铝硅合金低温加硅研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 4 5 铝硅合金低温加硅研究 陈建1 ”，刘天佐1 ’2 ，夏天东1 ’2 ，赵文军1 ，刘娜1 ，李海军2 ，张燕2 1 ．兰州理工大学，甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．兰州理工大学，有色金属合金省部共建教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要扼要介绍了铝硅合金生产中的五种熔配工艺，以共晶型与过共品型两种不同牌号的铝硅合金为例 阐述了低温加硅熔炼技术．获得了最佳工艺，该方法质量稳定、节约能源、环境友好。 关键词铝硅合金；熔炼；低温加硅 中图分类号T G l 4 6 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 3 0 0 4 5 0 5 T h eR e s e a r c ho nM e l t i n gA I - S iA l l o ya tL o wT e m p e r a t u r e C H E NJ i a n l ～，L I UT i a n Z U 0 1 ～，X I AT i a n ～d o n 9 1 “，Z H A OW e n j u n l ，L I UN a l ，L IH a i j u n 2 ，Z H A N GY a n 2 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ， L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a l 2 ．K e yL a b o r a t o r yo fN o n f e r r o u sM e t a lA l l o y s ，T h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 。L a n z h o u7 3 0 0 5 0 C h i n a A b s t r a c t F i v em e t h o d so fm e l t i n gA 1 一S ia l l o ya r ei n t r o d u c e d ．T h em e t h o do fm e l t i n gA 1 一S ia l l o ya tl o w t e m p e r a t u r ei su s e di ne u t e c t i ca n dh y p e r e u t e c t i ca l l o y s ，t h eb e s ts c h e m e sa reg o t ．T h em e t h o dc a nk e e p g o o dq u a l i t y ，e c o n o m i z ee n e r g ys ourcesa n dp r o t e c te n v i r o n m e n t ． K e y w o r d s A l u m i n u ms i l i c o na l l o y ；S m e l t i n g ；A d d i n gs i l i c o na tl o wt e m p e r a t u r e 铝硅系铸造合金密度小、导热性好，线膨胀系数 低、力学性能好，在汽车、航天等许多领域都获得广 泛应用【1 ] 。铝硅系铸造合金约占铝消费量的1 ／4 ， 如果再考虑其它含硅的铝基合金，铝硅合金所占的 比例还要高L 2 | 。 铝硅合金的制备虽然现在有电热还原法、电解 法，但目前比较常用的方法还是熔配法，采用优良的 熔配工艺对稳定产品质量、提高生产效率、降低能源 消耗都有很大的好处。 1熔配工艺比较 1 ．1 高温加硅法 传统的高温加硅1 艺先将铝熔化并过热到 9 5 0 ℃左右，用石墨钟罩将预热至2 0 0 ～3 0 0 ℃的碎 硅块 粒度为1 5 ～2 0m m 压入到铝液中，并缓慢转 作者简介陈建 1 9 8 1 一 ，男．山东汶上县人．硕士生． 动，保温一段时间，降温，除气除渣后浇成铸锭待 用Ⅲ。 S i 的熔点为14 1 4 ℃，且S i 的密度比铝小，易上 浮。加热温度过高，硅块容易漂浮在铝液表面上，与 空气中的氧发生氧化，在硅表面形成一层氧化膜，使 硅块不能熔化。如果加硅温度、加硅方法掌握不好， 硅就很难熔化，以致产品质量不稳定，甚至整个熔化 工艺失败。该工艺对加入的硅块粒度要求严，碎粒 状、粉状硅均不能加入，硅的浪费大；熔炼温度高，能 源浪费大，工人的劳动条件也差L 4 ] 。 1 ．2 硅块与铝块一起装炉、一起熔炼法 硅块与铝块一起装炉、一起升温、一起熔化，这 种方法在工厂中应用较普遍。把硅块放在炉底，在 硅块的上部放置铝块，然后一起升温。铝的熔点低， 比硅先熔化，并覆盖在硅的上面，硅在铝液的包裹下 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 慢慢溶解。 这种方法是一种比较好的方法，铝块熔化后就 阻止了硅块与大气的接触，防止了硅的高温氧化。 可是在铝块未熔化之前 大约在7 0 0 ℃之前 ，由许 多铝块堆积成的覆盖物无法阻隔空气与炉底硅块的 接触，并与硅在4 0 0 ℃时发生氧化反应【5 ] ，生成不溶 的S i O 。粒子。成为细小的夹杂物。这些夹杂物不但 对产品的力学性能及表面质量产生不利的影响，而 且会缩短模具寿命[ 6 ] 。 1 ．3 中间合金添加法 把事先熔炼的A I - S i 中间合金锭放入铝熔体 中。这种方法的优点是熔化效果好，容易吸收；缺点 是需要制备A l S i 中间合金，增多了工艺流程，加大 了能耗与铝、硅的烧损，增加了生产成本。用于配制 铝硅中间合金的铝纯度一般较低，容易导致最终合 金的杂质含量超标[ 6 ] 。配制中间合金的过程仍然困 难，工人的工作条件依然恶劣。 1 ．4 速熔硅添加剂方法 2 0 世纪9 0 年代工业发达国家出现了通过速熔 硅添加剂添加硅的方法。速熔硅添加剂是由纯硅 粉、催化剂、特种添加剂与微量铝粉经过高压压制而 成的饼块，硅的含量高达9 5 ％。在使用时把一定质 量的饼块投到铝熔体中，饼块迅速溶解] 。采用速 熔硅添加剂可以避免结晶硅的烧损，精确控制硅的 添加量，熔化时间极短。此方法虽然有效，但也有缺 点 1 结晶硅破碎、磨制成硅粉需要很多的能量。增 加了成本。若合金中硅的含量较高时，成本较高； 2 硅粉的表面容易氧化形成氧化硅，易形成夹渣； 3 工艺复杂。 1 ．5 低温加硅法 低温加硅技术是一新兴的技术，是由传统的高 温加硅工艺改进而来。在铝熔液温度比较低时 6 6 0 ～7 7 0 ℃ 加入碎硅块，再一起升温使硅熔化[ 4 ] 。该 方法即可以精确控制硅的添加量，也能很好的防止 硅块氧化，工人的工作条件也温和了许多。 本文利用低温加硅法对共晶型铝硅合金和过共 晶型铝硅合金的熔炼方法作了初步探讨。 2实验条件与方法 本实验采用的主要原料是工业纯铝 含铝 9 9 ．7 ％ 和3 2 0 5 型金属硅 含硅9 9 ．5 ’％ 。试验使 用的是井式坩埚电阻炉 1 ．5k W 和石墨粘土坩锅、 金属模具，还有热电偶、温控设备、坩锅钳、石墨搅拌 棒、涂料、覆盖剂等。 将5 0g 左右的铝块在井式坩埚电阻炉中加热 至熔化，铝液温度为6 6 0 ℃，加入一定比例的预热至 2 0 0 ℃的碎硅块 粒度为1 0m m 左右 ，再升温至不 同的温度，保温一段时间使硅块熔化，撇渣后浇注到 金属模具中 冷却速率为2 0 0 ℃／m i n 。 3铝硅合金低温熔炼实验 3 ．1 共晶型铝硅合金的低温熔炼 采用低温加硅法熔配了A l 一1 3 S i 共晶型铝硅合 金。为取得最佳熔炼工艺，分别在6 1 0 ℃、6 3 0 ℃、 6 5 0 ℃、6 7 0 ℃、7 0 0 ℃、7 3 0 ℃、7 6 0 ℃对铝液保温一定 时间。不同熔炼工艺下铝液温度变化见图1 。 U3I O1 5Z U2 5疆J 熔炼时间／r a i n 图1A I - 1 3 S i 低温熔炼曲线 F i g ．1 T h ec u r v eo fm e l t i n gA 卜1 3 S i a l l o ya tl o wt e m p e r a t u r e 6 1 0 ℃保温工艺铝液温度变化为R S A H I G 曲线。粒径为1 0 m m 左右的大硅块加入 到刚熔化的铝液中，铝液温度迅速降低到6 3 0 ℃，此 时铝液基本凝固，降低炉温使温度下降到A 点时的 6 1 0 ℃，此时铝液完全凝块；保温1 5 m i n 后，铝液开 始熔化；再保温l O m i n ，到达G 点，硅块完全熔化。 该工艺熔炼温度低，熔炼时间也长。 6 3 0 ℃保温工艺，铝液温度变化为R S B K L 曲线。加入硅块后，铝液温度降到6 3 0 ℃后，控 制炉温维持铝液温度不变。S B 阶段铝液基本处于 凝块状，B 点时铝液开始熔化，再保温1 0 m i n ，硅块 完全熔化。 6 5 0 ℃保温工艺。铝液温度变化为R S B C M 曲线。加入硅块后给铝液加热，但在S B 阶段 是吸热阶段温度却不上升，B 点后温度迅速升高，到 达6 5 0 ℃的C 点，只剩下夺5 m m 左右的小硅块，保温 5 m i n ，硅块完全熔化。 6 7 0 ℃、7 0 0 ℃、7 3 0 ℃、7 6 0 ℃的保温工艺，铝液温 度变化规律与6 5 0 ℃保温时相似，有所不同的是当 温度升到6 7 0 ℃的D 点时，硅块就完全熔化了。当 {蕈瑚珊瑚咖鲫㈣锄咖 p 、世娟蜷竣 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 4 7 温度升到设计的保温温度，再保温5 r a i n 使熔液均 匀化。 兼顾降低能耗与提高效率，选择在6 5 0 ℃保温 熔炼的工艺为最优工艺。 3 ．2 过共晶铝硅合金的低温熔炼 低温加硅法熔配了A l 一2 0 S i 过共晶型铝硅合 金。为取得最佳熔炼工艺，分别在7 3 0 ℃、7 5 0 ℃、 7 8 0 ℃、8 1 0 ℃、8 5 0 ℃对铝液保温一段时间。不同熔 炼工艺下铝液的温度变化见图2 。 缮烁时I 司／m i n ● 图2A I - 2 0 S i 低温熔炼曲线 F i g ．2 T h ec u r v eo fm e l t i n gA i - 2 0 S i a tl o wt e m p e r a t u r e 7 3 0 ℃保温工艺，铝液温度变化为0 一A B C D I G 曲线。硅块加入到刚熔化的6 6 0 ℃的铝 液中，温度迅速下降到6 0 0 ℃，给铝液供热，温度上 升到6 3 0 ℃后，由于该阶段是吸热反应铝液温度基 本保持稳定，C 点后铝液温度重新快速升温至 7 3 0 ℃，此时硅块大部分被熔化掉，只剩4m m 左右 的圆硅块，再保温1 0r a i n 到达G 点，硅块完全熔化。 7 5 0 ℃、7 8 0 ℃、8 1 0 ℃、8 5 0 ℃保温工艺，铝液温度 变化规律与7 3 0 ℃时类似。当温度升至7 5 0 ℃的E 点时，硅块仅为2m m 大小，当温度升到7 8 0 ℃或者 更高的温度时，硅块都已经完全熔化。每炉试样升 至设计保温温度后，再保温5m i n 使其均匀化。 兼顾降低能耗与提高效率，选择在7 5 0 ℃保温 熔炼的工艺为最优工艺。 3 ．3 实验结果分析 3 ．3 ．1 成分分析 铝硅合金的密度随硅含量的增加而减小，硅含 量每增加1 ％，密度大约减小0 ．0 0 4g ／c m 3 。因此可 以通过测定密度间接的反映铝硅合金硅的百分含 量。根据G B 3 8 5 0 - - 8 3 测定了得铝硅合金的密度， 该方法的原理是试样先在空气中称重，然后在液体 中称重，经计算即得试样的密度。A 1 - 1 3 S i 在6 l o 、 6 3 0 、6 5 0 、6 7 0 、7 0 0 、7 3 0 和7 6 0 ℃下的密度分别为 2 6 4 9 、2 ．6 5 3 、2 ．6 5 0 、2 ．6 5 1 、2 ．6 4 6 、2 ．6 5 2 、2 ．6 4 7 g ／c m 3 。A 1 - 2 0 S i 在7 3 0 、7 5 0 、7 8 0 、8 l O 、8 5 0 ℃下的密 度分别为2 ．6 1 8 、2 ．6 1 8 、2 ．6 2 0 、2 ．6 1 5 、2 ．6 1 6 g ／c m 3 。可见，每个试样密度的绝对误差都没有超 出系统误差，说明每组试样的密度都是一致的，即合 金的成分是一致的。A l 一1 3 S i 、A 1 2 0 S i 的密度平均 值分别为2 ．6 5 0g ／c m 3 、2 ．6 1 7 9 ／e m 3 ，这两个数值与 密度曲线基本吻合，说明铝硅合金的成分符合设计 成分，并且成分稳定。熔炼配料时，硅块是严格按 1 3 ％、2 0 ％的计量添加的，最终试样又符合1 3 ％、 2 0 ％的计量关系，说明了硅的烧损率低，符合生产要 求。 3 ．3 ．2 微观结构分析 A l 一1 3 S i 、A 1 2 0 S i 两种合金不同熔炼温度下金 相组织见图3 ～4 。 金相图片中颜色比较深的、呈多边形存在的、大 块的相为初晶硅；颜色比较浅的、呈树枝状存在的相 为a 铝；呈纤维状分布的相为共晶硅。 如图5 所示A l 一1 3 S i 合金在6 1 0 ℃时初晶硅的 颗粒很少，在显微镜2 0 0 倍的视场中仅有两三个，随 着熔炼温度的提高，初晶硅的颗粒数迅速增加， 6 7 0 ℃时初晶硅个数已增加到4 0 个，过了6 7 0 ℃颗 粒数目增加趋势变缓。初晶硅的大小随熔炼温度的 提高而变小，由5 0 肛m 逐步下降到2 5 肛m 。随熔炼 温度的升高，初晶硅的颗粒数目增多，颗粒尺寸却变 小。a 铝晶粒大小随熔炼温度的提高由6 1 0 ℃时的 4 0 0 弘m 迅速下降到7 0 0 ℃时的1 0 0 弘m ，并趋于稳 定。共晶硅颗粒尺寸随温度变化呈现两头小中间大 的趋势，在低温与高温时的晶粒都很细小，长度大约 为3 0 “m ，而在中间温度7 0 0 ℃时，共晶硅的长度却 为1 1 0 “m 。随熔炼温度的提高，A I - 1 3 S i 的金相组 织变小；当温度超过6 7 0 ℃，组织变化趋势变缓。 如图6 所示A l 一2 0 S i 合金的初晶硅、a 铝相的晶 粒尺寸随熔炼温度的升高出现整体缓慢下降趋势， 但在8 1 0 ℃时晶粒尺寸大于7 8 0 ℃与8 1 0 ℃的。共 晶硅的尺寸随熔炼温度的升高呈现整体变小的趋 势。显微镜2 0 0 倍视场中初晶硅的个数随熔炼的温 度升高出现整体增多的规律，但在7 8 0 ℃时，颗粒数 目有些变少。总之，在7 3 0 ℃到8 6 0 ℃范围内，随熔 炼温度的升高，A 卜2 0 S i 合金的金相组织呈现整体细 化变小趋势。A 1 2 0 S i 合金的金相组织变化规律不 如A 1 1 3 S i 合金那样明显，可能因为A l 一2 0 S i 合金的 熔炼温度比较高，熔体在高温时组织均匀。 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 图3A I - 1 3 S i 不同保温温度熔化后的金相组织 F i g ．3 T h em i c r o s t r u c t u r eo fA l _ 1 3 S ia td i f f e r e n tm e l t i n gt e m p e r a t u r e 图4A I - 2 0 S i 不同保温温度熔化后的金相组织 F i g ．4 T h em i c r o s t r u c t u r eo fA 卜2 0 S ia td i f f e r e n tm e l t i n gt e m p e r a t u r e 熔炼温度，℃ 图5A I - 1 3 S i 金相组织参数 F i g ．5 T h em i c r o s t r u c t u r ei n d e xo fA I - 1 3 S i 1 6 0 1 2 0 捌8 0 瑶 熠塌；温度，℃ 图6A I - 2 0 S i 金相组织参数 F i g ．6 T h em i c r o s t r u c t u r ei n d e xo fA l - 2 0 S i 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 4 9 4结论 铝硅合金低温加硅熔炼法工艺稳定、环境友好， 不仅适合于共晶型铝硅合金的熔炼，也适合于过共 晶型铝硅合金的熔炼。适合于中小企业生产或实验 室的研究。 参考文献 [ - 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