一种在电磁场下对近共晶铝硅合金进行晶粒细化的方法

本发明涉及铝合金制备，涉及一种在电磁场下对近共晶铝硅合金进行晶粒细化的方法，具体为一种在电磁场下铝硅体系中利用电磁搅拌、定向凝固和重熔处理技术对近共晶铝硅合金进行晶粒细化的方法。

背景技术：

1、理想的铝硅合金材料是均匀细小的等轴晶粒，由于铝硅合金材料在高端技术领域的广泛应用，其后续加工对铝硅合金的组织和性能有较高的要求。合金的屈服强度与晶粒尺寸呈反比关系，细化晶粒可以使合金的强度得到改善，同时也使合金的塑性和韧性得到增强，铝合金的晶粒大小及形状特性直接影响其性能，细小、均匀的晶粒结构对提高材料的强度、韧性、力学性能具有重要意义。目前市场上现有的电磁定向凝固法多用于分离和提纯合金，且操作过程单一，效果参差不齐，而关于利用电磁定向凝固细化铝合金的技术并没有受到广泛关注。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明公开一种在电磁场下对近共晶铝硅合金进行晶粒细化的方法。

2、需要说明的是，本发明主要利用电磁冶金技术原理、定向凝固技术原理等相关的理论知识作为实验的理论基础。通过采用铝硅合金体系，将冶金级硅粉和工业铝粉配制成近共晶铝硅合金，在高频感应炉中加热融化并降温凝固，通过改变样品凝固时的感应电流、上下拉距离、上下拉速率及重熔等条件，来研究铝的含量、上下拉距离、上下拉速率对铝合金伸长率、抗拉强度、晶粒细化程度的关系。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种在电磁场下对近共晶铝硅合金进行晶粒细化的方法，主要包括以下技术步骤：

5、(1)配置原料：将按一定比例配制混合好的铝硅粉末原料放在干燥箱中烘干，然后放入石墨坩埚中，将料压实；

6、(2)调整坩埚位置：将步骤(1)中配制好铝硅粉末原料的坩埚放入石英管中，保证其处在石英管的中心位置；

7、(3)通入惰性气体：检查步骤(2)中装置的气密性，确定不漏气，并抽真空，以合适的气流速度速率通入ar作保护气氛以一定流速注入石英管中，重复多次；

8、(4)升温熔炼并保温：开启冷却水系统，打开电磁感应炉加热系统，以一定的升温速率将温度升至预定温度(通过调节电磁感应炉电流值来实现)，保温预定时间；

9、(5)电磁定向凝固：然后将电流值降为预定值保温，并同时开启上拉变速箱，以一定的上下拉速率将样品从感应线圈中心上下拉至预定位置；再保温40min后停炉，但仍继续通气和冷却水，一段时间后，关掉通气和冷却水系统；

10、(6)分析检测：待样品冷却后，取出，通过机械切割、线切割将样品切开，并对样品进行后期的分析检测；

11、(7)重熔处理：对步骤(6)中冷却后的样品按步骤(2)～(5)同等条件下进行重熔处理并分析检测。

12、需要说明的是，本发明采取物理晶粒细化法，主要通过电磁搅拌、定向凝固、重熔三个方面的影响因素对铝硅合金进行晶粒细化的工艺，以获得致密度高和各种机械性能良好的高品质铝硅合金。同时，本发明建立起相对完善的晶粒细化制备高品质铝硅合金的关键参数，在使铝合金熔体成为满足工业化应用所需的高品质铝硅合金方面具有较为广阔的前景，丰富了对合金熔体进行晶粒细化的手段，具有一定的科学和现实意义。

13、进一步地，步骤(1)中铝硅粉末比例为al:si＝87.4:12.6,由于铝硅合金为二元合金，硅在铝基体中含量12.6％时为近共晶状态，石墨坩埚参数为：外径：30mm,内径：24mm,高度：70mm,底部厚度：5mm.

14、需要说明的是，由于本发明需要进行电磁定向凝固，坩埚的高度和坩埚壁厚度均会对定向凝固时合金凝固温度产生影响，且本发明中的定向凝固距离均基于此坩埚参数，利用此“石墨坩埚”规格参数可以达到本发明的最佳效果。

15、此外，在成分含量上，当合金中硅的含量超过12.6％时，即过共晶铝硅合金在凝固过程中，硅会以初晶硅的形式优先在铝硅熔体中析出。若温度继续降低，则成分点沿着液相线移动，到达共晶点时，会发生共晶转变生成共晶线左端成分点的α固溶体和右端成分点的硅晶体，并立即组成两相的整合组织(共晶铝硅合金)，所以概括地讲铝硅合金在凝固过程中会有初晶相析出，即发生相变，这样的话可能会对铝合金的晶粒细化造成影响。

16、进一步地，步骤(2)中石英管参数为：外径：80mm,内径：70mm,高度：1000mm.

17、需要说明的是，“石英管”规格参数的限定基于本发明中所使用的电磁感应炉所适配的直径及高度。

18、进一步地，步骤(3)中真空度抽至10-1pa级，ar纯度99.99％以200ml/min的流速注入石英管中，重复3～5次。

19、需要说明的是，高浓度ar的多次重复通入可使石英管内保持惰性气体状态，有效防止合金熔体在反应过程中被氧化和对晶粒细化的影响。

20、进一步地，步骤(4)的冷却水压控制在0.1～0.2mpa,电磁感应炉加热频率为30～80khz,保温时间为40～60min。

21、更进一步地，所述预定温度一般高于近共晶铝硅合金的熔点温度，以确保合金完全融化。其对应于感应电流为比正常熔点温度时的感应电流高1～2a.因感应电流的改变作为本发明中的一个重要参数，此时的感应电流值为12～18a。

22、进一步地，步骤(5)中的变速箱拉升速率控制在5～200μm/s,持续通气和冷却水时间为20～40min。

23、需要说明的是，步骤(5)中“降为预定值保温”的温度为理论熔点温度时所对应的感应电流。

24、进一步地，步骤(6)通过金刚石线切割机沿轴向切割完全凝固的样品，并使用标准金相技术抛光样品的横截面，经超声清洗和真空干燥10h后，利用金相显微镜(om)观察样品的微观结构。

25、进一步地，步骤(7)重熔处理后同样按照步骤(6)进行处理并利用金相显微镜(om)观察重熔后样品的微观结构。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、(1)与现有利用电磁法提取高纯铝技术相比，本发明中主要针对共晶状态下的铝硅合金，利用电磁搅拌、定向凝固和重熔处理的共同作用使铝硅合金晶粒得到细化，获得致密度高和各种机械性能良好的高品质铝硅合金。

28、(2)本发明中在铝硅合金熔体除气净化领域结合电磁搅拌、定向凝固、重熔三个方面的影响因素对晶粒细化过程以及效果进行考察，建立起相对完善的电磁晶粒细化技术理论模型，该方面的相关研究工作鲜有报道。

29、(3)本发明作为绿色冶金的范畴，从长远的角度考虑由于其具有不使用净化剂、不引入二次污染和环境保护等优势，不失为一类很有前途的铝合金晶粒细化技术。

30、(4)相比于目前工业上物理晶粒细化法由于设备、工艺复杂，成本高，或者由于综合细化效果欠佳等因素难以得到广泛应用，本发明工艺流程简单，可操作性强，成本低廉，获得致密度高和各种机械性能良好的高品质铝合金。该技术在铝合金晶粒细化使其成为满足工业化应用所需的高品质铝合金方面具有较为广阔的前景。

31、(5)本发明中实验条件进行了最优化，如铝硅合金中铝的含量、样品凝固时的感应电流、上下拉距离、上下拉速率及重熔等条件，总体上优于目前工业上的物理晶粒细化技术。