沉積坯體進(jìn)行熱壓致密化，獲得致密化的合金塊材，對熱壓得到的合金樣品繼續(xù)進(jìn)行兩次熱壓延展，獲得致密的過共晶鋁硅合金塊材樣品，即新型鋁硅合金材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備的新型鋁硅合金材料具有高導(dǎo)電性能和良好機(jī)械性能，主要用于制造汽車發(fā)動機(jī)活塞、空調(diào)壓縮機(jī)以及其他行業(yè)的抗磨損件。
【專利說明】一種錯娃合金材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋁合金材料及其制備方法，尤其是涉及一種鋁硅合金材料及其制 備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 過共晶鋁硅合金具有密度低、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、耐磨、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性 好等特點(diǎn)，是一種極有發(fā)展前途的鋁合金材料。近年來在包括德國、日本、美國以及韓國的 汽車發(fā)動機(jī)的應(yīng)用得到快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、電子封裝等產(chǎn)業(yè)中， 并且由于其高導(dǎo)電率在電工材料領(lǐng)域方面具有巨大的應(yīng)用前景。
[0003] 雖然過共晶鋁硅合金近年來發(fā)展非常迅速，但也面臨著很多的瓶頸和技術(shù)難點(diǎn)。 傳統(tǒng)的鑄造條件下，由于在析出初晶硅時會釋放出大量的結(jié)晶潛熱，過共晶鋁硅合金具有 良好的流動性。隨著合金中硅含量的增加，線收縮率減小，但合金的結(jié)晶范圍增大，縮松傾 向增大，氣密性降低，合金的鑄造性能也隨之下降。在常規(guī)鑄造條件下獲得的過共晶鋁硅合 金中往往存在粗大的塊狀初晶硅和長針狀共晶硅組織，使Al基體的連續(xù)性被嚴(yán)重割裂。在 初晶硅相的尖端或棱角處往往會引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致合金容易沿晶粒的邊界處或者粗大的 板片狀初晶硅自身開裂形成裂紋，使合金變脆，惡化合金的機(jī)械性能，嚴(yán)重的限制了合金的 應(yīng)用范圍。硅相的形態(tài)，尺寸及分布狀況是影響過共晶鋁硅合金性能的重要因素，如何制備 Si相細(xì)小且分布均勻的合金組織是目前國內(nèi)外關(guān)于過共晶Al-Si合金材料的研究熱點(diǎn)之 〇
[0004] 因此，我們迫切需要新的工藝制備Si相細(xì)小且分布均勻的合金組織，從而獲得具 有高導(dǎo)電性能和良好機(jī)械性能的過共晶鋁硅合金材料。
[0005] 噴射成形是一種快速凝固技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠把金屬的霧化過程與成型過程結(jié)合 在一起，實(shí)現(xiàn)了大尺寸的快速凝固材料的一次成型，直接從液態(tài)金屬中制取具有快速凝固 組織、整體致密的高性能材料。與其它制備工藝相比，采用噴射成形技術(shù)制備的過共晶鋁 硅合金具有以下明顯的優(yōu)勢：（1)由于噴射成形技術(shù)使合金熔體具有更高的冷卻速度和更 大的過冷度，合金熔體在凝固過程中可以萌生出更多的晶核，且由于晶核生長時間很短，合 金的微觀組織得到顯著細(xì)化。（2)利用噴射成形技術(shù)可以顯著提高合金元素固溶度這一特 點(diǎn)，可以過共晶鋁硅二元合金系為基礎(chǔ)，加入其它合金元素有針對性地提高合金的性能，增 加了材料的可設(shè)計性。加入硅元素則可以提高材料的耐磨性，降低材料的熱膨脹系數(shù)和密 度等，采用鑄造方法制備過共晶鋁硅合金的Si含量最高只能達(dá)到25%左右，而采用噴射成 形技術(shù)則可以突破這個限制，相關(guān)性能大幅提高，目前已經(jīng)可以制備Si含量高于50%用于 電子封裝行業(yè)的過共晶硅鋁合金。
[0006] 由于噴射成形工藝的特點(diǎn)，所制得的鋁硅合金雖然硅相顯著細(xì)化，但仍具有一定 的孔隙率，且鋁基體中硅的固溶度較高，這些都大大降低了合金的導(dǎo)電率。如果在熔煉合金 時能添加適當(dāng)?shù)南⊥猎?，使得固溶在鋁中的硅在晶界析出；再進(jìn)行致密化熱擠壓處理以 及塑性變形工藝時，能夠制定適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，使得飽和固溶在鋁中的硅在后續(xù)加工的過 程中析出，以得到鋁基體和細(xì)小的硅相兩相均勻分布的近乎于完全致密化的材料，材料的 導(dǎo)電率必將大大提1?。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種高導(dǎo)電和良好 機(jī)械性能的鋁硅合金材料及其制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種鋁硅合金材料，該鋁硅合金材料成分包含：15?20wt%的硅，0· 2?0· 5wt% 的混合稀土，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)；按元素組成表示為Al-(15?20)Si-(0. 2? 0.5)Re;其中Re表示混合稀土。所述的混合稀土為鑭-鈰混合稀土，成分包含：La 32? 33wt%、Ce 62?63wt%，余下為F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的雜質(zhì)。
[0010] 作為優(yōu)選，該鋁硅合金材料成分包含：20wt%的硅，0. 35wt%的混合稀土，余量為 鋁及不可避免的雜質(zhì)。
[0011] 作為優(yōu)選，所述的混合稀土成分包含：La 32. 6wt %、Ce 62. 6wt %、0 I. 6wt %、 F 0. 3wt%>Fe 0. 54wt%>Al 0. 39wt%>Mg 0. 24wt%>P 0. 17wt%>Cl 0. 16wt%>Zn 0. 12wt%及不可避免的雜質(zhì)。
[0012] 一種鋁硅合金材料的制備方法，包括以下步驟：
[0013] (1)按15?20wt%的硅，0.2?0.5wt%的混合稀土，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì) 的成分配好母合金樣品成分，采用井式電阻爐和石墨坩堝進(jìn)行熔煉。由于Si熔點(diǎn)高，易浮 于Al液上方，故在熔煉前將塊狀Si破碎成直徑大約在10?30mm的小顆粒，取純鋁完全熔 化后，分多次加入純硅，對合金熔體進(jìn)行反復(fù)攪拌，以保證浮于Al液上層的Si熔化并均勻 分布，待Al、Si完全熔化后，加入0. 2?0. 5wt%混合稀土，混合均勻，之后澆注冷卻脫模得 到包含15?20wt%硅與0. 2?0. 5wt%混合稀土的過共晶鋁硅合金鑄錠；
[0014] 所述的純鋁為純度不低于99. 95wt %的工業(yè)級鋁錠，所述的純硅為硅含量不低于 99. 9wt %工業(yè)級結(jié)晶娃，所述的混合稀土為鑭-鋪混合稀土，成分包含：La 32?33wt %、Ce 62?63wt%，余下為F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的雜質(zhì)。
[0015] (2)過共晶鋁硅合金鑄錠清洗：將熔煉得到的過共晶鋁硅合金鑄錠破碎，將破碎 的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中超聲清洗，取出后晾干待用。
[0016] (3)噴射成形制備過共晶鋁硅合金圓錠：將步驟（2)中清洗得到的塊體合金中頻 感應(yīng)加熱至900?IKKTC，使其融化，然后以N 2為霧化氣體，在霧化壓強(qiáng)為I. 0?I. 5Mpa 下，噴射成形制備過共晶鋁硅合金圓錠，具體過程如下：
[0017] 將步驟（2)中清洗得到的塊體合金放入霧化沉積設(shè)備的坩堝中，其中坩堝使用氧 化鎂坩堝，坩堝底部為氮化硅導(dǎo)流管，對塊體合金進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱至900?IKKTC，使塊 體合金融化，融化后的熔體在惰性氣體保護(hù)下，通過與雙層非限制式氣流霧化噴嘴分離式 配合的導(dǎo)流管進(jìn)行霧化成形，霧化氣體為N 2，霧化壓強(qiáng)為I. 0?I. 5Mpa，烙體在導(dǎo)流管內(nèi)質(zhì) 量流率為1. 7?I. 8kg/min，霧化距離為600?700mm，在霧化的同時，底部沉積盤以每分鐘 90?150轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，熔體沉積在底部沉積盤上，得到過共晶鋁硅合金圓錠。
[0018] (4)熱壓致密化：對步驟（3)得到的過共晶鋁硅合金圓錠進(jìn)行熱壓使其更加致密 化，熱壓致密化的加壓方式為單向加壓，熱壓壓強(qiáng)設(shè)置為300?500Mpa，熱壓溫度為250? 400°C，保溫時間1?3h，獲得致密化的噴射沉積過共晶鋁硅合金。
[0019] (5)熱壓延展：對步驟（4)得到的合金樣品進(jìn)行線切害I]，將其分成大小為 20mmX40mm的兩塊合金樣品，一塊用于做各種性能測試和結(jié)構(gòu)測試，另外一塊則置于熱壓 模具的物料池中，將其位置擺放正中，進(jìn)行第二次熱壓。在這個過程中，由于塊體樣品擺置 于物料池的正中，樣品的兩個自由端可以向模具的內(nèi)壁延伸，以達(dá)到同時向水平方向兩側(cè) 進(jìn)行延展變形的目的。熱壓溫度為250?400°C，保溫時間1?3h，熱壓壓強(qiáng)設(shè)置300? 500MPa，獲得熱壓所得合金塊材樣品。
[0020] 在熱壓變形后的塊體材料上經(jīng)線切割取20mmX 40mm的樣品，置于物料池中，位置 擺放正中，進(jìn)行第三次熱壓。熱壓溫度為250?400°C，保溫時間1?3h，熱壓壓強(qiáng)設(shè)置 300?500MPa，獲得合金塊材樣品。
[0021] 對制備得到的過共晶鋁硅合金塊材進(jìn)行性能檢測，包括：（1)致密度檢測；（2)導(dǎo) 電性能測試；（3)力學(xué)性能測試；(4)顯微組織形貌研究。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0023] (1)鋁鐵合金為常見的耐熱鋁合金，并且耐腐蝕性好，主要用作集流體材料，同時 一般對鋁鐵合金的研究是為了提高耐熱性和耐腐蝕性能。而本專利的過共晶鋁硅合金是為 了得到高導(dǎo)電率和良好機(jī)械性能的鋁硅合金材料，從而應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)方面，本專利目 的是為了提高導(dǎo)電率和機(jī)械性能。另外，本發(fā)明選擇過共晶鋁硅合金作為導(dǎo)電材料的原料， 它不僅價格低廉、密度低、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好，電導(dǎo)率也非常高。
[0024] (2)添加稀土元素斕和鈰可以減少固溶在鋁基體中的硅，斕-鈰混合稀土的加入 可以有效降低固溶硅對鋁導(dǎo)體導(dǎo)電率的影響。因此本發(fā)明在設(shè)計合金成分時，加入斕-鈰 混合稀土，通過變質(zhì)處理改變析出硅的形態(tài)，使粗片狀硅、針狀硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀，提高過共 晶鋁硅合金的導(dǎo)電率。
[0025] (3)本發(fā)明采用噴射成型技術(shù)制備包含20wt%娃、0. 2?0. 5wt%混合稀土、余量 為鋁的過共晶鋁硅合金材料，將金屬的霧化過程與成型過程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大尺寸快速凝固 材料的一次成型，直接從液態(tài)金屬中獲得快速凝固組織，提高材料的致密度，細(xì)化合金中的 硅相，從而提升過共晶鋁硅合金的導(dǎo)電性能。
[0026] (4)本發(fā)明的鋁硅合金材料，由于添加元素不同于常見的鋁鐵合金，因此，制備工 藝不同于鋁鐵合金的制備工藝，鋁鐵合金只需要通過噴射成形制備出來（不需要熱擠壓）， 而本發(fā)明中，噴射成形制備出來的過共晶鋁硅合金中鋁基體中硅含量的固溶度很高，因此 還需要進(jìn)行熱擠壓處理以及塑性變形工藝（即兩次熱擠壓處理），使得飽和固溶在鋁中的 硅在后續(xù)加工的過程中析出，并且降低孔隙率，從而提高導(dǎo)電率。本發(fā)明綜合采用噴射成 形、熱壓燒結(jié)、熱壓變形等多種先進(jìn)制備工藝，在保持相對較高的硅含量條件下，得到鋁基 體和細(xì)小的硅相兩相均勻分布的近乎于完全致密化的過共晶鋁硅合金材料。
[0027] (5)本發(fā)明制備的過共晶鋁硅合金具有較高的導(dǎo)電率和機(jī)械性能，主要用于輸配 電行業(yè)的熔斷器、開關(guān)等輸配電設(shè)備上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明中噴射成形使用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明中整個熱壓工藝（包括熱壓成形與熱壓延展）流程圖；
[0030] 圖3為鑄態(tài)Al-20Si-0. 2RE合金的SEM背散射圖；
[0031] 圖4為熱壓致密和熱壓延展后的噴射沉積態(tài)Al-20Si-0. 2RE合金的顯微組織圖；
[0032] 圖5為熱壓致密和熱壓延展后的噴射沉積態(tài)Al-20Si_0. 2RE合金的納米劃痕深度 曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034] 實(shí)施例1
[0035] 將純度不低于99. 5wt %的純鋁錠、純硅以及塊狀鑭-鈰混合稀土按 Al-20Si-0. 2RE配好母合金樣品成分，共計5公斤。由于Si熔點(diǎn)高，易浮于Al液上方，故 在熔煉前將塊狀Si破碎成直徑大約在10?30mm的小顆粒。待純鋁完全熔化后，分多次 加入純硅，對合金熔體進(jìn)行反復(fù)攪拌，以保證浮于Al液上層的Si熔化并均勻分布。待A1、 Si完全熔化后，混合稀土以塊狀形式加入，并電磁攪拌混合均勻，然后澆注到砂型精密模 中，冷卻至室溫，脫模得到鑄態(tài)Al-20Si-0. 2RE合金試樣，SEM背散射圖像如圖3所示。將 熔煉得到的合金鑄錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進(jìn)行超聲清 洗，取出后自然晾干；將清洗得到的塊體合金放入自行研制的大型霧化沉積設(shè)備（如圖1所 示）的坩堝中，中頻感應(yīng)加熱至熔體溫度為900?1000°C，N 2霧化壓強(qiáng)為I. IMpa，制備得到 噴射沉積態(tài)Al-20Si-0. 2RE合金。使用氧化鎂坩堝，坩堝底部為氮化硅導(dǎo)流，導(dǎo)流管直徑為 3mm，采用雙層非限制式氣流霧化噴嘴，熔體質(zhì)量流率經(jīng)過測算約為I. 7kg/min，霧化距離為 600mm，底部沉積盤轉(zhuǎn)速為每分鐘90轉(zhuǎn)，噴射沉積Al-20Si-0. 2RE合金。采用自制的加熱溫 控裝置和模具對沉積錠進(jìn)行熱壓致密化，加壓方式為單向加壓，熱壓壓強(qiáng)設(shè)置為300Mpa，熱 壓溫度為250°C，保溫時間I. 5h，獲得致密化的熱壓態(tài)Al-20Si-0. 2RE合金。對合金樣品進(jìn) 行線切割，將其分成大小為20mmX40mm的兩塊合金樣品，一塊用于做各種性能測試和結(jié)構(gòu) 測試，另外一塊則置于熱壓模具的物料池中，將其位置擺放正中，進(jìn)行第二次熱壓。在這個 過程中，由于塊體樣品擺置于物料池的正中，樣品的兩個自由端可以向模具的內(nèi)壁延伸，以 達(dá)到同時向水平方向兩側(cè)進(jìn)行延展變形的目的。熱壓溫度為250°C，保溫時間lh，熱壓壓 強(qiáng)設(shè)置400MPa，熱壓所得Al-20Si-0. 2RE合金塊材樣品。在熱壓變形后的塊體材料上經(jīng)線 切割取20mmX40mm的樣品，置于物料池中，位置擺放正中，進(jìn)行第三次熱壓。熱壓溫度為 250°C，保溫時間lh，熱壓壓強(qiáng)設(shè)置400MPa，獲得合金塊材樣品，顯微組織如圖4所示。
[0036] 整個熱壓工藝流程（包括熱壓成形與熱壓延展）的示意圖如圖2所示。
[0037] 本實(shí)施例中噴射成形使用設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，腔體1的頂部外由上到下依次 設(shè)有感應(yīng)加熱坩堝4與中間包5,感應(yīng)加熱坩堝4與中間包5的外側(cè)設(shè)有保護(hù)氣氛罩3,中 間包5的出口接導(dǎo)流管6,導(dǎo)流管6的出口處設(shè)有雙層非限制式氣流霧化噴嘴7,導(dǎo)流管6 的出口端位于雙層非限制式氣流霧化噴嘴7的中間，雙層非限制式氣流霧化噴嘴7與霧化 器管路2連接，導(dǎo)流管6與雙層非限制式氣流霧化噴嘴7之間為分離式配合方式，底部沉積 盤10設(shè)在腔體1內(nèi)部，熔融金屬在感應(yīng)加熱坩堝4中感應(yīng)加熱后，傾倒入中間包5,經(jīng)過導(dǎo) 流管6被雙層非限制式氣流霧化噴嘴7霧化，霧化金屬8進(jìn)入到腔體1內(nèi)后，沉積在底部沉 積盤10上，形成沉積坯圓錠9。
[0038] 表1鑭-鈰混合稀土成分組成
[0039]

【權(quán)利要求】
1. 一種錯娃合金材料，其特征在于，該錯娃合金材料成分包含：15?20wt %的娃， 0. 2?0. 5wt%的混合稀土，余量為鋁及不可避免的雜質(zhì)； 所述的混合稀土為鑭-鋪混合稀土，成分包含：La 32?33wt%、Ce 62?63wt%，余下 為卩、？6 31、1%汴、(：1、211及不可避免的雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錯娃合金材料，其特征在于，該錯娃合金材料成分包含： 20wt%的娃,0. 35wt%的混合稀土，余量為錯及不可避免的雜質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁硅合金材料，其特征在于，所述的混合稀土成分包 含：La 32.6wt%、Ce 62.6wt%、0 L6wt%、F 0.3wt%、Fe 0.54wt%、Al 0.24?^1%^ O.liwt^^Cl O.lGwt^^Zn O.Uwt1%及不可避免的雜質(zhì)。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的鋁硅合金材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下 步驟： (1) 取純鋁完全熔化后，分多次加入純硅，待Al、Si完全熔化后，加入混合稀土，混合均 勻，之后澆注冷卻脫模得到包含15?20wt%硅與0. 2?0. 5wt%混合稀土的過共晶鋁硅合 金鑄錠； (2) 過共晶鋁硅合金鑄錠清洗：將熔煉得到的過共晶鋁硅合金鑄錠破碎，將破碎的塊 體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中超聲清洗，取出后晾干待用； (3) 噴射成形制備過共晶鋁硅合金圓錠：將步驟（2)中清洗得到的塊體合金中頻感應(yīng) 加熱至900?1100°C，使其融化，然后以N 2為霧化氣體，在霧化壓強(qiáng)為1. 0?1. 5Mpa下，噴 射成形制備過共晶鋁硅合金圓錠； (4) 熱壓致密化：對步驟（3)得到的過共晶鋁硅合金圓錠進(jìn)行熱壓致密化，獲得致密化 的噴射沉積過共晶鋁硅合金； (5) 熱壓延展：對步驟（4)得到的合金樣品繼續(xù)進(jìn)行兩次熱壓，獲得致密的過共晶鋁硅 合金塊材樣品，即錯娃合金材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋁硅合金材料的制備方法，其特征在于，步驟（1)所述的 純鋁為純度不低于99. 95wt %的工業(yè)級鋁錠，所述的純硅為硅含量不低于99. 9wt%工業(yè)級 結(jié)晶娃，所述的混合稀土為鑭-鋪混合稀土，成分包含：La 32?33wt%、Ce 62?63wt%， 余下為F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的雜質(zhì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋁硅合金材料的制備方法，其特征在于，步驟（3)中噴射 成形制備過共晶鋁硅合金圓錠的具體過程如下： 將步驟（2)中清洗得到的塊體合金放入霧化沉積設(shè)備的坩堝中，其中坩堝使用氧化鎂 坩堝，坩堝底部為氮化硅導(dǎo)流管，對塊體合金進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱至900?1KKTC，使塊體合 金融化，融化后的熔體在惰性氣體保護(hù)下，通過與雙層非限制式氣流霧化噴嘴分離式配合 的導(dǎo)流管進(jìn)行霧化成形，霧化氣體為N 2，霧化壓強(qiáng)為1. 0?1. 5Mpa，熔體在導(dǎo)流管內(nèi)質(zhì)量流 率為1. 7?1. 8kg/min，霧化距離為600?700mm，在霧化的同時，底部沉積盤以每分鐘90? 150轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，熔體沉積在底部沉積盤上，得到過共晶鋁硅合金圓錠。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋁硅合金材料的制備方法，其特征在于，步驟（4)和（5) 中熱壓致密化的加壓方式為單向加壓，熱壓壓強(qiáng)設(shè)置為300?500Mpa，熱壓溫度為250? 400°C，保溫時間1?3h。
【文檔編號】C22F1/043GK104264016SQ201410500143
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】陸偉, 凌敏, 黃平, 賈敏, 王宇鑫, 嚴(yán)彪 申請人:同濟(jì)大學(xué)