一种使稀土元素在铝硅合金表面均匀分布的方法技术

一种使稀土元素在铝硅合金表面均匀分布的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：（１）选取铝硅合金铸锭的成分按重量百分比为Ｓｉ？１２．６～２５％，ＲＥ？０．１～２％，余量为Ａｌ；采用线切割方式在铝硅合金铸锭上切出断面，并对其断面表面进行研磨和抛光处理；然后用有机溶剂清洗干净，再去除有机溶剂；（２）将铝硅合金铸锭置于真空度≤１０－３Ｐａ的条件下，施加强流脉冲电子束对断面进行表面改性处理，工作参数为：加速电压为２３～２７ｋＶ，脉冲次数为５～２５次。本发明专利技术的方法工艺简单，操作方便，能量利用率高，铝硅合金表面快速熔凝后的组织得到细化，并且相间各化学元素重新分配，表面成分趋于均匀化，可以达到硬度和韧性的更好配合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，特别涉及。
技术介绍
硅是铝硅合金的主要合金元素，它使合金具有高的流动性与低的收縮率，因而合金具有优异的铸造性能，使铝硅合金适用于制造汽缸盖、活塞、变速器壳、传动装置、排气管等零件，拥有广泛的应用前景。目前国内使用的铝硅合金活塞材料主要为共晶型铝硅合金，其合金组织由粗大的针状共晶硅与铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初生硅组成，由于组织中粗大的针状共晶硅的存在，合金的机械性能不高，抗拉强度不超过140MPa，延伸率S小于3%，一定程度的限制了共晶型铝硅合金的应用范围。另外，随着汽车产品向高速度、低能耗方向发展，共晶型铝硅合金已越来越难以达到使用性能要求，采用更为合理的活塞材料势在必行。过共晶铝硅合金含硅量高达17% 26%，合金具有密度小、比强度高、耐磨耐蚀及高温性能好等特点，广泛应用于汽车、电子和航天领域。而且随着合金中硅含量的提升，合金的热膨胀系数更小，合金的耐磨性、耐蚀性及高温强度等性能更加优异。但是，这类合金具有脆性大，切削加工性差等缺点，主要是由于过共晶铝硅合金组织中存在大量的板块状初生硅和针状共晶硅的显微组织，其中初生硅为主要的硬质相，虽然能够提高合金的耐磨性，但是也因硅相颗粒尺寸的增大导致材料的强度下降且脆性增加。总之，共晶型和过共晶型铝硅合金本身组织结构都存在着缺陷，以致限制两种铝硅合金材料在工业上的应用范围。 为了既保持铝硅合金的固有优点，又使机械性能有大幅度的提高，近几十年来世界各国的工作者研究并实施很多方法来解决铝硅合金组织细化问题。合金的变质处理是细化铝硅合金组织并提高性能的有效手段，具有简便易行，工艺简单等优点。向铝硅合金中添加稀土元素Nd已有学者进行了研究，结果指出Nd的加入能够细化粗针状共晶硅和板块状初生硅，且细化效果明显。高波等对加入Nd的共晶硅和初生硅组织变化进行了前期研究，发现Nd的加入可以细化硅相，但稀土元素Nd出现富集，并且高含量Nd( > 1% )的加入在铸造后的合金组织中呈现粗针状分布，此现象不仅会限制稀土元素Nd对合金的预期变质效果，而且Nd元素的偏析对合金性能也会造成影响。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供，目的在于通过电子束加热处理铝硅合金的表面，使稀土元素在铝硅合金表面趋于均匀分布，从而使经电子束加热处理的铝硅合金表面具有更加优异的性能。 本专利技术的方法按以下步骤进行 1、表面预处理 选取铝硅合金铸锭的成分按重量百分比为Si 12. 6 25%， RE 0. 1 2%，余量为A1 ;采用线切割方式在铝硅合金铸锭上切出断面，对铝硅合金铸锭的断面表面进行研磨和抛光处理；然后用有机溶剂将铝硅合金铸锭表面清洗干净，再去除铝硅合金铸锭表面的有机溶剂。 2、电子束改性处理 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于真空度《10—卞a的条件下，施加强流脉冲电子束对断面进行表面改性处理，强流脉冲电子束的工作参数为加速电压为23 27kV，脉冲次数为5 25次。 上述方法中，所述的有机溶剂为乙醇或丙酮。 通过强流脉冲电子束的加热，同时控制加速电压和脉冲次数，使铝硅合金铸锭表面经过快速熔化和凝固，铸锭表面的组织得到细化，相间各化学元素重新分配，表面成分趋于均匀化，尤其是稀土成分分布更加均匀；由于加热处理在真空度《10—卞a的条件下，因此不会出现合金表面被氧化的现象。本专利技术的方法工艺简单，操作方便，能量利用率高，铝硅合金表面快速熔凝后的组织得到细化，并且相间各化学元素重新分配，表面成分趋于均匀化，可以达到硬度和韧性的更好配合。附图说明 图1为本专利技术实施例1中电子束加热处理前的铝硅合金表面SEM图。 图2为本专利技术实施例1中电子束加热处理后的铝硅合金表面的EPMA图。 图3为本专利技术实施例1中电子束加热处理后的铝硅合金中Al、 Si和Nd元素的区域分布图。 图4为本专利技术实施例1中电子束加热处理后的铝硅合金中Al、 Si和Nd元素的线扫描图。 图5为本专利技术实施例3中电子束加热处理后的铝硅合金表面的SEM图。 图6为本专利技术实施例4中电子束加热处理后的铝硅合金表面的SEM图，图中a为低倍分辨率SEM图，b为高倍分辨率SEM图。具体实施例方式本专利技术实施例中采用的强流脉冲电子束设备为Nadezhda-2型强流脉冲电子束设备，束斑直径50mm，脉宽为1 ii s，脉冲间隔10s。 本专利技术实施例中采用的表面预处理方法为将熔炼完成后的铸锭线切割出断面后，将断面在研磨机上依次用300#、800#、1000#和1200#砂纸研磨，研磨至断面表面无划痕；用粒度1. 0 ii m的人造金刚石抛光膏抛光合金断面表面，并用有机溶剂乙醇或丙酮将合金表面清洗干净，待合金表面的有机溶剂挥发或烘干后完成预处理。 本专利技术实施例中采用的研磨机为M-2金相试样研磨机，磨盘直径230mm，转数450/550转/分。 本专利技术实施例中强流脉冲电子束工作时的能量密度为2 3J/cm2。 实施例1 采用的铝硅合金成分为A1-12. 6Si-lNd。 将上述铝硅合金采用线切割方式切出断面，对铝硅合金铸锭的断面表面进行研磨和抛光处理；然后用有机溶剂将铸锭表面清洗干净，再去除铸锭表面的有机溶剂。 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于Nadezhda-2型强流脉冲电子束设备中，在真空度《10—3Pa的条件下，施加强流脉冲电子束对断面进行表面改性处理，强流脉冲电子束的工作参数为加速电压为23kV，脉冲次数为15次，处理时间为15iis，极短的时间内在合金表面改性层中完成特定的加热和冷却过程，加热速率107 1081(/8，凝固速率达到108 109K/s。 上述方法中，所述的有机溶剂为乙醇。 通过SEM和EPMA两种检测手段观察电子束处理前后合金表面形貌、微观组织和表面成分变化，分别如图1，2所示。从图中可以看出，电子束处理之前，添加1% Nd的共晶型铝硅合金组织除了针状共晶硅与铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初生硅外，稀土元素Nd呈粗针状分布于合金组织中，并大多分布在初生硅周围，Nd元素偏析严重。 电子束加热处理后的铝硅合金中Al、Si和Nd元素的区域分布如图3所示，经电子束处理后，合金表面经过快速的加热和冷却过程后，显微组织得到细化，合金表面各化学元素得到重新分配，从图3能明显看出各元素(Al、 Si和Nd)的分布情况，特别要指出的是稀土元素Nd向铝基体中扩散，并且针状稀土元素Nd经电子束处理后呈现云状分布于合金组织中，解决了稀土元素Nd富集的问题，致使整个合金表面成分趋于均匀化，合金表面的耐磨性与原样相比得到大幅度的提高。 电子束加热处理后的铝硅合金表面的Al、Si和Nd元素的线扫描如图4所示，图4显示了扩散后的各元素线扫描结果，特别指出云状组织中的Nd元素出现连续分布，进一步证明了电子束处理后稀土元素Nd分布近于均匀化的结果。 实施例2 采用的铝硅合金同实施例1 。 采用的表面预处理方法同实施例1。 采用的电子束加热处理方法同实施例1，不同点在于脉冲次数为25次，处理时间为25 ii s。经处理后的铝硅合金断面的耐磨性提高2 3倍。与实施例1中脉冲次数为15次相比，处理后铝硅合金表面的稀土元素Nd分布更加均匀。 实施例3 采用铝硅合金成分为A1-17. 5Si-0. 3Nd。 采用的表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使稀土元素在铝硅合金表面均匀分布的方法，其特征在于按以下步骤进行：（１）选取铝硅合金铸锭的成分按重量百分比为Ｓｉ１２．６～２５％，ＲＥ０．１～２％，余量为Ａｌ；采用线切割方式在铝硅合金铸锭上切出断面，对铝硅合金铸锭的断面表面进行研磨和抛光处理；然后用有机溶剂将铝硅合金铸锭表面清洗干净，再去除铝硅合金铸锭表面的有机溶剂；（２）将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于真空度≤１０↑［－３］Ｐａ的条件下，施加强流脉冲电子束对断面进行表面改性处理，强流脉冲电子束的工作参数为：加速电压为２３～２７ｋＶ，脉冲次数为５～２５次。

【技术特征摘要】
一种使稀土元素在铝硅合金表面均匀分布的方法，其特征在于按以下步骤进行(1)选取铝硅合金铸锭的成分按重量百分比为Si 12.6～25％，RE 0.1～2％，余量为Al；采用线切割方式在铝硅合金铸锭上切出断面，对铝硅合金铸锭的断面表面进行研磨和抛光处理；然后用有机溶剂将铝硅合金铸锭表面清洗干净，再去除铝硅合金铸...

【专利技术属性】
技术研发人员：高波，郝仪，涂赣峰，郝胜智，董闯，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]