[發(fā)明專利]鋁硅合金及鋁硅復(fù)合材料的表層組織細化與表面硬化方法

有效

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• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN104711500B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉彥強;樊建中;馬自力;魏少華;郝心想
• 申請（專利權(quán)）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C22F3/00
• 分類號: C22F3/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11100
• 代理人: 劉徐紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋁硅合金及鋁硅復(fù)合材料，特別涉及一種鋁硅合金及鋁硅復(fù)合材料的表層組織細化與表面硬化方法。

背景技術(shù)

鋁硅（Al-Si）合金是一類具有獨特微觀組織和性能特點的鋁合金。鋁硅合金中硅含量可在0～70%之間調(diào)整，獲得組織性能各不相同的鋁硅合金（硅含量低于20%）或者鋁硅復(fù)合材料（硅含量高于20%），以滿足各類不同的應(yīng)用需求。無論是低硅含量的合金還是高硅含量的復(fù)合材料，獲得細小的等軸狀硅顆粒都可以顯著提升合金的綜合力學性能，因此，硅組織的細化控制成為了鋁硅體系材料研發(fā)制備的關(guān)鍵技術(shù)。

Al-Si在577℃發(fā)生共晶反應(yīng)，共晶成分中硅含量為12.6wt.%，不經(jīng)變質(zhì)處理的鑄態(tài)合金中的共晶硅相一般呈粗大的片狀形貌；而對于過共晶A1-Si合金，在凝固過程中首先要析出粗大的初晶硅，其自身易含缺陷、強度較低、易引起應(yīng)力集中，從而使合金的強度和塑韌性明顯降低。已有的研究表明，攪拌鑄造法制備的Al-Si合金或鋁硅復(fù)合材料會出現(xiàn)硅異常長大、成分嚴重偏析、缺陷較多等問題，難以獲得預(yù)期的微觀組織。對于Si含量較低的Al-Si合金，可采用半固態(tài)鑄造技術(shù)獲得具有細小等軸硅Si顆粒的微觀組織（平均顆粒尺寸小于20μm），合金的力學性能和二次加工性能大大提升。如能進一步改進硅顆粒的微觀組織，使得硅的典型尺寸在5μm以下（乃至亞微米尺度），合金的力學性能將發(fā)生顯著改變；采用此類鋁硅合金或復(fù)合材料加工制造而成的汽車零部件將具備輕質(zhì)、高硬度、耐磨性極好等優(yōu)異的使用性能。然而，制備硅尺寸為幾微米或亞微米尺寸的鋁硅材料較為困難。對于硅含量較高的復(fù)合材料而言，硅顆粒的微觀組織控制更加困難；使用當前的技術(shù)方法難以獲得具有細小（平均顆粒尺寸5μm以下）而均勻的硅顆粒的微觀組織。因此，提供一種能獲得具有細小而均勻的硅顆粒的微觀組織的鋁硅合金及鋁硅復(fù)合材料的表層組織細化與表面硬化方法就成為該技術(shù)領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種能獲得具有細小而均勻的硅顆粒的微觀組織的鋁硅合金及鋁硅復(fù)合材料的表層組織細化與表面硬化方法。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達到的：

一種鋁硅合金及鋁硅復(fù)合材料的表層組織細化與表面硬化方法，該方法為采用脈沖激光對鋁硅合金或鋁硅復(fù)合材料表面進行重熔和凝固。經(jīng)過重熔之后材料形成具有均勻和超細微觀組織的改性表面層，使用該方法處理之后，材料表面硬度和耐磨性大幅提升。

本發(fā)明的具體操作方法，包括如下步驟：

（1）將鋁硅合金或鋁硅復(fù)合材料表面進行清潔處理，去除油污等污染物；

（2）以脈沖激光作用于鋁硅合金或鋁硅復(fù)合材料的表面，并且激光頭在材料的表面進行逐行掃描，使單脈沖形成的單點熔池相繼重疊搭接形成連續(xù)熔池；

（3）重復(fù)步驟（2），使材料的整個表層逐個區(qū)域熔化，然后自然冷卻，完成整個鋁硅合金或鋁硅復(fù)合材料表面的改性處理。

步驟（2）中，所述的脈沖激光的參數(shù)是：峰值功率為1.5～4kW，脈寬（脈沖作用時間）為2.5ms～5ms，脈沖頻率為10～30Hz，掃描速率（焊接速率）為2～5mm/s。優(yōu)選的，所述脈沖激光的參數(shù)是：峰值功率2.5～4kW，脈寬（脈沖作用時間）為4ms～4.5ms，脈沖頻率為10～20Hz，焊接速率為2～3.5mm/s。

所述的單點熔池的搭接重疊率優(yōu)選為80%～90%。材料的表層熔化厚度為0.5mm～2mm范圍內(nèi)。

激光熔化過程，即以脈沖激光作用于鋁硅合金或鋁硅復(fù)合材料的表面過程中，采用流動Ar氣對熔池進行保護，避免熔池金屬在大氣中氧化。

激光重熔是將脈沖激光作用于材料表面，在極短時間內(nèi)形成錐形熔池，以一定頻率產(chǎn)生的脈沖激光重復(fù)作用于材料表面，與此同時，激光頭以一定的速率在材料表面逐行掃描行走，單脈沖形成的單點熔池相繼重疊搭接形成連續(xù)熔池，在材料表面形成連續(xù)的熔池，從而對整個材料表面實現(xiàn)改性處理。該過程中材料表層的化學成分不發(fā)生變化，材料內(nèi)部（表層以下）組織不發(fā)生改變，材料的整體性能保持不變。

本方法適用于硅重量百分含量為0%～60%的鋁硅合金或鋁硅復(fù)合材料表層0.5mm～2mm厚度范圍內(nèi)的微觀組織細化控制，尤其針對硅顆粒進行細化控制。

經(jīng)過本方法改性處理之后，材料表層形成均勻的超細微觀組織，該組織由亞微米尺寸Al-Si共晶組成，或者由亞微米尺寸Al-Si共晶和5μm以下的彌散分布初晶硅共同組成。

有益效果：