权利要求

1.一种亚共晶铝硅合金复合变质剂，其特征在于：主要成分包括Al质量份为75%-85%;Sr质量份2.5%-4.0%;Ba质量份为0.8%-1.5%;Ti质量份为1.2%-2.0%;Nb质量份为0.5%-1.0%;RE质量份为0.3%-0.8%;Y质量份为0.2%-0.5%。

2.根据权利要求1所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂，其特征在于：主要成分包括Al质量份为75%%;Sr质量份2.5%%;Ba质量份为0.8%%;Ti质量份为1.2%;Nb质量份为0.5%;RE质量份为0.3%;Y质量份为0.2%。

3.根据权利要求1所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂，其特征在于：主要成分包括Al质量份为80%;Sr质量份3%;Ba质量份为1.2%;Ti质量份为1.6%;Nb质量份为0.8%;RE质量份为0.5%;Y质量份为0.3%。

4.根据权利要求1所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：

a.首先将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼;

b.待步骤a完成后，将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理;

c.待步骤b完成后，将制备好的粉末装入模具，再将模具放置到液压机上进行压力冷压成型，得到成型体;

d.待步骤c完成后，将成型体放入真空烧结炉进行烧结，随炉冷却至室温后再将复合变质剂从炉内取出。

5.根据权利要求4所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述步骤a中将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼包括以下步骤：首先选用99.99%工业纯Al块、99.95%Sr粒、99.9%Ba 块、99.95%Ti丝、99.9%Nb片、99.9%La-Ce混合稀土(2:1)、99.95%Y片，按基准配比精确称量;

接着将Al块放入石墨坩埚，装入真空感应炉，抽真空至≤5×10-3Pa，通电升温至780-820℃;待Al完全熔化后，依次加入高熔点的Ti丝、Nb片，保温15min;再加入Sr粒、Ba块，保温10min;最后加入RE、Y，搅拌 5min，确保成分均匀。

6.根据权利要求4所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述步骤b中将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理具体步骤为：将熔炼后的合金熔体(温度760-780℃)通过导流管导入雾化室，通入3-5MPa高压Ar气，气流将熔体击碎成细小液滴，在Ar气氛中快速冷却，形成 50-150μm 的球形粉末。

7.根据权利要求6所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述导流管直径为5mm，Ar气纯度为99.999%，在Ar气氛中快速冷却，冷却速率为103-104℃/s。

8.根据权利要求4所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述步骤c中将液压机对模具内粉末冷压成型的压力位200-250MPa，保压时间为5min。

9.根据权利要求4所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述步骤d中真空烧结炉，抽真空至≤1×10-3Pa，升温至 580-620℃，保温 2h。

10.根据权利要求1所述的一种亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，其特征在于：所述RE由La和Ce混合而成，La:Ce=2:1。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及复合变质剂技术领域，具体为一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法。

背景技术

[0002]轻质的亚共晶Al-Si合金被广泛应用于汽车轮毂、发动机缸体、缸盖以及航空航天零部件的生产。然而，传统铸造的亚共晶Al-Si合金，其凝固组织中的共晶Si以粗大的针片状分布在合金基体上。由于粗大针片状共晶Si对基体的割裂作用和共晶Si存在的尖端使其在载荷作用下局部产生应力集中，从而导致亚共晶Al-Si合金力学性能的大大降低，使该合金在汽车和航空航天领域的应用受到极大地限制。为了提高合金的力学性能，尤其是合金塑性的提高对亚共晶Al-Si合金工业化应用具有极其重要的作用。目前，亚共晶Al-Si合金的工业化应用采用化学变质的方法，不需要设备的投入和改进，具有低成本，良好的变质效果而被广泛应用。

[0003]在实现发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题没有得到解决，亚共晶铝硅合金因密度低、铸造性能好、成本低廉，广泛应用于汽车轮毂、发动机缸体、电子壳体等领域，但其铸态组织中存在粗大的片状共晶硅与树枝状初生α-Al，导致力学性能偏低，需通过变质处理优化组织。为此，需要设计新的技术方案给予解决。

发明内容

[0004]本发明的目的在于提供一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，以解决当前亚共晶铝硅合金复合变质剂铸态组织中存在粗大的片状共晶硅与树枝状初生α-Al，导致力学性能偏低，需通过变质处理优化组织的技术问题。

[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，主要成分包括Al质量份为75%-85%;Sr质量份2.5%-4.0%;Ba质量份为0.8%-1.5%;Ti质量份为1.2%-2.0%;Nb质量份为0.5%-1.0%;RE质量份为0.3%-0.8%;Y质量份为0.2%-0.5%。

[0006]作为本发明的一种优选实施方式，所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂，主要成分包括Al质量份为75%%;Sr质量份2.5%%;Ba质量份为0.8%%;Ti质量份为1.2%;Nb质量份为0.5%;RE质量份为0.3%;Y质量份为0.2%。

[0007]作为本发明的一种优选实施方式，所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂，主要成分包括Al质量份为80%;Sr质量份3%;Ba质量份为1.2%;Ti质量份为1.6%;Nb质量份为0.8%;RE质量份为0.5%;Y质量份为0.3%。

[0008]作为本发明的一种优选实施方式，所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，制备步骤如下：

a.首先将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼;

b.待步骤a完成后，将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理;

c.待步骤b完成后，将制备好的粉末装入模具，再将模具放置到液压机上进行压力冷压成型，得到成型体;

d.待步骤c完成后，将成型体放入真空烧结炉进行烧结，随炉冷却至室温后再将复合变质剂从炉内取出。

[0009]作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤a中将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼包括以下步骤：首先选用99.99%工业纯Al块、99.95%Sr粒、99.9%Ba 块、99.95%Ti丝、99.9%Nb片、99.9%La-Ce混合稀土(2:1)、99.95%Y片，按基准配比精确称量;

接着将Al块放入石墨坩埚，装入真空感应炉，抽真空至≤5×10-3Pa，通电升温至780-820℃;待Al完全熔化后，依次加入高熔点的Ti丝、Nb片，保温15min;再加入Sr粒、Ba块，保温10min;最后加入RE、Y，搅拌 5min，确保成分均匀。

[0010]作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤b中将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理具体步骤为：将熔炼后的合金熔体(温度760-780℃)通过导流管导入雾化室，通入3-5MPa高压Ar气，气流将熔体击碎成细小液滴，在Ar气氛中快速冷却，形成 50-150μm 的球形粉末。

[0011]作为本发明的一种优选实施方式，所述导流管直径为5mm，Ar气纯度为99.999%，在Ar气氛中快速冷却，冷却速率为103-104℃/s。

[0012]作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤c中将液压机对模具内粉末冷压成型的压力位200-250MPa，保压时间为5min。

[0013]作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤d中真空烧结炉，抽真空至≤1×10-3Pa，升温至 580-620℃，保温 2h。

[0014]作为本发明的一种优选实施方式，所述RE由La和Ce混合而成，La:Ce=2:1。

[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明复合变质剂可促使共晶硅实现从片状到纤维状的形态转变，其纤维状尺寸控制在<1μm，显著提升了合金微观结构的均匀性，通过多重异质形核机制，将初生α-Al晶粒细化为等轴晶，晶粒尺寸精准控制在25-35μm 范围内，同时能使合金在不同方向上的力学性能更为均衡，有效减少了因组织不均匀导致的性能波动，并且凭借特殊的脱氧净化与吸附团聚功能，显著降低了夹杂物对合金基体的割裂作用，提升了合金的纯净度与可靠性。

[0016]2、本发明针对Si含量7wt.%的亚共晶铝硅合金，采用本复合变质剂处理后，通过共晶硅形态优化、晶粒细化以及夹杂控制的协同作用，室温抗拉强度提升至≥320MPa，通过精细化调控微观组织，在大幅提升强度的同时，有效平衡了强度与韧性的关系，赋予合金良好的塑性变形能力，使其在复杂受力工况下不易发生脆性断裂，并且经本复合变质剂处理后，显著增强了合金表面的抗磨损能力，更为重要的是，极大提升了合金硬度的均匀性，确保了产品质量的稳定性与一致性，满足精密加工与表面处理的严苛要求。

附图说明

[0017]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备流程图。

具体实施方式

[0018]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0019]本发明提供一种技术方案：一种亚共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法，主要成分包括Al质量份为75%-85%;Sr质量份2.5%-4.0%;Ba质量份为0.8%-1.5%;Ti质量份为1.2%-2.0%;Nb质量份为0.5%-1.0%;RE质量份为0.3%-0.8%;Y质量份为0.2%-0.5%。

[0020]进一步，所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂，主要成分包括Al质量份为75%%;Sr质量份2.5%%;Ba质量份为0.8%%;Ti质量份为1.2%;Nb质量份为0.5%;RE质量份为0.3%;Y质量份为0.2%。

[0021]进一步，所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂，主要成分包括Al质量份为80%;Sr质量份3%;Ba质量份为1.2%;Ti质量份为1.6%;Nb质量份为0.8%;RE质量份为0.5%;Y质量份为0.3%。

[0022]进一步，所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂的制备方法，制备步骤如下：

a.首先将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼;

b.待步骤a完成后，将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理;

c.待步骤b完成后，将制备好的粉末装入模具，再将模具放置到液压机上进行压力冷压成型，得到成型体;

d.待步骤c完成后，将成型体放入真空烧结炉进行烧结，随炉冷却至室温后再将复合变质剂从炉内取出。

[0023]进一步，所述步骤a中将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼包括以下步骤：首先选用99.99%工业纯Al块、99.95%Sr粒、99.9%Ba 块、99.95%Ti丝、99.9%Nb片、99.9%La-Ce混合稀土(2:1)、99.95%Y片，按基准配比精确称量;

接着将Al块放入石墨坩埚，装入真空感应炉，抽真空至≤5×10-3Pa，通电升温至780-820℃;待Al完全熔化后，依次加入高熔点的Ti丝、Nb片，保温15min;再加入Sr粒、Ba块，保温10min;最后加入RE、Y，搅拌 5min，确保成分均匀。

[0024]进一步，所述步骤b中将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理具体步骤为：将熔炼后的合金熔体(温度760-780℃)通过导流管导入雾化室，通入3-5MPa高压Ar气，气流将熔体击碎成细小液滴，在Ar气氛中快速冷却，形成 50-150μm 的球形粉末。

[0025]进一步，所述导流管直径为5mm，Ar气纯度为99.999%，在Ar气氛中快速冷却，冷却速率为103-104℃/s。

[0026]进一步，所述步骤c中将液压机对模具内粉末冷压成型的压力位200-250MPa，保压时间为5min。

[0027]进一步，所述步骤d中真空烧结炉，抽真空至≤1×10-3Pa，升温至 580-620℃，保温2h。

[0028]进一步，所述RE由La和Ce混合而成，La:Ce=2:1。

[0029]实施例一

所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂，主要成分包括Al质量份为75%%;Sr质量份2.5%%;Ba质量份为0.8%%;Ti质量份为1.2%;Nb质量份为0.5%;RE质量份为0.3%;Y质量份为0.2%。

[0030]制备步骤如下：

a.首先将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼，包括以下步骤：首先选用99.99%工业纯Al块、99.95%Sr粒、99.9%Ba 块、99.95%Ti丝、99.9%Nb片、99.9%La-Ce混合稀土(2:1)、99.95%Y片，按基准配比精确称量;

接着将Al块放入石墨坩埚，装入真空感应炉，抽真空至≤5×10-3Pa，通电升温至780-820℃;待Al完全熔化后，依次加入高熔点的Ti丝、Nb片，保温15min;再加入Sr粒、Ba块，保温10min;最后加入RE、Y，搅拌 5min，确保成分均匀;

b.待步骤a完成后，将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理，具体是将熔炼后的合金熔体(温度760-780℃)通过导流管导入雾化室，通入3-5MPa高压Ar气，气流将熔体击碎成细小液滴，在Ar气氛中快速冷却，形成 50-150μm 的球形粉末，导流管直径为5mm，Ar气纯度为99.999%，在Ar气氛中快速冷却，冷却速率为103-104℃/s;

c.待步骤b完成后，将制备好的粉末装入模具，再将模具放置到液压机上进行压力冷压成型，冷压成型的压力位200-250MPa，保压时间为5min，得到成型体;

d.待步骤c完成后，将成型体放入真空烧结炉进行烧结，抽真空至≤1×10-3Pa，升温至 580-620℃，保温 2h，随炉冷却至室温后再将复合变质剂从炉内取出。

[0031]实施例二

所述的亚共晶铝硅合金复合变质剂，主要成分包括Al质量份为80%;Sr质量份3%;Ba质量份为1.2%;Ti质量份为1.6%;Nb质量份为0.8%;RE质量份为0.5%;Y质量份为0.3%。

[0032]制备步骤如下：

a.首先将选取好的原料放入到真空感应炉熔炼，包括以下步骤：首先选用99.99%工业纯Al块、99.95%Sr粒、99.9%Ba 块、99.95%Ti丝、99.9%Nb片、99.9%La-Ce混合稀土(2:1)、99.95%Y片，按基准配比精确称量;

接着将Al块放入石墨坩埚，装入真空感应炉，抽真空至≤5×10-3Pa，通电升温至780-820℃;待Al完全熔化后，依次加入高熔点的Ti丝、Nb片，保温15min;再加入Sr粒、Ba块，保温10min;最后加入RE、Y，搅拌 5min，确保成分均匀;

b.待步骤a完成后，将熔炼后的合金熔体进行气体雾化制粉处理，具体是将熔炼后的合金熔体(温度760-780℃)通过导流管导入雾化室，通入3-5MPa高压Ar气，气流将熔体击碎成细小液滴，在Ar气氛中快速冷却，形成 50-150μm 的球形粉末，导流管直径为5mm，Ar气纯度为99.999%，在Ar气氛中快速冷却，冷却速率为103-104℃/s;

c.待步骤b完成后，将制备好的粉末装入模具，再将模具放置到液压机上进行压力冷压成型，冷压成型的压力位200-250MPa，保压时间为5min，得到成型体;

d.待步骤c完成后，将成型体放入真空烧结炉进行烧结，抽真空至≤1×10-3Pa，升温至 580-620℃，保温 2h，随炉冷却至室温后再将复合变质剂从炉内取出。

[0033]传统亚共晶铝硅合金复合变质剂数据参数表1如下：

[0034]实施例一亚共晶铝硅合金复合变质剂数据参数表2如下：

[0035]实施例二亚共晶铝硅合金复合变质剂数据参数表3如下：

[0036]综上述，参照表1、表2和表3的数据对比得到，本发明复合变质剂可促使共晶硅实现从片状到纤维状的形态转变，其纤维状尺寸控制在<1μm，显著提升了合金微观结构的均匀性，相较于现有Sr变质剂70%的纤维状分布率，本方案将该指标提升至95%，大幅改善了共晶硅相的弥散强化效果;

本发明复合变质剂通过多重异质形核机制，将初生α-Al晶粒细化为等轴晶，晶粒尺寸精准控制在25-35μm 范围内，同时，晶粒均匀度从现有Ti-B细化剂的60%提升至84%，使合金在不同方向上的力学性能更为均衡，有效减少了因组织不均匀导致的性能波动;

本发明复合变质剂凭借特殊的脱氧净化与吸附团聚功能，将熔体O 含量大幅降至20ppm，夹杂尺寸缩小至<1μm，夹杂数量减少60%，显著降低了夹杂物对合金基体的割裂作用，提升了合金的纯净度与可靠性。

[0037]本发明针对 Si 含量 7wt.% 的亚共晶铝硅合金，采用本复合变质剂处理后，通过共晶硅形态优化、晶粒细化以及夹杂控制的协同作用，室温抗拉强度提升至≥320MPa，相比现有技术中≤250MPa的抗拉强度，实现了 28% 的显著提升，使合金在承受拉伸载荷时能抵抗更大的外力，满足高强度结构件的应用需求。

[0038]本发明复合变质剂通过精细化调控微观组织，在大幅提升强度的同时，将合金延伸率提升至≥6.5%，增幅高达 117%，有效平衡了强度与韧性的关系，赋予合金良好的塑性变形能力，使其在复杂受力工况下不易发生脆性断裂。

[0039]经本复合变质剂处理后，合金硬度从现有技术的65-75HV提升至 85-95HV，显著增强了合金表面的抗磨损能力，更为重要的是，硬度波动范围控制在<5HV，相较于现有技术>10HV 的波动幅度，极大提升了合金硬度的均匀性，确保了产品质量的稳定性与一致性，满足精密加工与表面处理的严苛要求。

[0040]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0041]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

说明书附图(1)