鑄造過共晶鋁硅合金組織特性及變質處理探討

張 凱

(四川職業技術學院 建筑與環境工程系，四川 遂寧 629000)

過共晶鋁硅合金具有熱膨脹系數低、比強度高、導熱性好且耐磨性、耐蝕性、高溫強度均突出等優點，在航空航天工業、汽車工業、船舶工業等領域有著十分重要和廣泛的應用。但是，過共晶鋁硅合金在常規條件下其初晶硅的鑄造顯微組織多呈粗大板片、多角形以及星狀分布，其共晶硅則呈長針狀分布。這種內部組織構成在外力作用下會出現嚴重的應力集中而形成裂紋，并且割裂基體，使得鋁硅合金的力學性能顯著下降，粗大的初晶硅還會加劇合金在機械加工時的刀具磨損，特別是隨著合金中Si 含量的增多，合金的強韌性更是大大下降。因此，需要對過共晶鋁硅合金中的初晶硅和共晶硅進行變質細化處理以提高其性能[1]。

1 過共晶鋁硅合金的成分與組織特性

1.1 過共晶鋁硅合金的成分

由Al-Si 二元合金相圖可知，鋁硅合金是共晶系的合金，其共晶溫度約為5770C。在共晶點時合金中Si 的含量約為12.2wt.%，Si 在αAl固溶體中的溶解度約為1.65%。

應用在工業上的過共晶鋁硅合金的Si 含量一般在14～26wt.%范圍之間。按照合金中Si 的含量不同，通常將過共晶鋁硅合金分成三組：第一組含硅量為16～19wt.% ，第二組含硅量為20～23wt.%，第三組含硅量為24～26wt.%。其中，應用較廣泛的是第一組和第二組，如屬于第一組的中國的Al-Si18 型、美國的A390 型、英國的LM28 型，屬于第二組的德國的KS280 型、俄國的AK21 型；由于第三組含Si 量較高，使得合金脆性增大、鑄造性和切削加工性變差，因此工業上較少使用。為改善鋁硅合金合金性能，通常還要添加Mg、Cu、Mn、Ni、Re、Co、Zr、Cr、Ti、B 等合金元素[2,3]。

圖2 -1 Al-Si 二元合金相圖

表1 .1 部分過共晶鋁硅合金化學成分

1.2 過共晶鋁硅合金的組織特性

過共晶鋁硅合金的金相組織主要由初晶硅βSi和共晶體（αAl+βSi）構成，以及為提高性能而添加的合金元素在合金中形成的金屬間化合物強化相CuAl2、Mg2Si 和Al2(Si Cu)2RE 等。

初晶硅是金剛石型面心立方的晶格結構，密排面是雙層的{111}面，硅晶體結晶時沿著〈111〉晶向生長較慢，而在結晶前沿的液固界面處則有很多的生長臺階，使得晶體沿著與密排面垂直的〈112〉晶懸掛鍵多，晶粒擇優在這個方向快速生長，又由于受到溶體中雜質和能量等因素的影響，沿結晶前沿109.50形成孿晶的凹谷，從而形成片層狀，同時受雜質和能量波動的影響還會使結晶沿著與{111}面成70.50夾角進行[3]。因此，初晶硅的鑄造顯微組織呈粗大板片狀、多角形以及星狀分布，共晶硅呈現長針狀分布的特點[4,5,6]。

2 過共晶鋁硅合金的變質處理

變質處理是改善合金的組織形態從而優化其性能的一種有效方法，本文對鑄造過共晶鋁硅合金變質處理的機理和方法進行了如下探討。

2.1 過共晶鋁硅合金變質作用機理

2.1.1 初晶硅的變質作用機理

圖2 -2 粗大板片狀組織形態

圖2 -3 五瓣星狀初生硅組織形態

圖2 -4 多角形初生硅組織形態

圖2 -5 共晶硅針狀組織形態

初晶硅常用赤磷、含磷化合物或含磷合金等作為變質劑。早期的初晶硅采用約0.5wt%的赤磷進行細化變質處理，由于赤磷儲存和運輸不安全且變質處理時對環境污染大的缺點，已經被逐漸淘汰，取而代之的是采用含磷的化合物或合金添加劑進行變質處理[4]。初晶硅的變質機理通常有以下兩種觀點：一種是采用磷（P）、銻（Sb）做變質劑的異質核心變質機理。P 和Al 生成的化合物AlP 和Si 都屬于金剛石型面心立方晶格，它們的晶格常數分別是αAlp=0.545nm，αSi=0.542nm，再如Sb 和Al 生成AlSb，AlSb 和Si 也都屬于金剛石型面心立方晶格，當Si{110}與Al Sb{110}共格、Si{111}與AlSb{111}共格時，它們的晶格常數相差分別是11% 和8%，故兩者晶面間的界面能較低，αAlp和αAlSb均可以做為初晶硅的異質核心以增加晶核數目提高形核率，從而使初晶硅得到細化。另一種是采用鍶（Sr）、稀土等做變質劑的吸附毒化變質機理。硅晶體生長前沿的液固界面處的界面生長臺階很容易吸附Si 原子，并使晶體擇優性地沿著〈112〉晶向生長而形成片狀組織形態。當變質處理時，變質劑Sr 原子會優先吸附到界面生長臺階上，使界面產生鈍化，Si 原子就難于再在界面處沿著〈112〉晶向生長，從而阻斷了初晶硅的五瓣星形孿晶面凹槽生長并誘發出大量的孿晶，由于孿晶的多方向生長使得初晶硅的五瓣星形生長方式變成樹枝狀，晶粒組織得到了細化。稀土吸附毒化變質處理機理還在不斷探索和研究中。目前，稀土吸附的初晶硅變質處理機理共同的觀點是：稀土元素如La、Ce 等大量吸附在初晶硅的生長界面前沿表面上，一方面抑制了初晶硅的孿晶面凹槽生長，另一方面還改變了初晶硅的表面能和界面前沿的固/液界面能，這兩個因素的同時作用使過共晶鋁硅合金中的初晶硅 發生分支從而晶粒得到細化[1，7，8]。

2.1.2 共晶硅的變質作用機理

過共晶鋁硅合金的共晶硅不需要單獨成核，當采用P 等變質劑在細化初晶硅的同時也會間接地對共晶硅起到細化作用，因此其變質機理同初晶硅。只是單組分的變質劑對合金的組織形貌改變不大，其變質作用也甚微，通常采用P 和其它元素的多組分復合變質處理。當采用稀土元素變質時共晶硅的變質處理機理還在進一步探索中。干擾原子團理論認為，稀土元素使過共晶鋁硅合金液中Si-Si、Si-Al 原子團的結合力減弱，使Al-Al 原子團結合力增強，因此誘發了αAl相最先自發成核，在共晶結晶時αAl就最先析出并長大，這樣共晶硅的生長受到了阻礙，從而使合金晶粒得到細化[9，10]。

2.2 過共晶鋁硅合金變質處理工藝

2.2.1 初晶硅單組分變質處理工藝

通過對初晶硅變質處理機理分析，我們知道P、Sr、Sb、Na 等元素可以對過共晶鋁硅合金中初晶硅起到變質作用。第一種方法是向熔融的合金中加入適量的磷鹽、赤磷或銅-磷中間合金進行變質處理。不過，這種單組分變質處理方法具有環境污染嚴重、鋁消耗量大、反應廢渣多、爐襯腐蝕大等很多缺點。第二種方法是國內外普遍采用的鋁-磷中間合金做變質劑進行處理。這種方法可以克服p 單組分變質的各種缺點，而且工藝條件和工藝性能也得到明顯改善，不需要做過熱處理，只需要在7400C～8400C 溫度穩定變質，縮短熔煉時間，提高生產效率。第三種方法是添加稀土元素La、Ce、RE 等做變質劑進行處理。不過，采用稀土元素做變質處理時，要特別注意加入的方法和變質處理的冷卻條件、變質溫度等工藝條件的控制，否則變質效果會不明顯或者沒有效果[1 ，7]。

2.2.2 初晶硅復合變質處理工藝

采用復合變質是對過共晶鋁硅合金初晶硅變質處理的有效工藝方法。復合變質處理主要有P-C、P-Sr、P-Na、P-S、P-Be、Ce-Sr 和稀土等多種變質處理方法。在采用P-Na 變質處理時，添加有機化合物(C6H5)3PO4和C4H3O4PCl3，1.5wt.%的Cu-10wt.%P 和0.6wt.%的木炭粉進行處理；在采用PS 變質處理時，添加0.8wt.%Ce 和0.1wt.%Sr，變質孕育時間控制在30 分鐘，變質溫度控制在825℃左右；采用P-Na 變質處理時，添加0.67wt.%Cu3P和0.3wt.%Na2CO3，首先添加Cu3P 保溫15 分鐘，然后添加Na2CO3保溫5～15 分鐘；采用P-S 變質處理時，添加0.5wt.%S 和0.1wt.%P，首先用C2Cl6精煉合金，然后添加S 溫度控制在800℃靜置3 分鐘，最后添加P 靜置5 分鐘，溫度控制在800℃下進行澆注；采用Ce-Sr 變質處理時，添加0.8wt.%Ce 和0.1wt.%Sr，變質孕育時間控制在30 分鐘左右，變質溫度控制在825℃左右；采用變質處理時，可添加P 和混合稀土變質劑，對于Al-22wt.%Si 合金添加0.1wt.%P 和0.6wt.%稀土，P 的變質溫度控制在830℃，稀土的變質溫度控制在810℃[2，8，6]。

2.2.3 初晶硅的其它變質處理工藝

過共晶鋁硅合金初晶硅的變質處理除了添加變質劑進行處理外，還可以采用其它的一些工藝方法進行處理。第一種是電磁攪拌法，這種方法是通過電磁攪拌熔體，使得初晶硅的枝晶破碎或者斷裂，達到細化變質的作用；第二種是熔體預處理法，這種方法是通過低溫熔體與高溫熔體相混，讓熔體同時具有高溫熔體和低溫熔體的性質，從而達到對初晶硅起到變質細化的作用；第三種是快速凝固法，可以通過噴射沉積技術、流體霧化法、激光表面處理技術和懸浮熔煉法等進行快速凝固處理，使初生硅得到細化變質處理；第四種是超聲振動法，這種方法是在金屬的凝固前或者凝固中對金屬熔體施加高強度的超聲波，利用超聲波的空化和聲流作用使合金元素均勻分布，達到細化初生硅的作用[2，10]。

2.2.4 共晶硅變質處理工藝

對共晶硅變質處理主要有以下工藝方法：第一種是Na 變質處理法，添加0.005-0.01%Na 產生吸附毒化機制對初晶硅進行變質細化。需要注意30 分鐘后變質效果消退，這種方法缺點是容易產生偏析，對環境的污染較大；第二種是Sr 變質處理法，這是一種目前廣泛采用的方法；第三種是Sb 變質處理法，其變質效果不如Na、Sr，這種方法在工藝上要注意快速冷卻；第四種是稀土元素變質處理法，這種方法處理時同樣也要注意稀土的加入方式和變質處理的工藝條件[3]。

3 結論

過共晶鋁硅合金初晶硅的顯微組織呈粗大板片狀、多角形以及星狀分布，共晶硅呈現長針狀分布，這樣的組織特征使得合金的機械力學性能顯著降低，合金對刀具的磨損也加劇。通過變質處理，可改善過共晶鋁硅合金的組織形態進而提高其性能。主要方法是通過異質核心變質機制和吸附毒化變質機制添加變質劑進行變質細化，另外就是通過電磁攪拌、熔體預處理、快速凝固和超聲波等方法也能進行變質細化，通過這樣的變質處理能夠顯著提高過共晶鋁硅合金的機械力學性能和化學耐蝕性能。