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铝硅合金系列硅、铁双相团化剂及其团化方法
    技术领域：

    本发明涉及铝硅合金系列硅、铁双相团化剂一硫化物，更确切地说是铝硅合金系列先经P、Sb或Sr处理，再加入MnS和或MoS₂即可消除粗大针状铁相，获得梅花状或团、粒状铁相，再经固溶处理后，即可获得短棒状、团粒状共晶硅相和细小的初生硅相，从而使合金的强度和塑性得到改善。

    背景技术：

    铸造铝硅合金性能在很大程度上取决于第二相的形态。未经处理的合金，冷却速度低时(如砂型铸造)，硅相以粗大针、片状形态出现。合金使用回炉料过多，含铁量增加(例为达到0.6％)，粗大针状铁相很容易析出。这些粗大针、片状第二相使合金脆化，加工困难。细化这些组织或者改变它们的形态，例如硅相成为细小纤维状，铁相成为汉字状或梅花状或团粒状皆可提高合金强度、塑性以及加工性能。倘若它们皆以团、粒状形态出现，合金强度和塑性还可以进一步改善，并具有优良的耐磨性。通常可采用添加变质剂改变它们的形态。例如，加入Na、Sr或稀土元素(RE)可以使硅相以纤维状形态析出。加入P或Sb可以细化针、片状形态硅相。联合加入P，Ti，B，Zr和RE可使硅相团、球化。(Hsien-Yang Yeh，Ru-yao Wang et al USP6,261,390，Bl，Jul 17，2001)严格控制铸件冷却速度和温度场也可以使硅相团、球化。但上述处理方法皆不可能改变铁相形态。加入一种或几种过渡族元素V，Cr Mn，Co，Ni，Mo以及稀土元素可以改变铁相的存在形态，但对于硅相形态影响甚微。只有硫元素同时具有一定的对硅相和铁相的变质作用(祝汉良、贾均等，“添加剂及硫元素对ZL108合金中铁相形态的影响”，特种铸造及有色合金，1996年第4期，5-7页)，但污染环境，不宜单独或联合采用。此外，将合金过热至1100℃以上保温，再加入TiN或AIN超细粉末(尺寸为10-80nm)或再用超声波处理也可使铁相变成汉字状和团状，并获得细小共晶组织(ShepelovLet al USP 6132532，2000年10月17日)。

    发明内容：

    目前，国内外废、旧铝合金零件日益增多。使用回炉料必然引起合金铁量增加。如何做到同时使硅相和铁相团、粒化就成为国际上冶金、铸造行业十分关切的课题。本发明涉及一种硅、铁双相团化剂，同时使铝硅合金中的硅相和铁相团、粒化，并提高合金的强度和塑性。这就为大量回用废旧零件和切屑、降低产品成本、提高铸件质量提供一种简易、廉价的新途径。

    本发明的目的是通过下述方式实施的：

    所述的铝硅合金系列是含Si6.0-20.0％(重量，下同)，Cu0.5-5.0％，Mg0.2-1.5％，Ni0.5-3.0％，Mn0.1-0.9％，Zn5.5-13％，Fe＜1.3％，余量为Al。

    所述的铝硅合金用电阻炉熔化。升温至液相线以上150℃，去气精炼，即可加入P或Sr或Sb中的一种和MoS₂和/或MnS，也可以不加入P或Sr或Sb三种中任一种，而仅加入MoS₂和/或MnS。搅拌均匀，静置15分钟后，即可浇注。铸态合金中铁相由粗大针、片状转变为梅花状、短条状或团、粒状，均匀分布在基体上，硅相或细化或变质，视加入P或Sb或Sr而定。初生硅也可以得到细化。合金经过510±5℃加热4-6小时后，共晶硅转变为团、粒状，少量成短棒状。这种合金强度可以恢复到或接近低铁原合金水平，并且具有良好的延伸率。使用P或Sb的合金，保温、浇注时间超过4小时，才出现轻微衰退。重熔后，无明显衰退现象，仍保持双相变质效果。使用Sr时，浇注时间可以持续1.0-1.5小时。重熔后，硅相出现衰退。

    本发明所述的P、Sr和Sb分别使用Cu-8％P合金，Al-10％Sr合金以及Al-10％Sb合金，加入量为0.01-0.10％。所述的硫化物MoS₂加入范围为0.1-0.8％，MnS加入范围为0.1-0.8％，二者混合加入量为0.1-0.8％。所用硫化物除MnS和MoS₂之外，还可以是硫化镍、硫化铬或硫化钴，但团化效果不及MoS₂、MnS。

    本发明所述铝硅合金用N₂气或C₂Cl。进行去气精炼处理。

    本发明所述铝硅合金的双相团化剂是指在P或Sr或Sb的加入使Si细化或变质前提下，再加入MoS₂和/或MnS使硅铁相团化，或指仅使用MoS₂、MnS或其它过渡元素的硫化物改变铁相和硅相形态。

    本发明所选择的MoS₂或MnS或其他硫化物作为硅、铁相团化剂，避免了现有技术中使用单质硫而造成对环境的污染。硫化钼和/或硫化锰是硫化物中稳定的化合物，不存在单质硫的缺陷且对铁元素的团化效果也十分明显。本发明适用于要求耐磨的铝硅铸件以及熔化大量回收废、旧零件，铁含量小于1.3％的铝硅合金。

    附图说明：

    图1Sr变ZL101合金显微组织。加入MoS₂ 0.6％及T6处理。铁相由处理前粗大针状组织转变成团、粒状，少量成弯曲条状，均匀分布在晶界上。硅相仍成粒状，夹杂少量短棒状，250X。

    图2P变ZL109合金显微组织。加入MoS₂ 0.3％及Mn S0.2％T6处理。铁相呈团、粒状，少量为条状。硅相成为断开式团状和短棒状，200X。

    图3P变ZL109合金显微组织。加入MoS₂ 0.5％。720℃保温2小时。T6处理。与图2合金相比，铁相仍呈团、粒状，但团、粒状硅相明显增多，200X。

    图4重熔图2P变ZL109合金显微组织。高温(720℃)停留2小时。T6处理。铁相仍呈团、粒状，少量条状。硅相有些衰退，短棒状硅相数量增多，200X。

    图5工业用P变ZL108活塞合金显微组织。加入MoS₂0.3％。750℃保温2小时及T6处理。铁相呈梅花状，团粒状，均匀分布在基体上。硅相呈细小短棒状，说明0.3％MoS₂不足以保证获得团粒状硅相，100X。

    图6Sb变ZL109合金显微组织。加入MoS₂0.5％。T6处理。硅、铁相呈团粒状形态，分布在α-Al枝晶间，250X。

    图7为图6Sb变ZL109合金SEM显微组织，硅相呈球粒状立体形貌。

    图8未经MoS₂处理的ZL401合金显微组织.。加入MoS₂ 0.3％，只进行自然时效。硅，铁相呈粗大针状，初生枝晶铝相十分粗大，125X。

    图9MoS₂处理的ZL401合金显微组织。加入MoS₂0.3％，只进行自然时效。铁相呈短棒状，部分呈短针状，达到设计要求。硅相呈短条状，部分变质。初生铝相二次枝晶间距明显减小，125X。

    具体实施方式：

    下面通过具体实施例，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

    实施例1

    Sr变ZL101Al-Si合金化学成分为：Si6.7％，Mg0.25％，Mn0.30％，Fe0.85％，Sr加入量为0.01％。用电阻炉熔化。熔清，升温至700℃用氮气去气。加入Al-10％Sr中间合金及0.6％MoS₂，搅拌均匀。720℃保温15分钟后，浇入预热至300℃的金属型。试样尺寸为40×50×120mm，热处理工艺包括固溶处理(510±5℃，5小时，水淬)和时效处理(210℃±5℃，8小时，空冷)。合金铸态金相组织中铁相由粗大针状转变成团、粒状和少量短条状，分布在晶界上(见图1)。热处理后铁相形态无明显变化。硅相以细小粒状形态出现，夹杂少量短棒状组织。

    表1列出加入MoS₂的Sr变ZL101Al-Si合金铸态和热处理态显微组织，MoS₂的加入量为0.6％。

    表1：Sr变ZL101合金显微组织(MoS₂加入量0.6％)  硅相  铁相  初生Al  相  铸态  细小、纤维  状  粒状、短棒  状  二次间距  细化  枝晶数量  增加  热处理态  粒状、短棒  状  粒状、短棒  状

    实施例2：

    P变ZL109合金化学成分为：Sil1.68％，Mg0.76％，Cu1.01％，Ni0.80％，Mn0.10％，Ti＜0.04％，Fe0.80％。熔化，浇注及热处理工艺同实施例1。先加入Cu-8％P合金。再加入MoS₂和MnS，加入量分别为0.3％和0.2％。表2列举铸态、保温二小时以及重熔ZL109合金的显微组织。

    表2：P变ZL109合金经MoS₂和MnS处理后的金相组织  合金状态  硅相  铁相  初生铝  相  备注  铸态  细小针片状  团粒状  少量枝晶  可用钾盐或  钠盐复盖剂  热处理态  团粒状  团粒状  铸态(保温2  小时)  细小片状短  棒状  团粒状  硅相球化作  用衰退不明  显  热处理态  (保温2小  时)  团粒状、短  棒状  团粒状  重熔、热处  理态  团粒状、短  棒状  团粒状、条  状  双相变质作  用轻微衰退

    P-MoS₂-MnS复合团化剂具有双重团化作用。铸态铁相呈现团粒状。热处理后硅相形成团粒状和短棒状(见图2)。720℃保温2小时后，铁相仍呈团、粒状，粒状硅相数量明显增加(见图3)。重熔后，细条状铁相和短棒状硅相数量增加，说明复合变质剂有轻微衰退现象(见图4)。

    实施例3：P变ZL108活塞合金化学成分为：Si12.20％，Mg0.68％，Cu1.38％，Mn0.61％，Fe0.91％。在工业条件下用电阻炉熔化。熔清后，加热至700℃用氮气或C₂Cl₆去气。升温至760℃加入Cu-8％P合金及MoS₂(加入量0.3％)。搅拌均匀，静置15分钟，浇注活塞。采用水冷金属型，模温在250-300℃之间。另浇注标准金属型试棒，测量合金机械性能并观察金相组织。P-MoS₂有效变质时间可延续3-4小时。零件和试棒皆进行T6热处理。图5列举热处理态金相组织，具有以下特点：①铁相呈团、粒状，夹杂少许小梅花状组织；②共晶硅大部分断开，呈短棒状和团粒状。合金强度增加，伸长率得到显著提高(见表3)，与国外同类合金相近。

    表3高铁ZL108合金机械性能 抗拉强度MPa 伸长率％  硬度HB  未经MoS₂处理  (255-265)      262  0  112  经过MoS₂处理  (260-295)      2270  1.40  120

    实施例4

    Sb变ZL109合金化学成分为：Si11.98％、Mg0.95％、Cu1.00％、Mg0.20％、Ni1.09％、Fe0.85％、Sb0.20％。熔化，精炼，浇注工艺如例一。铝液温度升至720℃，即可加入Al-10％Sb中间合金和MoS₂(加入量为0.5％)。

    Sb-MoS₂联合处理后，无论铸态还是热处理态合金显微组织皆发生显著变化(见表4及图6)。除铸态组织中有细小针状铁相外，大部份铁相形貌呈团，粒状，并且出现较多的初生铝枝晶相。铸态硅相形态与Sr变组织相似，固溶处理后，转变为粒状，少量呈短棒状(图7)，Sb-MoS₂双相团化作用可以延续4小时以上，重熔后不消失。

    表4Sb变ZL109合金经MoS₂处理后的显微组织  状态  硅相  铁相  初生铝相  备注  铸态  短棒状  粒状、细针状  枝晶数量  多  可用钾盐  或钠盐作  复盖剂  热处理态  粒状、短棒  状  粒状、团状  保温2小时  铸态  粒状、短棒  状  粒状  保温2小时，  热处理态  粒状  粒状

    实施例5

    P变过共晶Al-Si合金化学成分为Si18.0％，Cu1.1％，Mg0.60％、Mn0.25％、Fe0.68％。用电阻炉熔化，升温至700℃时用N₂或C₂Cl₆去气，至800℃加入Cu-8％P合金0.1％及MoS₂0.6％。850℃下保温并浇注试样。金属型模温300℃。合金经过T6处理。这种合金的铁相呈梅花状和团粒状，均匀分布在基体上。共晶体呈细小片状，但扭曲较多。初生硅细小，尺寸在20-30μm之间。

    实施例6

    ZL401合金化学成分为Zn11.5-12.5％，Si6.5-7..5％，Mg0.1-0.3％，Mn0.25-0.30％，Fe0.7％。工业条件下用电阻炉熔化合金。熔化，精炼，浇注工艺如例一。升温至700℃时加入MoS₂ 0.3％。工件为防爆电机机壳，要求有较高的耐水压性能，加工面不得有气孔，渣孔，针孔。工件只进行自然时效。未经MoS₂处理的合金硅，铁相呈粗大针状，初生枝晶铝相十分粗大(见图8)。经MoS₂处理后铁相呈短棒状，部分呈短针状，达到设计要求。硅相呈短条状，部分变质。初生铝相二次枝晶间距明显减小(见图9)。保温三小时未发现变质作用衰退。

    本实例说明单独使用MoS₂的效果不及MoS₂-Sb(或P或Sr)联合处理，而固溶处理是获得团化硅相不可少的工艺过程。

    表5MoS₂处理前后ZL401合金显微组织和机械性能对比  状态         显微组织                     机械性能  硅相 铁相  初生铝  相  抗拉强  MPa  延伸率％  硬度HB  未经  MoS₂处  理  粗大针，  片状 粗大针 状  粗大枝  晶  152-182  167  1.0-1.6  1.3  78-80  经  MoS₂  处理  短条状，  部分变  质 短棒状+ 短针状  二次枝  晶间距  减小  193-200  196  1.6-2.4  2.0  78