Si/富Fe鋁基復(fù)合材料組織的復(fù)合處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的處理方法，特別涉及一種變質(zhì)Mg2Si/富 Fe鋁基復(fù)合材料組織的復(fù)合處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁及其合金質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、導(dǎo)電性能和成型性能好，成為廣泛 應(yīng)用的金屬材料之一，是僅次于鋼鐵材料的第二大金屬結(jié)構(gòu)材料。隨著鋁使用量的大幅增 長(zhǎng)，廢舊鋁合金的回收與再利用是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。但在廢舊鋁資源的回收與 再利用中，因反復(fù)熔煉或者廢舊期間中接觸Fe部件等原因?qū)е聫U舊鋁熔化后往往存在高 的Fe含量。高Fe含量的鋁合金中主要存在三元相a-Fe和P-Fe相，其中a-Fe相呈漢 字狀，具有復(fù)雜旋繞的枝晶，對(duì)鋁合金性能的危害較小。而P-Fe相在鋁合金中呈粗大的針 片狀，對(duì)基體有嚴(yán)重的割裂作用，從而顯著降低廢舊鋁的品質(zhì)。目前，尚無(wú)特別有效的工藝 技術(shù)去除或大幅降低錯(cuò)中Fe含量。
[0003] 為進(jìn)一步改善鋁合金性能，通過(guò)外加或者內(nèi)生反應(yīng)法在鋁合金基體獲得高硬顆 粒，即鋁基復(fù)合材料，是提高鋁合金耐磨性和高溫力學(xué)性能的有效手段。該類型材料往往具 有比強(qiáng)度、比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、高溫性能好、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在航空、 航天、汽車工業(yè)、先進(jìn)武器制造等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。決定鋁基復(fù)合材料制備和性能的關(guān)鍵 在于增強(qiáng)體的選擇及其復(fù)合途徑，其中利用Mg和Si在熔體中原位生成Mg2Si相增強(qiáng)鋁合金 是一種有效的強(qiáng)化手段，其顯著特點(diǎn)在于制備工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的熔融鑄造法即可實(shí)現(xiàn)。
[0004] 值得注意的是，鋁中Fe相往往是硬脆相，具有很高的硬度和耐熱性，應(yīng)是理想的 復(fù)合材料增強(qiáng)相。本專利擬以富Fe的鋁合金作為基體材料，通過(guò)熔融鑄造法原位生成Mg2Si 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。在富Fe的鋁基復(fù)合材料材料中，實(shí)際上存在兩種典型的強(qiáng)化相：Fe相 和Mg2Si。對(duì)于Fe相，往往是粗大針狀，而Mg2Si往往呈粗大樹(shù)枝晶或者漢字狀結(jié)構(gòu)。只 有通過(guò)適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)處理工藝控制和改善其形態(tài)，才能有效發(fā)揮其強(qiáng)化效果。變質(zhì)處理可以 通過(guò)提高晶體的形核率或改變晶體的生長(zhǎng)形式，達(dá)到有效細(xì)化組織和控制合金相形貌的目 的，從而顯著改善材料的力學(xué)性能和加工性能。常用的變質(zhì)方法主要有：添加中和變質(zhì)劑、 微量合金化元素化、熔體過(guò)熱處理、快速冷卻處理等。其中前兩種屬于合金元素添加法，而 后兩種屬于工藝操作范疇。
[0005] Mn是變質(zhì)Al合金中Fe相最常見(jiàn)且最有效的變質(zhì)元素。公開(kāi)號(hào)為CN103820638A 的專利公開(kāi)了一種高Fe鋁硅合金中Fe相的多元復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理方法。該發(fā)明采用 Al-Ti-C、Mn、RE對(duì)高Fe鋁硅合金中的Fe相進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)，可有效地將針狀有害的P-Fe相 轉(zhuǎn)變漢字或者顆粒狀a-Fe相。吳亮等【吳亮，Mn、Sr對(duì)鋁硅合金中鐵相的影響，鑄造，2011 年12期（60)，1185-1189】證實(shí)Mn和Sr復(fù)合可將Fe相由針狀的轉(zhuǎn)變成細(xì)小的魚(yú)骨狀，并均 勻分布于a-Al枝晶中。而對(duì)于Mg2Si相的形態(tài)控制，稀土、Sr和P等都較為有效的變質(zhì)元 素。如公開(kāi)號(hào)為CN101871067A的專利公開(kāi)了一種Sr變質(zhì)含硅高強(qiáng)鎂合金中的共晶Mg2Si 強(qiáng)化相的處理技術(shù)，Sr能夠有效細(xì)化共晶Mg2Si相，提高材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)Mg2Si/富Fe 鋁基復(fù)合材料組織的復(fù)合處理方法，實(shí)現(xiàn)Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料中的Mg2Si相和Fe相 同步變質(zhì)及細(xì)化，從而改善材料的微觀組織結(jié)構(gòu)并提高其性能。
[0007] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種變質(zhì)Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料組織的復(fù)合處理方法，包括以下步驟：
[0009] (1)制備Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的熔體，在700~750°C保溫；
[0010] ⑵將細(xì)化變質(zhì)劑投入步驟⑴制備的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的熔體中，在溫 度700~750°C繼續(xù)保溫10~20min，并攪拌；
[0011] 所述細(xì)化變質(zhì)劑包含Cr元素和B元素，其中Cr元素的加入量為Mg2Si/富Fe鋁 基復(fù)合材料質(zhì)量的〇. 8%~I. 5% ;B元素的加入量為Mg2Si/富Fe錯(cuò)基復(fù)合材料質(zhì)量的 0? 2%~0? 4% ;
[0012] 所述細(xì)化變質(zhì)劑采用中間合金的方式加入熔體，細(xì)化變質(zhì)劑在加入前在150~ 200°C下預(yù)熱8~IOmin;
[0013] (3)對(duì)步驟⑵得到的熔體進(jìn)行除氣除雜精煉，精煉后靜置2~5min出爐，扒渣澆 注成型。
[0014] 步驟⑵所述細(xì)化變質(zhì)劑還包含Sr元素，Sr元素的加入量為Mg2Si/富Fe鋁基復(fù) 合材料質(zhì)量的〇. 08~0. 15%。
[0015] 步驟⑵所述細(xì)化變質(zhì)劑還包含La元素，La元素的加入量為Mg2Si/富Fe鋁基復(fù) 合材料質(zhì)量的0.2~0.4%。
[0016] 所述細(xì)化變質(zhì)劑采用中間合金方式加入熔體，具體為：
[0017] 所述B元素采用加入A1-3B中間合金的方式加入；所述Cr元素采用加入Al-IOCr 中間合金的方式加入。
[0018] 所述Sr元素采用加入Al-IOSr中間合金的方式加入。
[0019] 所述La元素采用加入Al-IOLa中間合金的方式加入。
[0020] 步驟⑴所述制備Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的熔體，在700~750°C保溫，具體 為：
[0021] 將富Fe鋁合金、純Mg和Al-20Si中間合金一同在700~750 °C熔化保溫10~ 20min，并攪拌；
[0022] 所述Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的組成為：
[0023]Fe1 % ~2 %;
[0024]Mg2Si20 % ~25%;
[0025]Al余量。
[0026] 步驟（3)所述精煉，具體為：
[0027]加入2#精煉劑進(jìn)行精煉除氣，2#精煉劑的化學(xué)成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlFjP C2Cl60
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0029] (1)本發(fā)明能同步實(shí)現(xiàn)針狀P-Fe相和初生Mg2Si相形態(tài)控制；變質(zhì)后初生Mg2Si 相從粗大的樹(shù)枝晶狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，而P-Fe相從長(zhǎng)針狀變成細(xì)小的漢字狀或者骨骼狀。
[0030] (2)本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的熔煉技術(shù)，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生 產(chǎn)。
[0031] (3)本發(fā)明所采用的變質(zhì)元素較為常見(jiàn)，成本低廉，變質(zhì)效果明顯且無(wú)污染。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為對(duì)比例1中未經(jīng)細(xì)化變質(zhì)的20%Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的XRD圖譜；
[0033] 圖2為對(duì)比例1中未經(jīng)細(xì)化變質(zhì)的20%Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照片；
[0034] 圖3為經(jīng)對(duì)比例2中單一元素Ce變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照 片；
[0035] 圖4為經(jīng)對(duì)比例3中單一元素B變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照 片；
[0036] 圖5為經(jīng)對(duì)比例4中單一元素Mn變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照 片；
[0037] 圖6為經(jīng)對(duì)比例5中單一元素Cr變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照 片；
[0038] 圖7為經(jīng)對(duì)比例6中單一元素Sr變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照 片；
[0039] 圖8為經(jīng)對(duì)比例7中單一元素P變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM照 片；
[0040] 圖9為經(jīng)對(duì)比例8中B-Mn復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM 照片；
[0041] 圖10為經(jīng)實(shí)施例1中B-Cr復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的XRD 圖譜；
[0042] 圖11為經(jīng)實(shí)施例1中B-Cr復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM 照片；
[0043] 圖12為經(jīng)實(shí)施例2中B-Cr復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM 照片；
[0044] 圖13為經(jīng)實(shí)施例3中B-Cr復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM 照片；
[0045] 圖14為經(jīng)實(shí)施例4中B-Cr復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理的Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的SEM 照片；
[0046] 圖15為經(jīng)實(shí)施例5的B-Cr-Sr多元復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑處理后的Mg2Si/富Fe鋁基 復(fù)合材料的SEM照片；
[0047] 圖16為經(jīng)實(shí)施例6的B-Cr-La多元復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑處理后的Mg2Si/富Fe鋁基 復(fù)合材料的SEM照片；
[0048] 圖17為經(jīng)實(shí)施例7的B-Cr-Sr-La多元復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑處理后的Mg2Si/富Fe鋁 基復(fù)合材料的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0050] 首先給出普通鑄造法制備Mg2Si/富Fe再生鋁合金的制備，以及傳統(tǒng)方法對(duì)該復(fù) 合材料進(jìn)行變質(zhì)處理的對(duì)比例，并觀察組織，分析變質(zhì)效果。需要說(shuō)明的是，對(duì)比例的目的 僅僅在于更好地理解本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)和有益效果。
[0051] 對(duì)比例1 20%Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的制備
[0052] 首先通過(guò)ICP直讀光譜確定富Fe鋁合金的具體成分，其中Si的質(zhì)量百分比為 7%，F(xiàn)e的質(zhì)量百分比為1. 3%，其余主要為A1。本對(duì)比例中Mg2Si增強(qiáng)顆粒是通過(guò)將純鎂 和Al-20Si中間合金與原材料一同熔融在鋁合金內(nèi)部原位生成的。
[0053] 本對(duì)比例中20%Mg2Si/富Fe鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)具體操作方法如下：
[0054] (1)首先將一定量的富Fe鋁合金和純鎂、Al-20Si中間合金在300°C下預(yù)熱5min， 采用井式電阻爐、石墨坩堝熔煉上述材料。
[0055] (2)然后將溫度升高至720°C保溫20mi