[发明专利]一种消除铝合金中针片状富Fe相的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料的制备及铸造成形技术领域，涉及到一种施加超声振动和添加中和剂Mn元素相结合制备含Fe铝合金的方法，通过改变合金中富Fe相的形貌，提高材料的力学性能，尤其是高温力学性能。本发明可用于铝合金尤其是铝硅合金零件的成形以及铝合金材料的回收利用。

技术背景

Fe是铝合金中最常见也是最有害的元素，常规铸造工艺条件下，铝合金尤其是铝硅合金中的富Fe相如β-Al₅FeSi和δ-Al₄FeSi₂易长成粗大的针片状，使合金的力学性能恶化。铝合金中Fe的来源有以下几个方面：第一，杂质Fe，在熔炼配置铝合金的Si等原材料中，以及熔炼过程中使用的铁质工具中，都或多或少以杂质的形式掺入了少量Fe。第二，作为合金元素加入铝合金中的Fe，在铝硅合金中加入Fe以提高合金的高温力学性能，而在压铸铝合金加入0.7～1.2％Fe有利于铸件脱模。第三，残余Fe，铝合金零部件的使用寿命相对较短(14年左右)，大部分铸造铝合金由废料再生产而成，而Fe在铝合金中具有遗传性，很难消除。

Fe在液态Al中的溶解度较大，而在固态Al中溶解度很小(小于0.05％)，因此Fe主要以金属间化合物的形式存在于铝合金中。合金凝固过程中，Fe原子在凝固前沿富集，即使少量Fe也会在合金中形成硬而脆的富Fe相，其中危害最大的是针片状的β-Al₅FeSi相。富Fe相常常易引起应力集中，成为微裂纹的发源地，从而降低合金的力学性能，尤其是塑性和韧性。随着合金中Fe含量的增加，β相的开始析出温度迅速升高，析出范围扩大，生长时间延长，从而β相长的越来越粗大，对合金的危害也越大。

由于Fe在固态Al中的扩散系数很小，通过热处理的方式减少富Fe相的有害作用，不仅效果很微弱，而且能耗大成本高。比如β-Al₅FeSi相，即使合金的固溶处理温度接近固相线温度，经过长时间的热处理其针片状形貌也没有变化。工业生产中，由于废料中的Fe很难去除，常常只能通过加入新料以稀释Fe的浓度。目前，降低铝合金中富Fe相危害的方法主要有加入中和元素、快速凝固和熔体过热法，其中最为普遍的是加入中和合金元素Mn。Mn能有效改善富Fe相形貌，使针片状的β-Al₅FeSi相转变为对性能影响较小的汉字状Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂。专利文献CN1081720A中公开了一种含45～60％Mn的铝合金铁相球化剂，可使Al-Si，Al-Cu，Al-Zn等铝基合金中针状铁相转变为球形或近球形。通常认为，以Mn/Fe＝1/2向合金中加入Mn能获得较好中和Fe的效果，继续增加Mn的加入量，虽然能进一步降低β相的有害作用，但是生成硬度很高的多角状初生α-Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂，降低合金的切削加工性能。然而，即使按高的Mn/Fe加入Mn也不能完全消除β-Fe的有害作用，而且大量Mn的加入将增加成本。另外加入Cr、Co、Zr、Ti等元素也对针片状Fe相形貌的改变有一定的作用。美国专利文献6267829公布了一种减少含铁Al-Si合金(尤其是Al-Si-Mn-Fe合金)中初生β-Al₅FeSi形成的方法。该方法通过热分析控制富Fe相的析出，使β相依附于先析出的六边形Al₈Fe₂Si相形核，最终双重结构的化合物颗粒形貌由Al₈Fe₂Si相决定，从而改变了β相的针状形貌。该方法需要化学分析以对熔体中元素的活度、实际相图位置以及溶质的富集程度进行计算，这些数据和专业系统相结合才能用于计算合金的凝固路径，从而控制合金凝固时相的析出。但目前还没有开发这样一种系统用于实际铸造条件。