A l-S i合金凝固组织与S i相变质综述

高 庆（兖州煤业物资供应中心 金属材料科，山东 邹城273500）

0 引言

Al-Si合金具有良好的铸造性能，如收缩率小、流动性好、气密性好和热裂倾向低等。因此Al-Si系合金被广泛应用于建筑、汽车等行业。二元Al-Si合金中，随Si含量的增加，组织中共晶体的数量逐渐增加，合金的流动性也显著提高。由Al-Si合金的相图（图1所示）看出，Al-Si合金的共晶点在Si含量约12.6%处，然而由于Si的结晶潜热较高，即使在Si含量增至20-22%时，合金仍然具有良好的铸造性能。工业上常见的Al-Si合金为近共晶或过共晶合金。

Al-Si共晶合金未变质时，共晶硅呈粗大的针片状分布在基体中，降低了合金的力学性能（特别是塑性和韧性）和机加工性能，因此必须改善合金的组织结构，即对合金中的共晶硅进行变质处理，改变其共晶硅形态，进而提高合金的强度、伸长率、耐磨性等性能。目前常用的工艺方法有激冷变质法、振动变质法、温度处理变质法、化学变质剂进行变质等，其中采用化学变质剂进行变质处理，促使片状共晶硅转变为珊瑚状的方法应用最广泛[1]。

对于过共晶Al-Si合金，合金中初晶Si多呈现粗大的多角形块状或板状，割裂基体，使得合金的机械性能很低，故而对初晶Si同样需要进行变质处理。最常用的变质方法为：通过加P（磷）对初晶Si进行变质处理。

除了以上传统的变质方法，添加合金化元素亦可以对Al-Si合金起到变质效果[2]。如，Zr可以使Al-Si合金的初晶Si和共晶Si以及枝晶细化，合金的脆性减小，韧性提高，强度和硬度也得到很大程度的提高[2-3]。

图1 Al-Si合金二元相图

1 Al-Si合金的变质处理

表1 Al-Si合金常用变质剂种类及变质效果

Al-Si合金的细化和变质对象包括α固溶体、共晶体和初晶Si三个部分。共晶Al-Si合金中的共晶Si呈针片状分布在铝基体上，当Al-Si合金中Si含量超过共晶成分时，在组织中又会出现多角形状的初晶Si，降低合金的塑性。故而对Al-Si系共晶和过共晶合金，既要强调共晶体(α+Si）的变质处理，又要对初晶Si细化处理[1]。常见的变质剂种类以及效果见表1[4-6]。

1.1 共晶体的变质

共晶成分的Al-Si合金组织，通过加Na或Na盐变质处理，由原来的粗片状共晶体（α+Si）基体上分布着少量多角形初晶Si的组织，变为由树枝状的α固溶体和（α+Si）共晶体组成的亚共晶组织，共晶体中的Si也变为珊瑚状。由于组织的显著变化，合金的室温机械性能热别是伸长率得到很大的提高，切削加工性能也有明显改善[7]。

1.2 初晶Si的变质

长期以来，铸铝工作者发现采用高压铸造法、低温铸造法、急冷法[8]等对初晶Si的细化都能取得一定的效果。但效果最好的还是向合金中添加变质元素，其中主要的变质元素是P。最早使用的赤磷，虽然有好的细化作用，但燃烧产生P2O5有毒烟雾，污染环境。还有报道说其它含磷的化合物亦能起到变质的作用，但效果均不稳定。近年来，山东大学刘相法课题组研究发明了Al-P中间合金，变质效果稳定，得到的合金初晶Si较细小[9]。除了P之外，其他元素，如RE、As等亦能起到变质初晶Si的作用，但效果很弱，且有的变质元素有毒。

1.3 双重变质

加P能使初晶Si得到有效细化，但不能细化共晶组织，如果能同时细化共晶组织，还能提高力学性能，这种变质就称为“双重变质”，对于含硅量在16wt.%以下的Al-Si合金，细化共晶组织，具有重要的意义。

Al-Si合金的拉伸强度受初晶Si形状和尺寸影响较大，而延伸率则主要受共晶组织的影响。国内外学者对于Al-Si合金进行双重变质的研究从未间断[10]。初晶Si的细化元素主要是P，使共晶Si变质的元素则有 Na、Sr、K、S、Li、Ba、RE 等。 在双重变质时常采用的复合变质剂多为含P和S；或含P和RE；或含P、S和RE的复合变质剂。

2 Al-Si合金的合金化处理

向Al-Si系合金中添加适当的合金化元素对合金进行合金化处理，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系合金的应用范围大大增加。下面简单介绍两种过渡族金属元素Zr和Ti对Al-Si合金Si相的影响。

2.1 Zr在Al-Si合金中的存在形式

A1-Zr二元相图铝端的不变反应为包晶反应：液体+Al3Zr— Al固溶体，液体含0.11%Zr。Zr可在不过冷条件下成为铝的结晶核心，且对铝的再结晶有影响，可使铝的再结晶温度上升100K。当Zr以极细的沉淀物形式存在时，其效果最显著，结晶时加以快冷，随后在高温下沉淀，可获得细小而均匀分布的Al3Zr。

图2 两种形貌（针片状，块状）的富Zr金属间化合物[10]

二元Al-Zr合金中，Zr常常形成针片状的ZrAl3相，然而在Al-Si合金中，由于Si元素的存在，Zr与Al的结合形式自然有所变化。据文献报道：三元Al-Si-Zr合金中，可形成形貌和成分多样的三元相，如（Al,Zr,Si）,Zr(Si1-xAlx)2,一般情况下，这些三元金属间化合物呈现针片状。通过特殊的制备工艺，可获得块状的富Zr相，它们的出现大大改善了Si相的形貌，对合金的性能提高也极为有利[10]，如图2所示。

2.2 Ti在Al-Si合金中存在形态

Ti在Al-Si合金中的存在形态和合金的Ti含量有关。在Al-Si共晶合金中，Ti含量变化引起的合金中TiAlSi相形貌的变化，可形成花瓣状、针片状，枝晶状等三元金属间化合物。

图 3 Al-18Si-xTi合金的微观组织：(a)x=2；(b)x=4；(c)x=5[11]

T.Gao[11]等人对Al-Si-Ti合金体系进行了充分的研究，他们发现，随合金中各元素成分的变化，富Ti相也不同，如形成Ti(Al1-xSix)3,Ti7Al5Si12等。如Zr一样，Ti也可和Si形成针片状、块状的合金相。且这种合金相的形成，一定程度上可对初晶Si或共晶Si产生影响，达到类似“变质”Si的目的。图3所示为Al-18Si-xTi合金中富Ti相的存在，其形貌多样，且在Al-18Si-5Ti（图3c）合金中初晶Si已经完全被块状三元相替代。

3 结语

对Al-Si合金进行变质、细化处理，控制Si相的形貌和分布对提高合金性能有直接的影响。如何针对不同的合金，快速高效地达到对初晶、共晶Si的变质是一个长久课题。且随着科技的发展，损耗大、能源浪费大、环境污染的细化剂、变质剂将逐渐被淘汰，开发新型的变质剂或工艺方法是铸铝工作者应面临的课题。从提高Al-Si合金性能的角度出发，合金化元素的存在形式及其对合金性能的影响规律仍需继续研究，金属间化合物的存在或可有利于开发新型复合材料。

［1］姜科,孙圣洁.Al-Si共晶合金的化学变质剂的概述[J].铝加工,2009,4.

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

［3］许栩达,姜锋,等.微量 Sc、Zr对 ZLl 09组织与性能的影响[J].铸造,2008,57.

［4］张金山,许春香,韩富银.中国有色金属学报[J],2002,12(3)：107.

［5］张良明,孙国雄,廖恒成.铸造[J],2001,50(11)：654.

［6］乐秀伟,王道胤,丁玉文,等.北京理工大学学报[J],1995,15(1),61.

［7］姜科,孙圣洁.Al-Si共晶合金的化学变质剂的概述[J].铝加工,2009(4)：7-10.

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

［9］刘相法,刘相俊,乔进国,边秀房.铝-磷中间合金及其制备方法[P].国家发明专利,申请号：02135920.2,公开号：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.