亞共晶Al-Si合金的Sr變質(zhì)處理工藝

閆 洪，張應(yīng)穩(wěn)

(昆明冶金研究院，云南 昆明650031)

鋁及其合金是有色金屬中品種最多、用量?jī)H次于鋼鐵的金屬材料，鑄造鋁合金以其良好的力學(xué)性能(較高的比強(qiáng)度和比剛度)和優(yōu)良的鑄造性能，已成為制造行業(yè)中最受重視的結(jié)構(gòu)材料之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用越來越廣泛，特別是Al-Si合金以其美觀、質(zhì)輕、耐腐蝕等特點(diǎn)而受到人們的青睞。因此，Al-Si 合金被廣泛應(yīng)用于汽車、造船、航空、航天和其它應(yīng)用領(lǐng)域中，是一種很有發(fā)展前途的合金。但是，未變質(zhì)處理的Al-Si鑄態(tài)合金組織中的α-Al相呈粗大枝晶，而共晶硅是針片狀，嚴(yán)重割裂了鋁基體，在硅相的尖端和菱角處引起應(yīng)力集中，容易沿晶粒邊界處或針片狀硅本體形成裂紋，使合金變脆，從而失去應(yīng)用價(jià)值，所以，在工業(yè)生產(chǎn)中必須對(duì)Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，改變組織形態(tài)，減少其對(duì)合金組織的削弱作用，從而提高Al-Si合金的力學(xué)性能和加工性能[1，2]。鋁合金在用Na進(jìn)行變質(zhì)處理時(shí)，由于變質(zhì)溫度與鈉的沸點(diǎn)接近，Na液容易沸騰，產(chǎn)生飛濺，操作也不安全，其次，Na的密度小，富集在鋁液表面而使上部鋁液變質(zhì)過度，底部鋁液變質(zhì)不足，變質(zhì)效果不穩(wěn)定，且金屬Na或Na鹽變質(zhì)有效時(shí)間短，變質(zhì)衰退快，重熔會(huì)失效，加之在變質(zhì)處理過程中易揮發(fā)有毒氣體，危害人體，腐蝕設(shè)備，污染環(huán)境，故在生產(chǎn)實(shí)踐中很少使用。而Sr是以Al-Sr中間合金的形式加入，不但有Na那樣的變質(zhì)效果，而且長(zhǎng)效，操作方便。對(duì)此，本文進(jìn)行了Al-Si合金Sr變質(zhì)處理工藝的研究，改善合金的顯微組織，為其應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 Al-Si合金的熔煉制備工藝

用結(jié)晶硅和工業(yè)鋁錠配制Al-Si合金，在坩堝電阻爐中將鋁錠熔化并加入硅，熔化后攪拌均勻，靜置，澆鑄成Al-Si合金，進(jìn)行自然冷卻，熔煉合金的工藝流程為：

1.2 Al-Si合金的鍶變質(zhì)處理工藝

將制備的Al-Si合金錠放入坩堝中，再置于坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，待Al-Si合金全部熔化后于預(yù)定溫度通過中間合金(Al-10%Sr)向Al-Si合金加入變質(zhì)元素Sr，待中間合金完全熔化后，攪拌鋁熔體，使加入的變質(zhì)元素Sr在熔體中分布均勻，對(duì)處理后的合金熔體精煉、扒渣、靜置一段時(shí)間后，澆入已經(jīng)預(yù)熱的金屬模中，制得變質(zhì)處理后的Al-Si合金錠，變質(zhì)處理的工藝流程為：

經(jīng)測(cè)試分析，由上述工藝制備的合金的化學(xué)成分見表1。

表1 合金的化學(xué)成分(%)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 合金的金相組織

Al-Si合金的顯微組織用金相顯微鏡觀察，圖1為未變質(zhì)鑄態(tài)合金的顯微組織，圖中可以看出，硅相為針片狀，α-Al枝晶也十分粗大。圖2為變質(zhì)試驗(yàn)中鍶加入量為0.018%時(shí)亞共晶體Al-Si合金的金相組織，經(jīng)變質(zhì)處理后，鋁枝晶和硅相發(fā)生了變化，鋁枝晶由粗大的枝晶狀轉(zhuǎn)化成顆粒狀，Al-Si合金的硅從針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀。

圖1 未變質(zhì)Al-Si合金的顯微組織 200×

圖2 鍶變質(zhì)Al-Si合金的顯微組織 200×

變質(zhì)處理能夠改善共晶硅的形態(tài)，細(xì)化α鋁枝晶，鍶的加入在限制共晶硅相生長(zhǎng)的同時(shí)，又增強(qiáng)了共晶凝固時(shí)α相的形核和生長(zhǎng)能力，變質(zhì)后共晶硅的生長(zhǎng)受到周圍α(Al)相的限制，只能沿軸向生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致纖維狀硅的產(chǎn)生。另外，鍶原子因吸附在硅的表面阻礙硅的生長(zhǎng)[3]。

2.2 力學(xué)性能

用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的抗拉強(qiáng)度σb和伸長(zhǎng)率δ5，布氏硬度值HB的測(cè)定采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 合金的力學(xué)性能

表2列出了未變質(zhì)與鍶變質(zhì)Al-Si合金的鑄態(tài)力學(xué)性能，由表2可以看出，變質(zhì)合金的力學(xué)性能比未變質(zhì)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合金的力學(xué)性能與組織中共晶硅和α-Al相的形態(tài)密切相關(guān)，合金在未變質(zhì)時(shí)，共晶硅以針片狀出現(xiàn)，嚴(yán)重割裂基體，產(chǎn)生應(yīng)力集中，使合金的力學(xué)性能下降。變質(zhì)改變了共晶硅的形貌，使共晶硅由針片狀變?yōu)槔w維狀；同時(shí)，α-Al相變細(xì)，從而改善合金的強(qiáng)韌性。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)Al-Sr中間合金能將鑄造亞共晶體Al-Si合金中的硅相從針片狀轉(zhuǎn)化為纖維狀，鋁相也得到細(xì)化；

(2)Sr變質(zhì)能有效提高Al-Si合金的力學(xué)性能。

[1] 彭晉民，錢翰城。鑄態(tài)Al-Si合金的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]， 鑄造技術(shù)，2000，(6)：32～34

[2] 盧紹龍，馬幼平。過共晶Al-Si合金變質(zhì)處理進(jìn)展[J]， 輕合金加工技術(shù)，2009，37(8)：5～8

[3] 董光明，孫國(guó)雄，廖恒成。鍶在鑄造鋁硅合金中的變質(zhì)行為[J]，特種鑄造及有色合金。2005，25(3)：146～149