一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用

技术领域

本发明涉及一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，属 于金属材料技术领域。

背景技术

铝硅合金由于其高的比强度，良好的耐蚀性和机加工性能，成为汽车缸体缸盖的首选轻 量化材料。在工业生产中往往在铝硅熔体中添加异质形核核心，以期大幅地提高硅晶粒形核 率，从而降低凝固合金中硅晶粒的尺寸。由于关于铝硅熔体中硅晶粒的异质形核核心的研究 已经持续了几十年，所以使用这种方法进一步优化凝固组织的潜力大大降低。因此，为了提 高铝硅合金的服役性能，需要开发一种有别于目前普遍使用的提供异质形核核心的方法，通 过促进铝硅熔体中硅晶粒形核，实现凝固组织调控。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅 晶粒形核中的应用，该硅晶粒异质形核强化剂本身不作为异质形核核心，但是可以大幅度提 高熔体中潜在的异质形核核心的形核能力，从而大幅度提高铝硅熔体中硅晶粒的形核率，改 善凝固组织。

本发明的技术方案如下：

一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，该强化剂的元 素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数60％-99％的铝和余量的铁，质量分数60％-99％的铝和余量的铬，质量分数 60％-99％的铝和余量的镍，质量分数60％-99％的铝和余量的锰，质量分数60％-99％的铝和余量 的钒，质量分数50％-99％的铝和余量的铜，质量分数50％-90％的铬和余量的硅，质量分数 50％-90％的镍和余量的硅，质量分数50％-90％的锰和余量的硅，质量分数50％-90％的铜和余量 的硅。

根据本发明，优选的，所述的强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数80-95％的铝和余量的铁，质量分数80％-95％的铝和余量的铬，质量分数80％-95％ 的铝和余量的镍，质量分数80％-95％的铝和余量的锰，质量分数80％-95％的铝和余量的钒， 质量分数50％-75％的铝和余量的铜，质量分数60％-85％的铬和余量的硅，质量分数60％-85％ 的镍和余量的硅，质量分数60％-85％的锰和余量的硅，质量分数70％-90％的铜和余量的硅。

根据本发明，优选的，所述的强化剂的元素组成为以下组分中的一种或两种以上组合：

质量分数90％的铝和10％的铁，质量分数90％的铝和10％的铬，质量分数90％的铝和10％ 的镍，质量分数90％的铝和10％的锰，质量分数90％的铝和10％的钒，质量分数60％的铝和40％ 的铜，质量分数70％的铬和30％的硅，质量分数70％的镍和30％的硅，质量分数70％的锰和30％ 的硅，质量分数89％的铜和11％的硅。

根据本发明，上述硅晶粒异质形核强化剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)按上述质量配比称取工业纯的单质原料；

(2)将单质原料熔化并在对应的液相线温度以上100-300℃保温15-30min；

(3)将步骤(2)保温处理后的熔体浇铸成铸锭或连铸连轧成线材，即得。

根据本发明，优选的，步骤(2)中保温温度为200℃，保温时间为20min。

根据本发明，优选的，当单质原料易于氧化时，步骤(2)熔炼过程中使用惰性气体保 护，优选的惰性气体为氮气或氩气。

根据本发明，所述的硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应 用，具体步骤如下：

将铝硅合金熔化，按照铝硅合金熔体质量0.1-2％的比例加入该强化剂，保温15-30min 后，浇注凝固成型，即可。

加入本发明所述的硅晶粒异质形核强化剂后，可向铝硅熔体中引入一些局域有序结构， 这些局域有序结构可激活铝硅熔体中本来不能起作用(或者形核效率很低)的一些固体颗粒 作为硅晶粒形核核心，从而大幅度提高熔体中硅晶粒的形核率，达到调控凝固组织的目的。

本发明硅晶粒异质形核强化剂加入到铝硅合金熔体后会分解，不会留下任何可以作为异 质形核核心的晶体固体，因此本身不能为铝硅熔体提供硅晶粒的异质形核核心。这显著区别 于目前铝硅合金生产中经常使用的一些含磷的中间合金(或者变质剂)。这些含磷的中间合 金的作用方式是直接向铝硅合金熔体中引入磷化铝(AlP)这种硅晶粒的异质形核核心。而 本发明中硅晶粒异质形核强化剂的作用方式是向铝硅熔体中引入一些局域有序结构(完全不 需要磷元素或者磷化铝的参与)，这些局域有序结构可以激活铝硅熔体中本来不能起作用的 固体颗粒作为形核核心，从而大幅度的提高铝硅合金熔体中硅晶粒的形核率(形核密度)。 即，该硅晶粒异质形核强化剂能高效地促进熔体中潜在硅晶粒异质形核核心(包括在铝硅合 金熔体中自然存在的和通过添加铝硅合金细化剂或变质剂等方法引入的固体晶体颗粒)起作 用。因此，该硅晶粒异质形核强化剂可以显著的提高凝固组织中硅晶粒的数量。从附图的对 比中可以发现使用该硅晶粒异质形核强化剂可以显著的促进Al-15Si(质量分数)熔体中硅晶 粒的形核数量，从而达到调控凝固组织的目的。

本发明的有益效果是：

1、本发明的硅晶粒异质形核强化剂组成简单，原料来源广泛，制备方法简单。

2、本发明的硅晶粒异质形核强化剂使用的都是常用铝硅合金中本身具有的元素，污染 合金的可能性大幅降低。

3、本发明的硅晶粒异质形核强化剂加入到铝硅合金熔体中后可以激活熔体中的一些固 体颗粒作为硅晶粒的形核核心，从而显著的促进铝硅合金中硅晶粒的形核。

附图说明

图1是本发明对比例1中Al-15Si(质量分数)的凝固组织中硅晶粒的形貌图。

图2是本发明实施例1中Al-15Si(质量分数)的凝固组织中硅晶粒的形貌图。

图3是本发明实施例2中Al-15Si(质量分数)的凝固组织中硅晶粒的形貌图。

图4是本发明实施例3中Al-15Si(质量分数)的凝固组织中硅晶粒的形貌图。

图5是本发明实施例4中Al-15Si(质量分数)的凝固组织中硅晶粒的形貌图。

图6是本发明实施例5中Al-15Si(质量分数)的凝固组织中硅晶粒的形貌图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，该强化剂的 元素质量百分比组成为铝90％和锰10％。

该强化剂的制备方法如下：

(1)按工业纯铝90％，锰10％的质量比称取原料；

(2)将铝和锰在中频炉中熔化并在950℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭或连铸连轧成线材，即得。

具体应用步骤如下：

在中频炉里熔化Al-15Si(质量分数)合金，按照熔体质量1％的比例加入该异质形核 强化剂，保温20min后，按照常规工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高 度40毫米)。图2为使用本实施例的硅晶粒异质形核强化剂得到的铝硅合金凝固组织中硅晶 粒的形貌图。图1为未使用硅晶粒异质形核强化剂(对比例1)得到的铝硅合金凝固组织中 硅晶粒的形貌图。

由图1、2可知，使用硅晶粒异质形核强化剂后硅晶粒的数目相比未使用硅晶粒异质形 核强化剂的硅晶粒显著增加。这是由于该铝硅合金熔体的硅晶粒异质形核强化剂激活了一些 铝硅熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地促进硅晶 粒形核，从而增加凝固组织中的硅晶粒的数目。

实施例2

一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，该强化剂的 元素质量百分比组成为铝90％，镍10％。

该强化剂的制备方法如下：

(1)按工业纯铝90％，镍10％的质量比称取原料；

(2)将铝和镍在中频炉中熔化并在1300℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

具体应用步骤如下：

在中频炉里熔化Al-15Si(质量分数)合金，按照熔体质量0.5％的比例加入该异质形 核强化剂，保温20min后，按照常规工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米， 高度40毫米)。图3为使用本实施例的硅晶粒异质形核强化剂得到的铝硅合金凝固组织中硅 晶粒的形貌图。

由图3可知，使用该硅晶粒异质形核强化剂后硅晶粒的数目相比未使用硅晶粒异质形 核强化剂(图1)的硅晶粒显著增加。这是由于该铝硅合金熔体的硅晶粒异质形核强化剂激 活了一些铝硅熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地 促进硅晶粒形核，从而增加凝固组织中的硅晶粒的数目。

实施例3

一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，该强化剂的 元素质量百分比组成为铝60％，铜40％。

该强化剂的制备方法如下：

(1)按工业纯铝60％，铜40％的质量比称取原料；

(2)将铝和铜在中频炉中熔化并在850℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

具体应用步骤如下：

在中频炉里熔化Al-15Si(质量分数)合金，按照熔体质量1％的比例加入该异质形核 强化剂，保温20min后，按照常规工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高 度40毫米)。图4为使用本实施例的硅晶粒异质形核强化剂得到的铝硅合金凝固组织中硅晶 粒的形貌图。

由图4可知，使用该硅晶粒异质形核强化剂后硅晶粒的数目相比未使用硅晶粒异质形 核强化剂(图1)的硅晶粒显著增加。这是由于该铝硅合金熔体的硅晶粒异质形核强化剂激 活了一些铝硅熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地 促进硅晶粒形核，从而增加凝固组织中的硅晶粒的数目。

实施例4

一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，该强化剂的 元素质量百分比组成为镍70％，硅30％。

该强化剂的制备方法如下：

(1)按工业纯镍70％，硅30％的质量比称取原料；

(2)将纯镍和硅在中频炉中熔化并在1200℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

具体应用步骤如下：

在中频炉里熔化Al-15Si(质量分数)合金，按照熔体质量0.5％的比例加入该异质形 核强化剂，保温20min后，按照常规工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米， 高度40毫米)。图5为使用本实施例的硅晶粒异质形核强化剂得到的铝硅合金凝固组织中硅 晶粒的形貌图。

由图5可知，使用该硅晶粒异质形核强化剂后硅晶粒的数目相比未使用硅晶粒异质形 核强化剂(图1)的硅晶粒显著增加。这是由于该铝硅合金熔体的硅晶粒异质形核强化剂激 活了一些铝硅熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地 促进硅晶粒形核，从而增加凝固组织中的硅晶粒的数目。

实施例5

一种硅晶粒异质形核强化剂在促进铝硅合金熔体中硅晶粒形核中的应用，该强化剂的 元素质量百分比组成为铝75％，硅10％，镍15％。

该强化剂的制备方法如下：

(1)按工业纯铝75％，硅10％，镍15％的质量比称取原料；

(2)将纯铝、硅和镍在中频炉中熔化并在1100℃保温20min；

(3)将上述熔体浇铸成铸锭，即得。

具体应用步骤如下：

在中频炉里熔化Al-15Si(质量分数)合金，按照熔体质量0.5％的比例加入该异质形 核强化剂，保温20min后，按照常规工艺浇注到石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米， 高度40毫米)。图6为使用本实施例的硅晶粒异质形核强化剂得到的铝硅合金凝固组织中硅 晶粒的形貌图。

由图6可知，使用该硅晶粒异质形核强化剂后硅晶粒的数目相比未使用硅晶粒异质形 核强化剂(图1)的硅晶粒显著增加。这是由于该铝硅合金熔体的硅晶粒异质形核强化剂激 活了一些铝硅熔体中自然存在的，但是异质形核效果不佳的固体颗粒，使得他们可以有效地 促进硅晶粒形核，从而增加凝固组织中的硅晶粒的数目。

对比例1

在中频炉里熔化工业Al-15Si(质量分数)合金，至完全熔化，按照常规工艺浇注到 石墨模具中(直径45毫米，壁厚2毫米，高度40毫米)。所得铝硅合金凝固组织中硅晶粒 的形貌图如图1所示，由图1可知，未使用硅晶粒异质形核强化剂的熔体中有效的形核粒子 数目少，导致了凝固组织中硅晶粒的数量少。