一种高硅铝合金及其变质方法

技术领域

本发明涉及铝合金生产技术领域，具体公开了一种高硅铝合金及其变质方法。

背景技术

变质是提高铝合金的性能的重要手段，通过变质剂改变铝合金的结晶，细化质点，显著提高了铝合金的性能。目前用Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等固溶体型铝合金在室温和高温时，机械性能都表现非常出色，因而应用非常广泛。但上述使用Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等方法制备的高硅铝合金的最大缺点是宏观结晶晶粒粗大，导致其不能充分发挥机械性能的优势。因此，如何对高硅铝合金进行变质处理使其晶粒细小，使得制备的高硅铝合金具有优异的机械性能是一项有待解决的技术问题。

另外，在高硅铝合金变质处理过程中经常需要使用到静置炉，但现有静置炉结构简单，其温控和保温功能不理想，在高硅铝合金变质处理过程中不仅能耗较大，而且无法精准控制静置炉温度。例如申请号为CN201720562060.1的实用新型就公开了一种静置炉，包括炉体、炉膛和坩埚，炉膛的底部设有底座，坩埚固定于底座上方，炉体的上方设有盖体；炉体内壁及盖体底部设有保温板，保温板上间隔设有竖向设置的凹槽，凹槽内设有加热棒；炉体的侧面底部设有开口，开口内设有门堵一，开口的外侧设有平开门；炉体的侧面底部设有废料孔，炉膛底部的保温板设有向废料孔倾斜的斜坡，废料孔内设有门堵二，废料孔的外侧设有废料门；炉体的侧面设有热电偶；炉体的一侧设有控制柜，加热棒和热电偶均与控制柜电连接。该实用新型公开的静置炉虽然设置有加热装置，但是该加热装置无法使得炉体内部的坩埚受热均匀，而且加热后的坩埚无法实现精准保温，往往导致高硅铝合金变质处理过程中因温度无法精准控制而导致产品质量问题。因此，针对现有静置炉的上述不足，本申请还提出了一种能够能耗低、且能够对高硅铝合金变质处理过程中实现精准温控的装置。

发明内容

本发明的目的是现有使用Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等方法制备的高硅铝合金导致宏观结晶晶粒粗大，不能充分发挥机械性能的优势以及现有静置炉在高硅铝合金变质处理过程中因温度无法精准控制而导致产品质量问题的不足，提出了一种能够解决上述技术问题的高硅铝合金及其变质方法及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高硅铝合金变质方法，包括如下步骤：

1）按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比配料称取纯铝锭、锌锭、纯镁锭、以及铝锰、铝铜、铝硅和铝钛硼中间合金，同时将熔炼炉温度设定为900-1000℃，再将纯铝锭、锌锭，铝铜、铝硅及铝锰中间合金装炉，待全部融化后，加入纯镁锭、铝磷变质剂、稀土，并控制炉温在800-850℃之间；

2）精炼升温：将经步骤1）得到的熔体倒入静置炉中，通入氩气进行喷粉精炼，其中，喷粉为含钠精炼剂，并控制精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至780-800℃；其中，控制氩气流量在5-10L/min范围内；

3）细化晶粒：将经步骤2）得到的熔体保温20-30min，保温温度为780-800℃，保温结束后，加入铝钛硼细化剂，并进行搅拌，搅拌时间为5-10min；

4）铸造：待熔体温度稳定至780-820℃之间时，熔体经过过滤板后，倾倒至铸造盘中进行半连续铸造，铸造过程结束即得到高硅铝合金铸棒。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤1中在加入纯镁锭、铝磷变质剂、稀土后还对熔炼炉内的熔体进行机械搅拌辅助熔炼，搅拌次数2次，每次5-10min，其中，第一次搅拌后还进行扒渣处理，并且控制搅拌频率为80-120r/min。

优选地，所述步骤1）铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.1-0.25%。

优选地，所述步骤1）稀土的加入量为熔体质量的0.01-0.10%。

优选地，所述步骤3）铝钛硼细化剂的加入量为熔体质量的0.05-0.15%。

优选地，所述步骤4）铸造过程采用水进行冷却，冷却水流速控制为2800-3200L/min，并控制铸造速度为90-100mm/min。

一种高硅铝合金，所述如下质量百分比计的组分：14.0-18.0%硅、4.0-5.0%铜、0.45%-0.65%镁、0.05-0.1%锰、0.15-0.5%铁、0.05%-0.1%锌、0.1%-0.2%钛，0.08-0.12%磷，余量为铝和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素合计小于0.15%。

根据上述的制备方法，所述步骤1）中熔炼过程：铝磷+稀土起到复合变质作用，同时使用机械搅拌设备进行辅助，主要的目的是利用设备搅拌后液体的充分流动特点，细化并增加变质过程中初晶硅的形核中心，增加形核数量，从而控制初晶硅的尺寸。

根据上述的制备方法，所述步骤2）精炼升温过程，通入氩气并加入含钠精炼剂，起到除渣、除气作用，同时含钠精炼剂对细化初晶硅尺寸也起到作用。

根据上述的制备方法，所述步骤3）细化晶粒，熔体经静置后加入铝钛硼细化剂，最终完成三联变质：铝磷变质剂+稀土+铝钛硼细化剂，加入细化剂后应在10-30min内进行铸造。

三联变质组合是本发明中的关键工艺，利用铝磷变质剂+稀土+铝钛硼细化剂工艺可以攻克高硅铝合金中铸造过程中的初晶硅问题。首先进行铝磷变质剂+稀土，增加变质过程中初晶硅的形核数量，提供更多的初晶硅的形核中心；另一方面变质初期采用机械搅拌措施，促进熔体流动，降低合金中初晶硅的长大速度，避免多个初晶硅的合并长大。铸造前加入铝钛硼细化剂，起到细化组织晶粒，对初晶硅的尺寸形态控制也起到很好作用。因此本发明最终实现了高硅铝合金的高品质，产业化生产。

另外，本专利还公开了一种用于上述高硅合金变质方法中的装置，包括保温箱体、静置炉体、氩气储存罐和控制柜，所述保温箱体的上表面开设有盒盖口，所述静置炉体设置在盒盖口正下方的保温箱体中，位于所述盒盖口外侧的保温箱体上表面固定设置有龙门架，所述龙门架的左右两端均连接有垂直设置的导杆，所述龙门架的上端设置有第一伸缩装置，所述第一伸缩装置的下端连接有炉盖，且炉盖设置在盒盖口的正上方，所述炉盖的左右两端外延有凸边，所述凸边上开设有与导杆相匹配的导孔，所述炉盖的上表面中心设置有搅拌电机，所述搅拌电机穿过炉盖的下端连接有搅拌架；

所述静置炉体的下端设置有保温底座，所述静置炉体的左右两侧面的上端均固定连接有水平转轴，所述保温箱体的左右两侧壁上端均连接有安装块，所述水平转轴与安装块转动连接，位于所述安装块下方的保温箱体内壁上下间隔设置有轴承座，两个所述轴承座之间转动连接有双向丝杠，所述保温箱体内壁上还固定设置有用于驱动双向丝杠转动的步进电机，位于所述静置炉体的左右两侧均设置有弧形加热板，所述弧形加热板朝向静置炉体的一侧设置有电阻加热装置，所述弧形加热板远离静置炉体的外侧面为保温层，所述保温层的上下端均固定有转动件，每个所述转动件上均转动连接有活动杆，每个所述活动杆的活动端均转动连接有升降块，且升降块上开设有与双向丝杠相匹配的螺纹孔，且上下两个升降块呈镜像对称设置在双向丝杠的上下两端；

所述保温箱体的前侧内壁上固定设置有第二伸缩装置，所述静置炉体的前侧面上端固定有铰座，所述第二伸缩装置的活动端与铰座转动连接，所述静置炉体的后侧面上端开设有出料口，位于所述出料口处的静置炉体外表面设置有浇料斗，位于所述浇料斗下方的保温箱体后侧面上设置有接料过滤斗，所述接料过滤斗的下端伸出保温箱体设置，且接料过滤斗中设置有过滤板；

所述保温箱体的前侧面设置有固定座，所述氩气储存罐安装在固定座上，所述氩气储存罐上连接有压缩气管，且压缩气管上设置有控制阀，所述压缩气管的端部伸入保温箱体中且朝向静置炉体的上端开口设置，且在压缩气管的端部连接有粉料扩嘴，位于所述氩气储存罐的上方设置有料斗，所述料斗的下端连接有绞龙送料机，且绞龙送料机的端部连接有与压缩气管相连通的下料管。

作为上述方案的具体设置，所述龙门架上设置的第一伸缩装置为两个，且两个第一伸缩装置对称设置在龙门架的左右两端。

作为上述方案的具体设置，所述第一伸缩装置和第二伸缩装置均为气缸或者液压缸其中的一种。

作为上述方案的具体设置，所述静置炉体的前后两侧面均连接有垂直设置的保温条，且在保温条上安装有伸入静置炉体中的温度探头。

作为上述方案的具体设置，所述搅拌架由垂直设置的搅拌轴和设置在搅拌轴上的多根搅拌棒组成，且搅拌轴与静置炉体的中轴线相垂直设置。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1）本发明提供了一种采用三联变质工艺进行的高硅铝合金的铸造方法，采用的机械搅拌辅助手段改善了高硅铝合金的品质，获得了理想的组织状态，获得的高硅铝合金中，初晶硅的平均尺寸小于50um，并且合金具备优异的机械性能，最终实现了高硅铝合金的高品质、产业化生产。

2）本发明提供的用于高硅铝合金变质处理的静置炉，其通过将炉体设置在保温箱体内一定程度上能够减缓热量散热，达到降低能耗的效果；同时该装置当需要对炉体进行加热时，只需要通过控制步进电机的转动即可使得两个弧形加热板相互靠拢并贴合在炉体外壁上，其实现了对炉体加热，而且还具有优异的保温效果，实现了对炉体内部温度的精准控制。另外，当需要将熔体倒出时，直接通过第二伸缩装置的伸长作用即可实现，而且倒料时弧形加热板与炉体分离，不会在倒料时导致熔体对加热装置造成损坏；整个装置其结构设计合理，不仅实现了温度的精准控制，而且能够有效降低整体能耗，使用效果优异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中高硅铝合金变质方法的步骤流程图；

图2为本发明中装置的第一角度立体结构示意图；

图3为本发明中装置的第二角度立体结构示意图；

图4为本发明中保温箱体的主视平面结构示意图；

图5为本发明中保温箱体的侧视平面结构示意图；

图6为本发明中龙门架、第一伸缩装置等立体结构示意图；

图7为本发明中炉盖、搅拌电机、搅拌架的立体结构示意图；

图8为本发明中静置炉体的第一角度立体结构示意图；

图9为本发明中静置炉体的第二角度立体结构示意图；

图10为本发明中双向丝杠、弧形加热板、活动杆等立体结构示意图；

图11为本发明中氩气储存罐、绞龙送料机、压缩气管等立体结构示意图；

图12为本发明制备的高硅铝合金的晶相照片。

其中：

100-保温箱体，101-盒盖口，102-龙门架，103-导杆，104-第一伸缩装置，105-炉盖，106-凸边，107-搅拌电机，108-搅拌架；

200-静置炉体，201-保温底座，202-水平转轴，203-安装块，204-轴承座，205-双向丝杠，206-步进电机，207-弧形加热板，2071-电阻加热装置，2072-保温层，208-转动件，209-活动杆，210-升降块，211-第二伸缩装置，212-出料口，213-浇料斗，214-接料过滤斗，215-过滤板，216-保温条，217-温度探头；

300-氩气储存罐，301-固定座，302-压缩气管，303-控制阀，304-料斗，305-绞龙送料机，306-下料管；

400-控制柜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1~11，并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1：

本实施例1公开了一种高硅铝合金，该高硅铝合金包括以下按质量百分比计的组分：15.0%硅、4.2%铜、0.52%镁、0.06%锰、0.32%铁、0.08%锌、0.15%钛，0.10%磷，余量为铝和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素合计小于0.15%。

该高硅铝合金的变质处理方法步骤可参考附图1，包括：

S1:按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比（wt%）配料称取纯铝锭、锌锭、纯镁锭、以及铝锰、铝铜、铝硅和铝钛硼中间合金；将熔炼炉温度设定为960℃，将纯铝锭、锌锭，铝铜、铝硅及铝锰中间合金装炉，待全部融化后，加入纯镁锭、铝磷变质剂、稀土，控制炉温在845℃之间；对熔炼炉内的熔体进行机械搅拌辅助熔炼，搅拌次数2次，每次8min，其中第一次搅拌后扒渣；

S2:精炼升温：将经步骤1）得到的熔体导入静置炉中，通入氩气进行喷粉精炼，所诉喷粉为含钠精炼剂，精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至785℃；

S3:细化晶粒：将经步骤2）得到的熔体保温22min，保温温度为800℃，保温结束后，加入铝钛硼细化剂，并进行搅拌，搅拌时间为6min；

S4:铸造：待熔体温度稳定至810℃之间时，熔体经过过滤板后，倾倒至铸造盘中进行半连续铸造，铸造过程结束即得到高硅铝合金铸棒。

其中，步骤1）机械搅拌设备置于熔炼炉中间，并搅拌频率为100r/min；步骤1）每次搅拌时间为8min，搅拌间隔为10min；步骤1）铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.20%；步骤1）稀土的加入量为熔体质量的0.0.6%。

其中，步骤2）氩气流量为8L/min；所述步骤3）铝钛硼细化剂的加入量为熔体质量的0.12%；步骤4）铸造过程：采用水进行冷却，冷却水流速控制为3000L/min；铸造速度为95mm/min。

实施例2：

本实施例1公开了一种高硅铝合金，该高硅铝合金包括以下按质量百分比计的组分：18.0%硅、4.9%铜、0.62%镁、0.03%锰、0.35%铁、0.06%锌、0.18%钛，0.12%磷，余量为铝和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素合计小于0.15%。

该高硅铝合金的变质处理方法步骤包括：

S1:按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比（wt%）配料称取纯铝锭、锌锭、纯镁锭、以及铝锰、铝铜、铝硅和铝钛硼中间合金；将熔炼炉温度设定为970℃，将纯铝锭、锌锭，铝铜、铝硅及铝锰中间合金装炉，待全部融化后，加入纯镁锭、铝磷变质剂、稀土，控制炉温在850℃之间；对熔炼炉内的熔体进行机械搅拌辅助熔炼，搅拌次数2次，每次8min，其中第一次搅拌后扒渣；

S2:精炼升温：将经步骤1）得到的熔体导入静置炉中，通入氩气进行喷粉精炼，所诉喷粉为含钠精炼剂，精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至780℃；

S3:细化晶粒：将经步骤2）得到的熔体保温20min，保温温度为800℃，保温结束后，加入铝钛硼细化剂，并进行搅拌，搅拌时间为6min；

S4:铸造：待熔体温度稳定至810℃之间时，熔体经过过滤板后，倾倒至铸造盘中进行半连续铸造，铸造过程结束即得到高硅铝合金铸棒。

其中，步骤1）机械搅拌设备置于熔炼炉中间，并搅拌频率为100r/min；步骤1）每次搅拌时间为8min，搅拌间隔为10min；步骤1）铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.20%；步骤1）稀土的加入量为熔体质量的0.0.6%。

其中，步骤2）氩气流量为8L/min；所述步骤3）铝钛硼细化剂的加入量为熔体质量的0.12%；步骤4）铸造过程：采用水进行冷却，冷却水流速控制为3000L/min；铸造速度为100mm/min。

综上，本实施例1和实施例2公开制备的高硅铝合金，其利用铝磷变质剂+稀土+铝钛硼细化剂工艺可以攻克高硅铝合金中铸造过程中的初晶硅问题。首先进行铝磷变质剂+稀土，增加变质过程中初晶硅的形核数量，提供更多的初晶硅的形核中心；另一方面变质初期采用机械搅拌措施，促进熔体流动，降低合金中初晶硅的长大速度，避免多个初晶硅的合并长大。铸造前加入铝钛硼细化剂，起到细化组织晶粒，对初晶硅的尺寸形态控制也起到很好作用。因此本发明最终实现了高硅铝合金的高品质，产业化生产。

实施例3：

实施例3公开了一种用于上述高硅合金变质方法中的装置，参考附图2和附图3，该装置的主体包括保温箱体100、静置炉体200、氩气储存罐300和控制柜400。

参考附图4、附图5、附图6和附图7，在保温箱体100的上表面开设有盒盖口101，静置炉体200设置在盒盖口101正下方的保温箱体100中。在位于盒盖口101外侧的保温箱体100上表面固定设置有龙门架102，龙门架102的左右两端均连接有垂直设置的导杆103，龙门架102的上端设置有第一伸缩装置104，具体设置时该第一伸缩装置104可选用气缸或者液压缸其中的一种，并且龙门架102上设置的第一伸缩装置104为两个，两个第一伸缩装置104对称设置在龙门架102的左右两端。同时还在第一伸缩装置104的下端连接有炉盖105，并且炉盖设置在盒盖口101的正上方。在炉盖105的左右两端外延有凸边106，凸边106上开设有与导杆103相匹配的导孔，炉盖105的上表面中心设置有搅拌电机107，搅拌电机107穿过炉盖105的下端连接有搅拌架108，具体该搅拌架108由垂直设置的搅拌轴和设置在搅拌轴上的多根搅拌棒组成，且搅拌轴与静置炉体200的中轴线相垂直设置。上述通过第一伸缩装置104的伸长或缩短能够实现炉盖105的升降，当需要投料时将炉盖105从盒盖口101中打开，当需要保温静置或者搅拌时，将炉盖105扣在盒盖口101中，从而使得炉盖105的下端将静置炉体200的上端密封，然后再启动搅拌电机107驱动搅拌架108即可。

参考附图4、附图5、附图8和附图9，在静置炉体200的下端设置有保温底座201，静置炉体200的左右两侧面的上端均固定连接有水平转轴202，保温箱体100的左右两侧壁上端均连接有安装块203，水平转轴202与安装块203转动连接，从而实现静置炉体200可绕着水平转轴202进行转动，然后实现倾斜倒料。参考附图10，在位于安装块203下方的保温箱体100内壁上下间隔设置有轴承座204，两个轴承座204之间转动连接有双向丝杠205，保温箱体100内壁上还固定设置有用于驱动双向丝杠205转动的步进电机206，位于静置炉体200的左右两侧均设置有弧形加热板207，其中弧形加热板207朝向静置炉体200的一侧设置有电阻加热装置2071，弧形加热板207远离静置炉体200的外侧面为保温层2072。在保温层2072的上下端均固定有转动件208，每个转动件208上均转动连接有活动杆209，每个活动杆209的活动端均转动连接有升降块210，并且升降块210上开设有与双向丝杠205相匹配的螺纹孔，同时上下两个升降块210呈镜像对称设置在双向丝杠205的上下两端。上述结构的设计，当需要对静置炉进行保温加热时，通过控制步进电机206使得双向丝杠205转动，然后通过升降块210上螺纹孔与双向丝杠205的作用使得两个升降块210同步运动，再通过活动杆209的支撑作用使得两个弧形加热板207包覆在静置炉体200的外表面，一方面能够对其内部进行加热，同时还具有优异的保温效果。

参考附图5和附图9，在保温箱体100的前侧内壁上固定设置有第二伸缩装置211，该第二伸缩装置211也可选用气缸或者液压缸其中的一种，在静置炉体200的前侧面上端固定有铰座，并将第二伸缩装置211的活动端与铰座转动连接。静置炉体200的后侧面上端开设有出料口212，位于出料口212处的静置炉体200外表面设置有浇料斗213，位于浇料斗213下方的保温箱体100后侧面上设置有接料过滤斗214，接料过滤斗214的下端伸出保温箱体100设置，并且接料过滤斗214中设置有过滤板215。当需要将静置炉体200倒出时，通过第二伸缩装置211作用使得静置炉体200绕着水平转轴202转动，然后浇料斗213对准接料过滤斗214将熔体接收、并过滤，然后排出保温箱体100。

最后，参考附图11在保温箱体100的前侧面设置有固定座301，氩气储存罐300安装在固定座301上，氩气储存罐300上连接有压缩气管302，且压缩气管302上设置有控制阀303，压缩气管302的端部伸入保温箱体100中且朝向静置炉体200的上端开口设置，并且在压缩气管302的端部连接有粉料扩嘴303。位于氩气储存罐300的上方设置有料斗304，料斗304的下端连接有绞龙送料机305，且绞龙送料机305的端部连接有与压缩气管302相连通的下料管306。上述不仅可以通过送入氩气将保温箱体100内部空气排尽，而且能够通过压缩的氩气将粉剂喷入静置炉体200中进行变质处理。

另外，本实施例还在静置炉体200的前后两侧面均连接有垂直设置的保温条216，并且在保温条216上安装有伸入静置炉体200中的温度探头217，其保温条216能够将弧形加热板207没有覆盖的静置炉体200进行保温，通过设置的温度探头217对内部熔体温度进行实时监控。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。