[发明专利]一种复合变质铸造铝合金及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及有色金属铸造技术领域，特别涉及一种复合变质铸造铝合金及其制备方法，该复合变质铸造铝合金主要用于制造汽车发动机缸体、缸盖等零部件。

背景技术

铝-硅合金具有良好的铸造性能和力学性能，是当前工业上应用最为广泛的铸造铝合金。其中，ZL104（ZAlSi9Mg）属于一种亚共晶铸造铝-硅合金。该合金具有如下优点：流动性好；无热裂倾向；气密性良好；线收缩率小；合金经变质处理及热处理后具有较好的综合力学性能。然而，该合金在熔炼时吸气倾向较大，铸件凝固后易于形成针孔，在一定程度上降低了合金的强度和塑性。当前，ZL104铝合金已经应用于制造汽车发动机缸体、缸盖等零部件，是一种用途广泛的铸造铝合金。

ZL104铝合金在未变质处理时，合金的铸态组织中初生α-Al枝晶发达，具有较强的取向性，宏观晶粒尺寸约1000μm，二次枝晶臂间距可达30μm，共晶硅相呈粗大的片条状，其长度可达150μm。这种粗大的片条状脆性相严重割裂基体，由于共晶硅相的热稳定性强，在后续的热处理中无法溶入基体组织，从而显著降低合金的强度和塑性。近年来，国内外研究人员对铝-硅系铸造铝合金熔体的细化变质研究进行了大量的尝试。目前，常用的变质剂主要有：钠盐、Al-3Ti-4B中间合金、锶及稀土等。其中钠盐是最早应用于细化铝合金熔体的变质剂，通常以NaCl、KCl和NaF三元混合物的形式加入。其特点是可以初生α-Al枝晶细化为约120μm的等轴枝晶，同时部分细化粗大的片条状共晶硅相。其缺点是钠元素极易烧损，导致有效变质时间短，变质剂中的氟、氯离子容易腐蚀铁质坩锅，从而使铝合金熔体中引入大量的杂质元素铁。变质后铝液的流动性降低，铸件形成缩孔、疏松倾向加大，并且难于清除坩埚上的炉瘤。锶也是常用的铝合金熔体变质剂。其特点是锶元素加入量为0.02～0.06wt.%即可以细化铝硅合金的铸态组织，并且有效变质时间长，至少能在6h内使ZL104合金共晶硅充分变质。但是锶在铝合金熔体中容易产生吸氢现象，形成SrH₂化合物，除氢困难，铸件中易形成针孔缺陷，降低合金的力学性能。

研究表明，稀土元素具有独特的物理和化学性质，在铸造铝硅合金中添加少量的稀土元素可以显著的细化合金的铸态组织，改善其强韧性。稀土在铸造铝合金中的有益作用主要表现为变质作用、除气、精炼及合金化作用。稀土金属作为变质剂具有很好的长效性和重熔稳定性。此外，稀土金属与铝元素结合易生成高熔点的短棒状AlRe_x化合物，对基体起到弥散强化作用。如张建新等通过在Al-Mg-Si系铝合金中加入0～0.45wt.%的Y元素，研究了微量的稀土Y对合金的铸态组织及抗高温蠕变性能的影响，结果表明：微量的稀土Y能显著细化合金的铸态组织，晶粒尺寸维持在50μm左右，合金的热稳定性显著增强，高温下的抗拉强度较变质前提高约25%（张建新，高爱华.微量Y对Al-Mg-Si系合金组织性能的影响，航空材料学报，2012，32（1））。张秀梅等研究了稀土Ce对ZL101合金的变质作用。结果表明：在690℃下变质，Ce添加量为0.1wt%时，组织上共晶硅由粗大的片条状部分细化为短杆状，初生α-Al枝晶变为等轴状，晶粒明显细化（张秀梅，史志铭，刘瑞堂，等.稀土Ce变质对ZL101合金铸态组织和性能的影响，铸造，2008，57（8））。

本发明设计人通过科技查新后发现，目前常用的稀土变质剂主要集中在Y、Sc、La、Ce等几种轻稀土元素，缺乏对含重稀土变质剂的研究和应用，尤其是重稀土与钠盐对ZL104合金复合变质的试验研究仍未见报道。

发明内容

本发明为克服现有铝-硅合金熔体变质处理时发生吸气，有效变质时间短及氧化夹杂倾向的缺点，提供了一种应用重稀土Yb与钠盐复合变质的铸造铝硅合金及其制备方法和应用。其技术方案为：以铝-硅系铸造铝合金为基体，参考国标ZL104铝合金成分配制合金，再按一定比例添加稀土Yb与钠盐进行复合变质处理。通过重稀土元素Yb的变质及合金化作用，显著细化合金的铸态组织，改善其强韧性，降低钠盐变质引入的氧化夹杂，提高铸件的致密性。

本发明具体技术方案如下：

首先本发明提供了一种复合变质铸造铝合金，其由以下重量百分比的成分组成：

限制杂质元素：Fe﹤0.2%；Sn﹤0.1%；Cu﹤0.1%；Pb﹤0.05%；

其余为Al。

优选的，所述的复合变质铸造铝合金，其由以下重量百分比的成分组成：