一种亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法
1.本发明涉及一种亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法，属于铸造与金属凝固领域。
背景技术：
2.亚共晶铸造铝硅合金是一种常用的铸造铝合金。这种合金以si为主要合金元素，硅含量在13%以内，主要强化相是凝固过程中析出的共晶硅相。亚共晶铝硅合金在凝固时，先析出富铝的α-al相，随后凝固过程中，富硅的铝合金液通过共晶反应生成共晶组织，分布在初生α-al相周围；初生α-al相中si含量低，析出后会导致的周围未凝固的铝合金液中si富集，使得随后共晶过程中形成粗大片状或针状共晶硅相，影响合金组织均匀性和最终性能。组织细化尤其是共晶硅相细化是提高亚共晶铸造铝硅合金性能的关键。
3.已有的方法中，通常通过熔体变质来实现亚共晶铸造铝硅合金共晶相细化。往铝合金中添加含na、sr等的变质剂，是最为常见的手段，如中国发明专利cn201410179835.8公开了一种亚共晶铝硅合金变质及细化的方法，使用铝锶中间合金作为变质剂变质铝硅合金中的共晶硅相。这些变质剂在熔炼过程中添加，使用较为方便，但存在吸收率低、含量不易控制、变质易衰退、加剧合金吸气倾向、易导致铸件产生气孔缺陷、烟雾危害环境和健康等诸多问题。
技术实现要素：
4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法；该方法根据金属凝固的基本原理和亚共晶铸造铝硅合金的凝固结晶特点，使用同质铝合金粉末通过3d打印获得多孔结构，然后将打印好的同质多孔结构在成形件模具型腔内固定好后，将熔化后的亚共晶铸造铝硅合金液浇入铸型，冷却凝固；具体包括以下步骤：（1）根据成形件形状设计内部相互贯通的多孔结构。
5.（2）使用激光3d打印机将相同成分的铝硅合金粉末打印成步骤（1）中设计的多孔结构。
6.（3）将打印好的多孔结构固定在成形件模具型腔内。
7.（4）将亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上100~150℃保温5~10min；将保温后的铝硅合金在熔点以上50~100℃浇入铸型，并在一定压力下凝固冷却。
8.（5）将冷却后的铸件从模具中取出即可得到组织细化、性能优良的亚共晶铸造铝硅合金件。
9.优选的，本发明所述多孔结构的孔径2~5mm，壁厚0.1~1mm。
10.优选的，本发明步骤（4）所述压力为10~25mpa。
11.本发明使用金属3d打印克服了传统制造的缺点，可以打印出复杂结构内冷铁，这些内冷铁在合金凝固过程中，将成形件分割为细小的凝固区域，大大增强了金属凝固结晶过程的冷却速度，抑制初生铝的长大，使得共晶凝固区域增加，形成大量细小的共晶凝固组织，从而细化组织，使共晶相弥散析出分布，提高性能。
12.本发明的有益效果：（1）本发明所述方法充分利用了多孔结构的急冷和凝固区域划分作用，有效促进了初晶α-al的形核，提高了其中si的固溶度，控制了其长大，进而实现了共晶si相的析出控制和弥散分布，细化了亚共晶铸造铝硅合金的组织。
13.（2）本发明公开的方法，可使亚共晶铸造铝硅合金凝固组织得到充分细化，性能得到大幅度提高，硬度提高10~30%。
附图说明
14.图1是实施例1中对比例获得的亚共晶铸造铝硅合金试样金相照片；图2是实施例1获得的亚共晶铸造铝硅合金试样金相照片。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
16.实施例1本实施例所述成形件为直径10mm高度20mm的圆柱形a356合金件，其制备方法具体包括以下步骤：（1）根据这一形状，设计外径为9.5mm，高度20mm、孔径为2mm、壁厚为0.1mm、垂直贯通的正六边形多孔结构三维模型后，将此模型使用激光3d打印机将相同成分的a356铝硅合金粉末打印成设计的多孔结构；然后将打印好的多孔结构固定在成形件模具型腔内。
17.（2）将a356亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上100℃保温10min，然后在熔点以上50℃浇入铸型，并在25mpa压力下凝固冷却；冷却后的铸件从模具中取出得到亚共晶铸造铝硅合金件。
18.作为对比：不加入多孔结构三维模型，直接将a356亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上100℃保温10min，然后在熔点以上50℃浇入型腔，并在25mpa压力下凝固冷却；冷却后的铸件从模具中取出得到亚共晶铸造铝硅合金件。
19.图1是不加入多孔结构三维模型获得的亚共晶铸造铝硅合金试样金相照片，图2是加入多孔结构三维模型获得的亚共晶铸造铝硅合金试样金相照片，由图可以看出，使用本发明公开的方法，获得的亚共晶铸造铝硅合金的挤压铸造组织明显细化。
20.经过显微组织检测，本实施例获得的亚共晶铸造铝硅合金件中，初晶α-al枝晶的颗粒尺寸减少到100μm以内，共晶硅尺寸减小到20μm以内，如图2所示。而对比样的初晶α-al颗粒尺寸超过200μm，共晶硅尺寸超过100μm，如图1所示。硬度测试结果表明，本实施例获得的亚共晶铸造铝硅合金件硬度为86hbw，而对比样硬度为71hbw，较对比样品提高21%。
21.实施例2本实施例所述成形件为尺寸为20mm
×
20mm
×
20mm的zl101块状毛坯，其制备方法具体包括以下步骤：（1）根据这一形状，设计尺寸为19.5mm
×
19.5mm
×
19.5mm，孔径5mm、壁厚为1mm、垂直贯通的正三角形多孔结构三维模型后，将此模型使用激光3d打印机将相同成分的zl101铝硅合金粉末打印成设计的多孔结构；然后将打印好的多孔结构固定在成形件模具型腔
内。
22.（2）将zl101亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上150℃保温5min，然后在熔点以上100℃浇入铸型，并在10mpa压力下凝固冷却。冷却后的铸件从模具中取出获得亚共晶铸造铝硅合金件。
23.作为对比：不加入多孔结构三维模型，直接将zl101亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上150℃保温5min，然后在熔点以上100℃浇入型腔，并在10mpa压力下凝固冷却。冷却后的铸件从模具中取出获得亚共晶铸造铝硅合金件。
24.经过显微组织检测，本实施例获得的亚共晶铸造铝硅合金件中，初晶α-al枝晶的颗粒尺寸减少到120μm以内，共晶硅尺寸减小到35μm以内，而对比样的初晶α-al颗粒尺寸超过210μm，共晶硅尺寸超过130μm。硬度测试结果表明，本实施例获得的亚共晶铸造铝硅合金件硬度为83hbw，而对比样硬度为74hbw，较对比样品提高12%。
25.实施例3本实施例所述成形件为尺寸为直径60mm高度40mm的zl104件，其制备方法具体包括以下步骤：（1）根据这一形状，设计直径为59.5mm高度40mm，孔径3mm、壁厚为0.5mm、垂直贯通的圆边形多孔结构三维模型后，将此模型使用激光3d打印机将相同成分的zl104铝硅合金粉末打印成设计的多孔结构；然后将打印好的多孔结构固定在成形件模具型腔内。
26.（2）将zl104亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上120℃保温5min，然后在熔点以上80℃浇入铸型，并在15mpa压力下凝固冷却；冷却后的铸件从模具中取出获得亚共晶铸造铝硅合金件。
27.作为对比：不加入多孔结构三维模型，直接将zl104亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上120℃保温5min，然后在熔点以上80℃浇入型腔，并在15mpa压力下凝固冷却；冷却后的铸件从模具中取出获得亚共晶铸造铝硅合金件。
28.经过显微组织检测，本实施例获得的亚共晶铸造铝硅合金件中，初晶α-al枝晶的颗粒尺寸减少到130μm以内，共晶硅尺寸减小到20μm以内。而对比样的初晶α-al颗粒尺寸超过250μm，共晶硅尺寸超过150μm。硬度测试结果表明，本实施例获得的亚共晶铸造铝硅合金件硬度为90hbw，而对比样硬度为70hbw，较对比样品提高29%。
技术特征：
1.一种亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）根据成形件形状设计内部相互贯通的多孔结构；（2）使用激光3d打印机将相同成分的铝硅合金粉末打印成步骤（1）中设计的多孔结构；（3）将打印好的多孔结构固定在成形件模具型腔内；（4）将亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上100~150℃保温5~10min；将保温后的铝硅合金在熔点以上50~100℃浇入铸型，并在一定压力下凝固冷却；（5）将冷却后的铸件从模具中取出即可得到组织细化、性能优良的亚共晶铸造铝硅合金件。2.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法，其特征在于：所述多孔结构的孔径2~5mm，壁厚0.1~1mm。3.根据权利要求1所述亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法，其特征在于：步骤（4）所述压力为10~25mpa。
技术总结
本发明公开了一种亚共晶铸造铝硅合金组织细化方法；本发明所述方法为：根据成形件形状设计内部相互贯通的多孔结构，使用激光3D打印机将相同成分的铝硅合金粉末打印成多孔结构；将打印好的多孔结构固定在成形件模具型腔内；将亚共晶铸造铝硅合金熔炼后在熔点温度以上保温一段时间；将保温后的铝硅合金浇入铸型，并在一定压力下凝固冷却；将冷却后的铸件从模具中取出即可得到组织细化、性能优良的亚共晶铸造铝硅合金件。本发明所述方法可使亚共晶铸造铝硅合金凝固组织得到充分细化，性能得到大幅度提高，硬度提高10~30%。硬度提高10~30%。
