提高Al-Si合金性能的主要处理措施探究

马晓涛

(宁夏机械研究院有限责任公司 宁夏 银川 750021)

0 引言

铝的密度小、塑性好，具有优良的导电性和导热性，表面有致密的氧化膜保护，抗腐蚀性好，而且回收成本低，是一种可持续发展的有色金属。在纯铝中，加入其它金属或非金属元素，能配制成各种可供压力加工或铸造用的铝合金。

1 Ai-Si 合金的变质处理

1.1 Al-Si 合金共晶体的变质

共晶成分的合金组织，通过加Na、Sr 及Sb 等变质处理，使共晶硅由原来的粗片状变为珊瑚状。 由于组织显著变化，合金的室温力学性能特别是伸长率得到很大的提高，切削加工性能也有明显改善。 近些年来， 运用现代测试技术的观察结果， 对Na 变质机理提出了两种理论：Si 晶粒的成长受抑制理论和Si 晶核的生成受到抑制理论。

1.2 Al-Si 合金初晶硅的变质

Al-Si 合金随着含硅量的增加，虽然铸造性能得到改善，但组织中出现针片状的共晶硅。因此，Al-Si 合金当含硅量高于6-8%时，必须进行变质处理。当含硅量超过共晶成分（12.6%）后，组织中出现粗大的多角形板状初晶硅，在Si 相尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界处，或者板状硅本身开裂处而形成裂纹，使合金变脆，力学性能特别是伸长率显著降低。

1.3 双重变质

加磷能有效细化初晶硅，但不能细化共晶组织，如果能同时细化共晶组织，则还能提高力学性能，尤其是伸长率。 这种变质就称为“双重变质”，对于含硅量是在16%以下的合金，细化共晶组织，具有重要意义。

Al-Si 合金的拉伸强度主要受合金中初晶硅的尺寸和形状的影响，而延伸率主要受合金中共晶组织的影响。 根据过共晶Al-Si 合金初晶硅、共晶硅的变质机理的不同，人们对Al-Si 合金进行共晶、初晶双重变质的研究方兴未艾，以期进一步提高其力学性能，扩大其使用范围。 初晶硅的细化剂主要是P，使共晶硅变质的元素主要有Na、K、Li、Cd、Ba、In、La、Ti、Bi、S、Te、Se、Se、Sr 和RE 等。

1.4 影响P 变质效果的工艺因素

1.4.1 最佳含P 量：细化初晶硅一般都有一个最佳含P 量。低于此值，变质不足，高于此值则产生“过变质”，初晶硅会逐渐变粗，一般认为，最佳残留含P 量为0.001-0.05%。 由于P 的精确取样和分析存在误差，控制范围又比较宽，通常按加入量进行控制，公认的P 加入量为合金重量的0.1%，这个数字和变质剂的种类以及许多任务及因素（变质温度、浇注温度、凝固速度、孕育时间等）有关，应通过试验予以适当调整。

1.4.2 变质温度： 初晶硅的异质结晶核心AlP 熔点高达1000℃以上，如果变质温度过低，AlP 会在Al 液中凝聚成团，随温度的下降逐渐失去变质作用。提高变质温度能使AlP 质点细化，分布均匀，改善变质效果。一般情况下，熔炼变质温度高于合金液相线150℃时已有明显的变质效果，继续升高温度己没有必要，相反只会增加合金吸气和产生氧化夹杂。

对过共晶Al-Si 合金而言，有学者提出临界（最低）变质温度与含硅量有关， 得出公式T （℃）=23×WSi+375, 其中WSi为Al-Si 合金含硅量。 例如，Si=20%时，其临界（最低）变质处理温度为23×20+357=817℃。 可以看出：变质处理的温度与Al-Si 合金的含硅量密切相关，含硅量越高，变质处理温度相应提高。

1.4.3 变质处理和精炼的配合：经变质后的Al 液在高温（850℃）下长时间（3-5h）静置，变质效果会逐渐消失，但用六抓乙烷精炼后，可重新出现良好的变质效果，这并不是六氯乙烷本身具有变质作用，而是消除了气体和氧化夹杂的结果，可见气体和氧化夹杂不但影响合金的质量，而且影响AlP 的变质效果；一般认为气体和氧化夹杂使AlP 钝化，部分甚至完全地失去变质效果。 因此变质前后都要用六氯乙烷。 当用于金属型铸造或压铸时，要长期保温，可进行多次精炼，以保持变质效果。

1.4.4 浇注温度的选择：通常，为了避免针孔、疏松等铸造缺陷，在保证充型的前提下，应选择尽量低的浇注温度，但对经变质处理的过共晶Al-Si 合金还必须考虑变质温度过低会影响变质效果。 试验表明，浇注温度过低，AlP 开始凝聚成团，失去变质效果，一般要求保持在液相线温度以上70-100℃。

2 减少合金中的有害杂质

2.1 杂质Fe 的有害作用和消除方法

Fe 是Al-Si 合金中的主要杂质，它主要来自炉料、增塌和熔炼工具。在铸造Al-Si 合金中，Fe 常以β（AlSiFe）铁相出现。β 铁相硬而脆，往往以粗大的针状穿过α-Al 晶粒，大大削弱了基体，降低了合金的力学性能，尤其是伸长率和冲击值。

Fe 一般在Al-Si 活塞合金中被视为降低合金力学性能的杂质元素，富铁相的形貌变化与合金成分密切相关。 Fe 以针状存在时降低合金的室温力学性能，但以汉字状或鱼骨状存在时，可以提高合金的高温强度。高温处理（熔体过热到900℃以上）可以改善富铁相的影响，这与我国活塞行业当前对富铁相作用的了解以及所采取的控制富铁相形貌的措施全然不同。为了消除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 的来源广，价格便宜，在工业生产上得到了广泛的应用。加入这些元素的作用是使粗大针状β 铁相变成新的复杂多元化合物（例如AlSiMnFe 相），消除了原有针状铁相削弱基体的有害作用。 但是Mn 量加入不宜过多，否则将形成粗大脆性化合物，降低合金的力学性能。

2.2 Ca 元素的影响

杂质Ca 大多是由原材料 （结晶Si） 带入合金中的， 以硅化钙（Ca2Si、CaSi、CaSi2）、氮化钙、磷化钙等化合物形式出现的。当合金中杂质Ca 较多时，会使合金熔体流动性变差，容易吸气和发生微观针孔或缩松，并产生偏析性硬脆化合物，严重时将使铸件废品率明显升高。所以，若用含Ca 量过多的低牌号结晶Si 时，较难获得高质量铸件。

3 Al-Si 合金的合金化

绝大多数内燃机活塞都采用具有低膨胀系数的共晶和过共晶Al-Si 合金铸造，只是因为这类合金能提供最好的综合性能，为提高活塞合金的综合性能， 在Al-Si 合金中加入Mg、Cu、Ni、Ti、Mn 及其他强化元素可组成多元合金，而且工业生产中还不可避免的含有杂质元素Fe。 这些元素一方面能不同程度地溶入α 固溶体中，使固溶体结构复杂，提高合金的强度：更为重要的是，它们在合金中生成Mg2Si、CuAl2、Al2CuMg 等化合物。 它们在α 固溶体中的溶解度随温度的下降而降低，经淬火（固溶化）和时效处理后，使合金的力学性能大大提高。这些化合物相通常称为“强化相”。

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