气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法技术

本发明专利技术公开了气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法，将

【技术实现步骤摘要】
气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法


[0001]本专利技术涉及气相协同双熔体共混
，具体为气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法
。

技术介绍

[0002]随着光伏发电
、5G
基站
、
新能源汽车等新材料领域迅猛发展，国内的铝材消耗量日益剧增，原铝电解能耗大，污染重，废铝再生利用成为实现铝产业绿色高质量展的必然趋势
。
用途最广的
Al
‑
Si
系合金，其中含有难以去除的铁元素会显著恶化其结构性能，这成为限制再生铝规模化应用的关键障碍
。
前期研究表明，引入微量元素可变质再生铝的粗大相，但效果有限，一旦添加过量还会导致其他相毒化和晶粒粗化，性能提升有限
。
也有相关研究采用过滤
、
超声
、
电磁脉冲等方法进行处理，取得了不错进展，但这些方法操作复杂
、
成本高，不利于批量生产
。
创新性发展低成本再生铝熔体处理技术，尤其是针对凝固组织的物理细化调控技术，是目前本领域研究的热点和难点
。
[0003]高铁铝硅铁合金中粗大和分布不均匀的初生硅和富铁相呈现出尖端和棱角状并严重割裂基体，导致合金力学性能下降
。
凝固组织
(
晶粒与合金相
)
细化是提升金属铸件制品性能的有效手段，其中针对金属熔体进行细化处理是最常见工艺
。
其原理是通过外加或熔体内部原位生成与基体晶粒结构相似的异质粒子，使其在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，增加有效晶核数量以达到细化组织目的
。
异质粒子的热物性和结构稳定性是决定其能否高效孕育晶核的重要因素，共晶
Al
‑
Si
‑
Fe
合金因粗大相的存在，其自身高活性使得内生粒子的细化变质效果更不稳定，对变质剂和孕育晶核结构的稳定性要求更高
。
而通过气液反应生成热力学稳定的纳米级
TiC
粒子具有速度极快
、
制备工艺简单
、
材料成本低
、
制成材料性能优异可控等优势，能有效地达到细化
α
‑
Al
和第二相效果
。
另外，利用浓度和温度的差异，将高温
Al
‑
Fe
熔体与低温
Al
‑
Si
熔体按一定比例混合，通过固
/
液界面推进方向与溶质扩散方向相反达到平衡状态，得到扩散充分
、
反应完全的
Al
‑
Si
‑
Fe
熔体
。
将气液反应后含液态
TiC
纳米级粒子的小质量低温
Al
‑
Ti
熔体与前面的大质量高温共晶
Al
‑
Si
‑
Fe
熔体共混，获得具有组织均匀
、
晶粒细化特点的
Al
‑
Si
‑
Fe
合金
。
在该过程中，
Al
‑
Ti
熔体与
Al
‑
Si
‑
Fe
熔体具有较大温差
(50
～
80℃)
，其高温熔体的质量占比更大
。
共混后高温熔体温度下降而低温熔体温度上升，并逐渐实现温度平衡
。
这期间质量传递伴随液体
、
混合物横向相互扩散，使得在整个混合物中形成化学成分均匀的液体
。
相比热传输，逆扩散易形成非局域能量的成分起伏
。
受低温熔体激冷作用，高温低浓度溶质微区在较大过冷度下形核，并向低温高浓度区生长
。
使得逆扩散模式控制下，成分过冷影响小，
α
‑
Al
晶粒更易倾向于等轴生长，并且粗针状的富铁相生长受到抑制，从而达到细化合金组织的目的，本专利与传统铸造工艺相比较，具有混合熔体的短流程
、
不需要等温维持
、
凝固时间更短
、
没有残留液体，合金组织均匀
、
晶粒细化等显著优势
。
[0004]公开号
CN113215452A
使用传统铸造方法，使用钙
、
纳
、
锶变质元素改善
Al
‑
Si
‑
Fe
合金组织，但通过外加元素的方法改性会使铝合金成分更为复杂，而且由于材料往往存在一
定量的杂质元素，普通的晶粒细化剂加入极易产生细化“中毒”效果，不利于标准化生产
。
公开号
CN209798050U
，
CN114293021A
等均采用合金过滤纯化等方法对熔体中的微细杂质进行去除，来提升铝液纯净度
。
但这些方法操作复杂
、
成本高较高，生产流程过长，不利于批量生产
。
本专利先利用高温
Al
‑
Fe
熔体与低温
Al
‑
Si
熔体混合得到
Al
‑
Si
‑
Fe
熔体，并将气液反应法内生含纳米级
TiC
粒子的
Al
‑
Ti
熔体，以受控扩散凝固方式导入共晶
Al
‑
Si
‑
Fe
合金熔液中，通过调控凝固组织提升其合金强韧性
。
在此过程中，无明显新相生成，方法简单，易于实现工业化批量生产，为此，通过设置气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法解决上述问题
。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的目的是提供气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法，本专利技术气相协同工艺快速生成具有热力学稳定，价格低等特点的含
TiC
粒子的
Al
‑
Ti
熔体，高温
Al
‑
Fe
熔体和低温
Al
‑
Si
熔体先进行第一次共混，为
TiC
粒子在
Al
‑
Si
‑
Fe
熔体受控逆扩散提供最佳状态，气相协同工艺生成的含
TiC
纳米级粒子与
Al
‑
Si
‑
Fe
合金熔体再次进行共混，合金组织有显著的细化效果，利用气液反应和受控扩散凝固协同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法，其特征在于，包括：
S1
：在
1100
～
1200℃
将
Al
‑
Ti
合金熔化为熔融状并置入第二装置
(2)
中，将一定气量的甲烷
(CH4)
通入熔融状
Al
‑
Ti
合金熔体，充分机械搅拌使其完全反应，获得含液态
TiC
粒子
Al
‑
Ti
合金熔体
(440)
并调控到
700
～
720℃
待用；
S2
：将存在温差的
Al
‑
Si
合金熔体
(420)
与
Al
‑
Fe
合金熔体
(410)
进行按照一定质量比，在第一装置
(1)
进行混合，充分机械搅拌并待其完全反应，控制熔体温度在
750
～
800℃
，获得
Al
‑
Si
‑
Fe
合金熔体
(430)
；
S3
：将制得的
Al
‑
Si
‑
Fe
合金熔体
(430)
与含液态
TiC
粒子
Al
‑
Ti
合金熔体
(440)
在第三装置
(3)
进行混合，充分机械搅拌并待其完全反应，控制熔体温度在
720
～
740℃
，获得高韧强化
Al
‑
Si
‑
Fe
合金熔体
(430)
，最后通过调节阀将扩散完成的铝熔体浇注进浇铸模具，完成凝固
。2.
根据权利要求1所述的气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法，其特征在于，第一装置
(1)
具体包括设置的浇筑模具
(110)、
开设在所述浇筑模具
(110)
内的浇道
(120)、
设置在所述浇筑模具
(110)
外侧的保温层
(130)、
设置在所述浇筑模具
(110)
内侧的温度调控层
(140)、
安装在所述浇筑模具
(110)
内侧的热电偶
(150)。3.
根据权利要求2所述的气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法，其特征在于，第一装置
(1)
还包括安装在所述浇筑模具
(110)
底面的旋转电机搅拌器
(160)、
设置在所述浇筑模具
(110)
底面的浇筑口
(170)、
安装在所述浇筑口
(170)
处的调节阀
(180)、
开设在所述浇筑模具
(110)
顶面的浇道口
(190)。4.
根据权利要求3所述的气相协同双熔体共混的铝硅铁合金凝固组织调控方法，其特征在于，所述旋转电机搅拌器
(160)
的输出端连接有...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐鹏，杨依雪，陆声城，陆金树，肖沛欣，莫帆，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：