Al-Sr（10%）合金變質劑試制及應用

于勇衡，李守華

鋁鍶合金興起于20世紀70年代，廣泛應用于20世紀80年代，是公認的鋁硅系列亞共晶鋁硅合金和共晶鋁硅合金最理想的變質劑。我國在鋁鍶合金生產、應用上遠遠落后于發達國家，近幾年來，國內汽車工業和加工業的發展逐步提出了對鋁鍶合金變質劑的需求。Al-Sr合金作為鑄造鋁合金的優良變質劑，可以改善合金的綜合性能及流動性，使其具有更好的鑄造性能，使用效果良好。目前國內使用Al-Sr（10%）合金主要用于輪轂鋁合金的變質處理等，國外近幾年已將鋁鍶合金用于飛機制造，大大提高合金性能，且重量減輕30%。

本研究探討把純鍶加入鋁液中直接制取鋁鍶（10%）合金的主要工藝參數，包括加鍶溫度、鑄造溫度、靜置時間等技術參數，在實驗室生產中實現了鋁鍶合金燒損降到5%以下，鍶的吸收率達到80%以上的較好試驗效果。生產的Al-Sr合金變質處理后的A356.2合金，力學性能和金相組織完全達到了用戶使用要求。

1 鋁鍶合金試制分析

試制設備采用坩堝電爐，原料有：工業純鋁（Al 99.7%）、工業純鍶（Sr 99.5%）。

鑄造行業中鍶用作鋁硅合金的變質劑，生產中大多數以Al-Sr中間合金或Al-Sr-X三元合金的形式加入鋁液中［1］。鍶為面心立方結構，在鋁中溶解度甚微，鋁和鍶組成3種金屬間化合物，即AlSr、Al2Sr和Al4Sr。Al-Sr系中存在兩個低熔點共晶組織，其一為AlSr與Sr組成的共晶體，鍶量為90%，共晶溫度約為585℃，增加或降低鍶量皆會引起Al-Sr體系液相線溫度急劇升高；Al4Sr與Al組成另一組共晶體，鍶量為3.2%，共晶溫度為654℃。其他含鍶20%～60%的Al-Sr合金，熔點皆甚高，實際生產中難以應用。因此選定Al-Sr（10%）合金作為研究對象。

根據Al-Sr二元合金相圖，Al-Sr（10%）合金的液相線溫度在770℃左右，因此加鍶時的鋁液溫度應控制在850～900℃之間，鑄造溫度應控制在790～820℃之間。金屬鍶是十分活潑的堿性金屬，化學活性高（基本物理參數見表1），遇鋁液后即發生劇烈反應，引起燃燒。而且鍶元素在鋁液中隨著鋁熔體保溫時間的延續而不斷減少，是氧化反應的結果。

表1 鍶的基本物理參數［1-2］

鍶的氧化模式為［Sr］+［O］→（SrO），鍶的氧化速度可用下式表示：

式中：C［Sr］為某一時刻熔體中的鍶濃度；C［O］為同一時刻熔體中的氧濃度；k為反應速度常數，是溫度和組元的函數。因此靜置時間不能過長，應控制在2～3 min之內。

2 鋁鍶合金熔煉試制

將稱量好的工業純鋁加入坩堝爐中熔化，在850～950℃之間保溫。用鋁箔包裹好稱量好的純鍶，使用鐘罩快速把鍶壓入鋁液中。待反應結束后取出鐘罩，用工具攪勻合金液，靜置2～3 min后澆鑄樣品。試制過程工藝參數及試制結果見表2。

3 應用效果

應用第2次試制的Al-Sr（10%）合金樣品對A356.2合金進行了變質處理，并與某廠Al-Sr（10%）合金產品的變質處理效果進行了對比。

表2 Al-Sr合金熔煉工藝參數及結果

3.1 金相組織

變質處理前后A356.2合金的金相組織及某廠Al-Sr合金變質后的金相組織見圖1。變質前A356.2合金基體組織為白色的α（Al）固溶體和灰色針狀、片狀的共晶體Si（見圖1a）；兩種鋁鍶合金變質處理后，A356.2合金基體組織都為呈細小圓形質點的共晶體Si，即纖維狀的共晶組織，還有呈樹枝狀結晶的初生α（Al）固熔體（見圖1b、圖1c）。即鑄態硅相都呈細小纖維狀，分布在細小鋁枝晶周圍，保證了Mg2Si相強化基體的作用及鋁基體塑性的充分發揮，從而提高了合金的力學性能。因此，試制Al-Sr（10%）合金從金相組織分析達到了預期的變質效果。

3.2 力學性能

目前，輪轂業中對原料A356.2合金的抗拉強度一般要求是≥140 MPa［3］，布氏硬度≥50 HB。A356.2合金經試制Al-Sr合金變質處理后平均抗拉強度161.0 MPa，平均硬度55.6 HB。完全滿足用戶使用要求。

4 結語

采用加鍶溫度890℃、靜置時間不超過3 min、鑄造溫度815～825℃的工藝參數，可以熔煉出結果滿意的Al-Sr（10%）中間合金，鍶的吸收率達到80.02%，合金燒損僅為4.4%。試制Al-Sr（10%）合金完全滿足A356.2合金的變質需要，完全達到市場產品的變質效果。今后準備把制得的合金通過擠壓制成桿狀、絲狀、塊狀等規格，用于高端合金產品的穩定變質處理。

參考文獻：

［1］ 虞覺奇.二元合金狀態圖集［M］.上海：上海科技出版社，1987.

［2］ 李振寰.元素性質數據手冊［M］.石家莊：河北人民出版社，1985.

［3］ 姜兆夢，藍民國，定能續.電解鋁鍶合金變質劑及其應用［J］.汽車工藝及材料，1992（8）：11-14.