A l-S i合金凝固組織與S i相變質綜述

高 慶（兗州煤業物資供應中心 金屬材料科，山東 鄒城273500）

0 引言

Al-Si合金具有良好的鑄造性能，如收縮率小、流動性好、氣密性好和熱裂傾向低等。因此Al-Si系合金被廣泛應用于建筑、汽車等行業。二元Al-Si合金中，隨Si含量的增加，組織中共晶體的數量逐漸增加，合金的流動性也顯著提高。由Al-Si合金的相圖（圖1所示）看出，Al-Si合金的共晶點在Si含量約12.6%處，然而由于Si的結晶潛熱較高，即使在Si含量增至20-22%時，合金仍然具有良好的鑄造性能。工業上常見的Al-Si合金為近共晶或過共晶合金。

Al-Si共晶合金未變質時，共晶硅呈粗大的針片狀分布在基體中，降低了合金的力學性能（特別是塑性和韌性）和機加工性能，因此必須改善合金的組織結構，即對合金中的共晶硅進行變質處理，改變其共晶硅形態，進而提高合金的強度、伸長率、耐磨性等性能。目前常用的工藝方法有激冷變質法、振動變質法、溫度處理變質法、化學變質劑進行變質等，其中采用化學變質劑進行變質處理，促使片狀共晶硅轉變為珊瑚狀的方法應用最廣泛[1]。

對于過共晶Al-Si合金，合金中初晶Si多呈現粗大的多角形塊狀或板狀，割裂基體，使得合金的機械性能很低，故而對初晶Si同樣需要進行變質處理。最常用的變質方法為：通過加P（磷）對初晶Si進行變質處理。

除了以上傳統的變質方法，添加合金化元素亦可以對Al-Si合金起到變質效果[2]。如，Zr可以使Al-Si合金的初晶Si和共晶Si以及枝晶細化，合金的脆性減小，韌性提高，強度和硬度也得到很大程度的提高[2-3]。

圖1 Al-Si合金二元相圖

1 Al-Si合金的變質處理

表1 Al-Si合金常用變質劑種類及變質效果

Al-Si合金的細化和變質對象包括α固溶體、共晶體和初晶Si三個部分。共晶Al-Si合金中的共晶Si呈針片狀分布在鋁基體上，當Al-Si合金中Si含量超過共晶成分時，在組織中又會出現多角形狀的初晶Si，降低合金的塑性。故而對Al-Si系共晶和過共晶合金，既要強調共晶體(α+Si）的變質處理，又要對初晶Si細化處理[1]。常見的變質劑種類以及效果見表1[4-6]。

1.1 共晶體的變質

共晶成分的Al-Si合金組織，通過加Na或Na鹽變質處理，由原來的粗片狀共晶體（α+Si）基體上分布著少量多角形初晶Si的組織，變為由樹枝狀的α固溶體和（α+Si）共晶體組成的亞共晶組織，共晶體中的Si也變為珊瑚狀。由于組織的顯著變化，合金的室溫機械性能熱別是伸長率得到很大的提高，切削加工性能也有明顯改善[7]。

1.2 初晶Si的變質

長期以來，鑄鋁工作者發現采用高壓鑄造法、低溫鑄造法、急冷法[8]等對初晶Si的細化都能取得一定的效果。但效果最好的還是向合金中添加變質元素，其中主要的變質元素是P。最早使用的赤磷，雖然有好的細化作用，但燃燒產生P2O5有毒煙霧，污染環境。還有報道說其它含磷的化合物亦能起到變質的作用，但效果均不穩定。近年來，山東大學劉相法課題組研究發明了Al-P中間合金，變質效果穩定，得到的合金初晶Si較細小[9]。除了P之外，其他元素，如RE、As等亦能起到變質初晶Si的作用，但效果很弱，且有的變質元素有毒。

1.3 雙重變質

加P能使初晶Si得到有效細化，但不能細化共晶組織，如果能同時細化共晶組織，還能提高力學性能，這種變質就稱為“雙重變質”，對于含硅量在16wt.%以下的Al-Si合金，細化共晶組織，具有重要的意義。

Al-Si合金的拉伸強度受初晶Si形狀和尺寸影響較大，而延伸率則主要受共晶組織的影響。國內外學者對于Al-Si合金進行雙重變質的研究從未間斷[10]。初晶Si的細化元素主要是P，使共晶Si變質的元素則有 Na、Sr、K、S、Li、Ba、RE 等。 在雙重變質時常采用的復合變質劑多為含P和S；或含P和RE；或含P、S和RE的復合變質劑。

2 Al-Si合金的合金化處理

向Al-Si系合金中添加適當的合金化元素對合金進行合金化處理，可以形成有用的合金相，一些含Si合金相的形成，一方面改善了初晶Si粗大的形貌，另一方面由于合金相本身良好的性能等使得Al-Si系合金的應用范圍大大增加。下面簡單介紹兩種過渡族金屬元素Zr和Ti對Al-Si合金Si相的影響。

2.1 Zr在Al-Si合金中的存在形式

A1-Zr二元相圖鋁端的不變反應為包晶反應：液體+Al3Zr— Al固溶體，液體含0.11%Zr。Zr可在不過冷條件下成為鋁的結晶核心，且對鋁的再結晶有影響，可使鋁的再結晶溫度上升100K。當Zr以極細的沉淀物形式存在時，其效果最顯著，結晶時加以快冷，隨后在高溫下沉淀，可獲得細小而均勻分布的Al3Zr。

圖2 兩種形貌（針片狀，塊狀）的富Zr金屬間化合物[10]

二元Al-Zr合金中，Zr常常形成針片狀的ZrAl3相，然而在Al-Si合金中，由于Si元素的存在，Zr與Al的結合形式自然有所變化。據文獻報道：三元Al-Si-Zr合金中，可形成形貌和成分多樣的三元相，如（Al,Zr,Si）,Zr(Si1-xAlx)2,一般情況下，這些三元金屬間化合物呈現針片狀。通過特殊的制備工藝，可獲得塊狀的富Zr相，它們的出現大大改善了Si相的形貌，對合金的性能提高也極為有利[10]，如圖2所示。

2.2 Ti在Al-Si合金中存在形態

Ti在Al-Si合金中的存在形態和合金的Ti含量有關。在Al-Si共晶合金中，Ti含量變化引起的合金中TiAlSi相形貌的變化，可形成花瓣狀、針片狀，枝晶狀等三元金屬間化合物。

圖 3 Al-18Si-xTi合金的微觀組織：(a)x=2；(b)x=4；(c)x=5[11]

T.Gao[11]等人對Al-Si-Ti合金體系進行了充分的研究，他們發現，隨合金中各元素成分的變化，富Ti相也不同，如形成Ti(Al1-xSix)3,Ti7Al5Si12等。如Zr一樣，Ti也可和Si形成針片狀、塊狀的合金相。且這種合金相的形成，一定程度上可對初晶Si或共晶Si產生影響，達到類似“變質”Si的目的。圖3所示為Al-18Si-xTi合金中富Ti相的存在，其形貌多樣，且在Al-18Si-5Ti（圖3c）合金中初晶Si已經完全被塊狀三元相替代。

3 結語

對Al-Si合金進行變質、細化處理，控制Si相的形貌和分布對提高合金性能有直接的影響。如何針對不同的合金，快速高效地達到對初晶、共晶Si的變質是一個長久課題。且隨著科技的發展，損耗大、能源浪費大、環境污染的細化劑、變質劑將逐漸被淘汰，開發新型的變質劑或工藝方法是鑄鋁工作者應面臨的課題。從提高Al-Si合金性能的角度出發，合金化元素的存在形式及其對合金性能的影響規律仍需繼續研究，金屬間化合物的存在或可有利于開發新型復合材料。

［1］姜科,孫圣潔.Al-Si共晶合金的化學變質劑的概述[J].鋁加工,2009,4.

［2］黃佩武,黃新明,等.微量的Zr和Y在Al-Si合金中的合金化作用[J].湖南有色金屬,2006,10.

［3］許栩達,姜鋒,等.微量 Sc、Zr對 ZLl 09組織與性能的影響[J].鑄造,2008,57.

［4］張金山,許春香,韓富銀.中國有色金屬學報[J],2002,12(3)：107.

［5］張良明,孫國雄,廖恒成.鑄造[J],2001,50(11)：654.

［6］樂秀偉,王道胤,丁玉文,等.北京理工大學學報[J],1995,15(1),61.

［7］姜科,孫圣潔.Al-Si共晶合金的化學變質劑的概述[J].鋁加工,2009(4)：7-10.

［8］O.V.Presnyakova,O.G.Pivkina,A.Shinyaev[J].Metallofizika,1987,9(4)：34.

［9］劉相法,劉相俊,喬進國,邊秀房.鋁-磷中間合金及其制備方法[P].國家發明專利,申請號：02135920.2,公開號：1410565.

［10］T.Gao,X.Z.Zhu,Q.Q.Sun,X.F.Liu.Journal of Alloys and Compounds[J].2013,567：82-88.

［11］T.Gao,P.T.Li,Y.G.Li,X.F.Liu.Journal of Alloys and Compounds[J].2011,509：8013-8017.