亚共晶Al-Si合金的Sr变质处理工艺

2011-07-25张应稳

有色金属加工 2011年6期

闫洪，张应稳

(昆明冶金研究院，云南昆明650031)

铝及其合金是有色金属中品种最多、用量仅次于钢铁的金属材料，铸造铝合金以其良好的力学性能(较高的比强度和比刚度)和优良的铸造性能，已成为制造行业中最受重视的结构材料之一。随着现代工业的发展，铝合金的应用越来越广泛，特别是Al-Si合金以其美观、质轻、耐腐蚀等特点而受到人们的青睐。因此，Al-Si 合金被广泛应用于汽车、造船、航空、航天和其它应用领域中，是一种很有发展前途的合金。但是，未变质处理的Al-Si铸态合金组织中的α-Al相呈粗大枝晶，而共晶硅是针片状，严重割裂了铝基体，在硅相的尖端和菱角处引起应力集中，容易沿晶粒边界处或针片状硅本体形成裂纹，使合金变脆，从而失去应用价值，所以，在工业生产中必须对Al-Si合金进行变质处理，改变组织形态，减少其对合金组织的削弱作用，从而提高Al-Si合金的力学性能和加工性能[1，2]。铝合金在用Na进行变质处理时，由于变质温度与钠的沸点接近，Na液容易沸腾，产生飞溅，操作也不安全，其次，Na的密度小，富集在铝液表面而使上部铝液变质过度，底部铝液变质不足，变质效果不稳定，且金属Na或Na盐变质有效时间短，变质衰退快，重熔会失效，加之在变质处理过程中易挥发有毒气体，危害人体，腐蚀设备，污染环境，故在生产实践中很少使用。而Sr是以Al-Sr中间合金的形式加入，不但有Na那样的变质效果，而且长效，操作方便。对此，本文进行了Al-Si合金Sr变质处理工艺的研究，改善合金的显微组织，为其应用提供参考。

1 试验条件及方法

1.1 Al-Si合金的熔炼制备工艺

用结晶硅和工业铝锭配制Al-Si合金，在坩埚电阻炉中将铝锭熔化并加入硅，熔化后搅拌均匀，静置，浇铸成Al-Si合金，进行自然冷却，熔炼合金的工艺流程为：

1.2 Al-Si合金的锶变质处理工艺

将制备的Al-Si合金锭放入坩埚中，再置于坩埚电阻炉中进行熔炼，待Al-Si合金全部熔化后于预定温度通过中间合金(Al-10%Sr)向Al-Si合金加入变质元素Sr，待中间合金完全熔化后，搅拌铝熔体，使加入的变质元素Sr在熔体中分布均匀，对处理后的合金熔体精炼、扒渣、静置一段时间后，浇入已经预热的金属模中，制得变质处理后的Al-Si合金锭，变质处理的工艺流程为：

经测试分析，由上述工艺制备的合金的化学成分见表1。

表1 合金的化学成分(%)

2 试验结果和分析

2.1 合金的金相组织

Al-Si合金的显微组织用金相显微镜观察，图1为未变质铸态合金的显微组织，图中可以看出，硅相为针片状，α-Al枝晶也十分粗大。图2为变质试验中锶加入量为0.018%时亚共晶体Al-Si合金的金相组织，经变质处理后，铝枝晶和硅相发生了变化，铝枝晶由粗大的枝晶状转化成颗粒状，Al-Si合金的硅从针片状转变为细小的纤维状。

图1 未变质Al-Si合金的显微组织 200×

图2 锶变质Al-Si合金的显微组织 200×

变质处理能够改善共晶硅的形态，细化α铝枝晶，锶的加入在限制共晶硅相生长的同时，又增强了共晶凝固时α相的形核和生长能力，变质后共晶硅的生长受到周围α(Al)相的限制，只能沿轴向生长，最终导致纤维状硅的产生。另外，锶原子因吸附在硅的表面阻碍硅的生长[3]。

2.2 力学性能

用电子万能材料试验机测试合金的抗拉强度σb和伸长率δ5，布氏硬度值HB的测定采用布氏硬度计进行，测试结果见表2。

表2 合金的力学性能

表2列出了未变质与锶变质Al-Si合金的铸态力学性能，由表2可以看出，变质合金的力学性能比未变质合金有所提高，其中，σb提高了23MPa，δ5提高2.9%，硬度HB略有增加。Al-Si合金的力学性能与组织中共晶硅和α-Al相的形态密切相关，合金在未变质时，共晶硅以针片状出现，严重割裂基体，产生应力集中，使合金的力学性能下降。变质改变了共晶硅的形貌，使共晶硅由针片状变为纤维状；同时，α-Al相变细，从而改善合金的强韧性。