提高Al-Si合金性能的主要處理措施探究

馬曉濤

(寧夏機械研究院有限責任公司 寧夏 銀川 750021)

0 引言

鋁的密度小、塑性好，具有優良的導電性和導熱性，表面有致密的氧化膜保護，抗腐蝕性好，而且回收成本低，是一種可持續發展的有色金屬。在純鋁中，加入其它金屬或非金屬元素，能配制成各種可供壓力加工或鑄造用的鋁合金。

1 Ai-Si 合金的變質處理

1.1 Al-Si 合金共晶體的變質

共晶成分的合金組織，通過加Na、Sr 及Sb 等變質處理，使共晶硅由原來的粗片狀變為珊瑚狀。 由于組織顯著變化，合金的室溫力學性能特別是伸長率得到很大的提高，切削加工性能也有明顯改善。 近些年來， 運用現代測試技術的觀察結果， 對Na 變質機理提出了兩種理論：Si 晶粒的成長受抑制理論和Si 晶核的生成受到抑制理論。

1.2 Al-Si 合金初晶硅的變質

Al-Si 合金隨著含硅量的增加，雖然鑄造性能得到改善，但組織中出現針片狀的共晶硅。因此，Al-Si 合金當含硅量高于6-8%時，必須進行變質處理。當含硅量超過共晶成分（12.6%）后，組織中出現粗大的多角形板狀初晶硅，在Si 相尖端和棱角處引起應力集中，合金容易沿晶粒的邊界處，或者板狀硅本身開裂處而形成裂紋，使合金變脆，力學性能特別是伸長率顯著降低。

1.3 雙重變質

加磷能有效細化初晶硅，但不能細化共晶組織，如果能同時細化共晶組織，則還能提高力學性能，尤其是伸長率。 這種變質就稱為“雙重變質”，對于含硅量是在16%以下的合金，細化共晶組織，具有重要意義。

Al-Si 合金的拉伸強度主要受合金中初晶硅的尺寸和形狀的影響，而延伸率主要受合金中共晶組織的影響。 根據過共晶Al-Si 合金初晶硅、共晶硅的變質機理的不同，人們對Al-Si 合金進行共晶、初晶雙重變質的研究方興未艾，以期進一步提高其力學性能，擴大其使用范圍。 初晶硅的細化劑主要是P，使共晶硅變質的元素主要有Na、K、Li、Cd、Ba、In、La、Ti、Bi、S、Te、Se、Se、Sr 和RE 等。

1.4 影響P 變質效果的工藝因素

1.4.1 最佳含P 量：細化初晶硅一般都有一個最佳含P 量。低于此值，變質不足，高于此值則產生“過變質”，初晶硅會逐漸變粗，一般認為，最佳殘留含P 量為0.001-0.05%。 由于P 的精確取樣和分析存在誤差，控制范圍又比較寬，通常按加入量進行控制，公認的P 加入量為合金重量的0.1%，這個數字和變質劑的種類以及許多任務及因素（變質溫度、澆注溫度、凝固速度、孕育時間等）有關，應通過試驗予以適當調整。

1.4.2 變質溫度： 初晶硅的異質結晶核心AlP 熔點高達1000℃以上，如果變質溫度過低，AlP 會在Al 液中凝聚成團，隨溫度的下降逐漸失去變質作用。提高變質溫度能使AlP 質點細化，分布均勻，改善變質效果。一般情況下，熔煉變質溫度高于合金液相線150℃時已有明顯的變質效果，繼續升高溫度己沒有必要，相反只會增加合金吸氣和產生氧化夾雜。

對過共晶Al-Si 合金而言，有學者提出臨界（最低）變質溫度與含硅量有關， 得出公式T （℃）=23×WSi+375, 其中WSi為Al-Si 合金含硅量。 例如，Si=20%時，其臨界（最低）變質處理溫度為23×20+357=817℃。 可以看出：變質處理的溫度與Al-Si 合金的含硅量密切相關，含硅量越高，變質處理溫度相應提高。

1.4.3 變質處理和精煉的配合：經變質后的Al 液在高溫（850℃）下長時間（3-5h）靜置，變質效果會逐漸消失，但用六抓乙烷精煉后，可重新出現良好的變質效果，這并不是六氯乙烷本身具有變質作用，而是消除了氣體和氧化夾雜的結果，可見氣體和氧化夾雜不但影響合金的質量，而且影響AlP 的變質效果；一般認為氣體和氧化夾雜使AlP 鈍化，部分甚至完全地失去變質效果。 因此變質前后都要用六氯乙烷。 當用于金屬型鑄造或壓鑄時，要長期保溫，可進行多次精煉，以保持變質效果。

1.4.4 澆注溫度的選擇：通常，為了避免針孔、疏松等鑄造缺陷，在保證充型的前提下，應選擇盡量低的澆注溫度，但對經變質處理的過共晶Al-Si 合金還必須考慮變質溫度過低會影響變質效果。 試驗表明，澆注溫度過低，AlP 開始凝聚成團，失去變質效果，一般要求保持在液相線溫度以上70-100℃。

2 減少合金中的有害雜質

2.1 雜質Fe 的有害作用和消除方法

Fe 是Al-Si 合金中的主要雜質，它主要來自爐料、增塌和熔煉工具。在鑄造Al-Si 合金中，Fe 常以β（AlSiFe）鐵相出現。β 鐵相硬而脆，往往以粗大的針狀穿過α-Al 晶粒，大大削弱了基體，降低了合金的力學性能，尤其是伸長率和沖擊值。

Fe 一般在Al-Si 活塞合金中被視為降低合金力學性能的雜質元素，富鐵相的形貌變化與合金成分密切相關。 Fe 以針狀存在時降低合金的室溫力學性能，但以漢字狀或魚骨狀存在時，可以提高合金的高溫強度。高溫處理（熔體過熱到900℃以上）可以改善富鐵相的影響，這與我國活塞行業當前對富鐵相作用的了解以及所采取的控制富鐵相形貌的措施全然不同。為了消除Fe 相的有害作用，可以加入微量Mn、Cr、M。 、Be 等元素。 其中由于Mn 的來源廣，價格便宜，在工業生產上得到了廣泛的應用。加入這些元素的作用是使粗大針狀β 鐵相變成新的復雜多元化合物（例如AlSiMnFe 相），消除了原有針狀鐵相削弱基體的有害作用。 但是Mn 量加入不宜過多，否則將形成粗大脆性化合物，降低合金的力學性能。

2.2 Ca 元素的影響

雜質Ca 大多是由原材料 （結晶Si） 帶入合金中的， 以硅化鈣（Ca2Si、CaSi、CaSi2）、氮化鈣、磷化鈣等化合物形式出現的。當合金中雜質Ca 較多時，會使合金熔體流動性變差，容易吸氣和發生微觀針孔或縮松，并產生偏析性硬脆化合物，嚴重時將使鑄件廢品率明顯升高。所以，若用含Ca 量過多的低牌號結晶Si 時，較難獲得高質量鑄件。

3 Al-Si 合金的合金化

絕大多數內燃機活塞都采用具有低膨脹系數的共晶和過共晶Al-Si 合金鑄造，只是因為這類合金能提供最好的綜合性能，為提高活塞合金的綜合性能， 在Al-Si 合金中加入Mg、Cu、Ni、Ti、Mn 及其他強化元素可組成多元合金，而且工業生產中還不可避免的含有雜質元素Fe。 這些元素一方面能不同程度地溶入α 固溶體中，使固溶體結構復雜，提高合金的強度：更為重要的是，它們在合金中生成Mg2Si、CuAl2、Al2CuMg 等化合物。 它們在α 固溶體中的溶解度隨溫度的下降而降低，經淬火（固溶化）和時效處理后，使合金的力學性能大大提高。這些化合物相通常稱為“強化相”。

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