提高Al-Si合金性能的主要處理措施探究

馬曉濤

(寧夏機(jī)械研究院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750021)

0 引言

鋁的密度小、塑性好，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，表面有致密的氧化膜保護(hù)，抗腐蝕性好，而且回收成本低，是一種可持續(xù)發(fā)展的有色金屬。在純鋁中，加入其它金屬或非金屬元素，能配制成各種可供壓力加工或鑄造用的鋁合金。

1 Ai-Si 合金的變質(zhì)處理

1.1 Al-Si 合金共晶體的變質(zhì)

共晶成分的合金組織，通過(guò)加Na、Sr 及Sb 等變質(zhì)處理，使共晶硅由原來(lái)的粗片狀變?yōu)樯汉鳡睢?由于組織顯著變化，合金的室溫力學(xué)性能特別是伸長(zhǎng)率得到很大的提高，切削加工性能也有明顯改善。 近些年來(lái)， 運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的觀察結(jié)果， 對(duì)Na 變質(zhì)機(jī)理提出了兩種理論：Si 晶粒的成長(zhǎng)受抑制理論和Si 晶核的生成受到抑制理論。

1.2 Al-Si 合金初晶硅的變質(zhì)

Al-Si 合金隨著含硅量的增加，雖然鑄造性能得到改善，但組織中出現(xiàn)針片狀的共晶硅。因此，Al-Si 合金當(dāng)含硅量高于6-8%時(shí)，必須進(jìn)行變質(zhì)處理。當(dāng)含硅量超過(guò)共晶成分（12.6%）后，組織中出現(xiàn)粗大的多角形板狀初晶硅，在Si 相尖端和棱角處引起應(yīng)力集中，合金容易沿晶粒的邊界處，或者板狀硅本身開(kāi)裂處而形成裂紋，使合金變脆，力學(xué)性能特別是伸長(zhǎng)率顯著降低。

1.3 雙重變質(zhì)

加磷能有效細(xì)化初晶硅，但不能細(xì)化共晶組織，如果能同時(shí)細(xì)化共晶組織，則還能提高力學(xué)性能，尤其是伸長(zhǎng)率。 這種變質(zhì)就稱為“雙重變質(zhì)”，對(duì)于含硅量是在16%以下的合金，細(xì)化共晶組織，具有重要意義。

Al-Si 合金的拉伸強(qiáng)度主要受合金中初晶硅的尺寸和形狀的影響，而延伸率主要受合金中共晶組織的影響。 根據(jù)過(guò)共晶Al-Si 合金初晶硅、共晶硅的變質(zhì)機(jī)理的不同，人們對(duì)Al-Si 合金進(jìn)行共晶、初晶雙重變質(zhì)的研究方興未艾，以期進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，擴(kuò)大其使用范圍。 初晶硅的細(xì)化劑主要是P，使共晶硅變質(zhì)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 影響P 變質(zhì)效果的工藝因素

1.4.1 最佳含P 量：細(xì)化初晶硅一般都有一個(gè)最佳含P 量。低于此值，變質(zhì)不足，高于此值則產(chǎn)生“過(guò)變質(zhì)”，初晶硅會(huì)逐漸變粗，一般認(rèn)為，最佳殘留含P 量為0.001-0.05%。 由于P 的精確取樣和分析存在誤差，控制范圍又比較寬，通常按加入量進(jìn)行控制，公認(rèn)的P 加入量為合金重量的0.1%，這個(gè)數(shù)字和變質(zhì)劑的種類以及許多任務(wù)及因素（變質(zhì)溫度、澆注溫度、凝固速度、孕育時(shí)間等）有關(guān)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)予以適當(dāng)調(diào)整。

1.4.2 變質(zhì)溫度： 初晶硅的異質(zhì)結(jié)晶核心AlP 熔點(diǎn)高達(dá)1000℃以上，如果變質(zhì)溫度過(guò)低，AlP 會(huì)在Al 液中凝聚成團(tuán)，隨溫度的下降逐漸失去變質(zhì)作用。提高變質(zhì)溫度能使AlP 質(zhì)點(diǎn)細(xì)化，分布均勻，改善變質(zhì)效果。一般情況下，熔煉變質(zhì)溫度高于合金液相線150℃時(shí)已有明顯的變質(zhì)效果，繼續(xù)升高溫度己沒(méi)有必要，相反只會(huì)增加合金吸氣和產(chǎn)生氧化夾雜。

對(duì)過(guò)共晶Al-Si 合金而言，有學(xué)者提出臨界（最低）變質(zhì)溫度與含硅量有關(guān)， 得出公式T （℃）=23×WSi+375, 其中WSi為Al-Si 合金含硅量。 例如，Si=20%時(shí)，其臨界（最低）變質(zhì)處理溫度為23×20+357=817℃。 可以看出：變質(zhì)處理的溫度與Al-Si 合金的含硅量密切相關(guān)，含硅量越高，變質(zhì)處理溫度相應(yīng)提高。

1.4.3 變質(zhì)處理和精煉的配合：經(jīng)變質(zhì)后的Al 液在高溫（850℃）下長(zhǎng)時(shí)間（3-5h）靜置，變質(zhì)效果會(huì)逐漸消失，但用六抓乙烷精煉后，可重新出現(xiàn)良好的變質(zhì)效果，這并不是六氯乙烷本身具有變質(zhì)作用，而是消除了氣體和氧化夾雜的結(jié)果，可見(jiàn)氣體和氧化夾雜不但影響合金的質(zhì)量，而且影響AlP 的變質(zhì)效果；一般認(rèn)為氣體和氧化夾雜使AlP 鈍化，部分甚至完全地失去變質(zhì)效果。 因此變質(zhì)前后都要用六氯乙烷。 當(dāng)用于金屬型鑄造或壓鑄時(shí)，要長(zhǎng)期保溫，可進(jìn)行多次精煉，以保持變質(zhì)效果。

1.4.4 澆注溫度的選擇：通常，為了避免針孔、疏松等鑄造缺陷，在保證充型的前提下，應(yīng)選擇盡量低的澆注溫度，但對(duì)經(jīng)變質(zhì)處理的過(guò)共晶Al-Si 合金還必須考慮變質(zhì)溫度過(guò)低會(huì)影響變質(zhì)效果。 試驗(yàn)表明，澆注溫度過(guò)低，AlP 開(kāi)始凝聚成團(tuán)，失去變質(zhì)效果，一般要求保持在液相線溫度以上70-100℃。

2 減少合金中的有害雜質(zhì)

2.1 雜質(zhì)Fe 的有害作用和消除方法

Fe 是Al-Si 合金中的主要雜質(zhì)，它主要來(lái)自爐料、增塌和熔煉工具。在鑄造Al-Si 合金中，F(xiàn)e 常以β（AlSiFe）鐵相出現(xiàn)。β 鐵相硬而脆，往往以粗大的針狀穿過(guò)α-Al 晶粒，大大削弱了基體，降低了合金的力學(xué)性能，尤其是伸長(zhǎng)率和沖擊值。

Fe 一般在Al-Si 活塞合金中被視為降低合金力學(xué)性能的雜質(zhì)元素，富鐵相的形貌變化與合金成分密切相關(guān)。 Fe 以針狀存在時(shí)降低合金的室溫力學(xué)性能，但以漢字狀或魚骨狀存在時(shí)，可以提高合金的高溫強(qiáng)度。高溫處理（熔體過(guò)熱到900℃以上）可以改善富鐵相的影響，這與我國(guó)活塞行業(yè)當(dāng)前對(duì)富鐵相作用的了解以及所采取的控制富鐵相形貌的措施全然不同。為了消除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 的來(lái)源廣，價(jià)格便宜，在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。加入這些元素的作用是使粗大針狀β 鐵相變成新的復(fù)雜多元化合物（例如AlSiMnFe 相），消除了原有針狀鐵相削弱基體的有害作用。 但是Mn 量加入不宜過(guò)多，否則將形成粗大脆性化合物，降低合金的力學(xué)性能。

2.2 Ca 元素的影響

雜質(zhì)Ca 大多是由原材料 （結(jié)晶Si） 帶入合金中的， 以硅化鈣（Ca2Si、CaSi、CaSi2）、氮化鈣、磷化鈣等化合物形式出現(xiàn)的。當(dāng)合金中雜質(zhì)Ca 較多時(shí)，會(huì)使合金熔體流動(dòng)性變差，容易吸氣和發(fā)生微觀針孔或縮松，并產(chǎn)生偏析性硬脆化合物，嚴(yán)重時(shí)將使鑄件廢品率明顯升高。所以，若用含Ca 量過(guò)多的低牌號(hào)結(jié)晶Si 時(shí)，較難獲得高質(zhì)量鑄件。

3 Al-Si 合金的合金化

絕大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)活塞都采用具有低膨脹系數(shù)的共晶和過(guò)共晶Al-Si 合金鑄造，只是因?yàn)檫@類合金能提供最好的綜合性能，為提高活塞合金的綜合性能， 在Al-Si 合金中加入Mg、Cu、Ni、Ti、Mn 及其他強(qiáng)化元素可組成多元合金，而且工業(yè)生產(chǎn)中還不可避免的含有雜質(zhì)元素Fe。 這些元素一方面能不同程度地溶入α 固溶體中，使固溶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提高合金的強(qiáng)度：更為重要的是，它們?cè)诤辖鹬猩蒑g2Si、CuAl2、Al2CuMg 等化合物。 它們?cè)讦?固溶體中的溶解度隨溫度的下降而降低，經(jīng)淬火（固溶化）和時(shí)效處理后，使合金的力學(xué)性能大大提高。這些化合物相通常稱為“強(qiáng)化相”。

檢索的方法和技巧并準(zhǔn)確地獲得所需要的信息資源。 但是學(xué)科館員服務(wù)作為圖書館一項(xiàng)新的服務(wù)模式，還存在許多問(wèn)題和困難，只有在實(shí)際工作中不斷學(xué)習(xí)、努力嘗試，才能不斷提高圖書館的創(chuàng)新能力，做好教學(xué)科研的服務(wù)工作。

［1］李少芬,汪敏.高專院校圖書館學(xué)科館員制度實(shí)施策略探討[J].大學(xué)圖書情報(bào)學(xué)刊,2008(26):41-43.

［2］何青芳,陽(yáng)丹.國(guó)內(nèi)高校圖書館學(xué)科館員服務(wù)模式研究[J].圖書館,2011(1):53-55.

［3］許丁.軍校圖書館實(shí)施學(xué)科館員制度探析[J].后勤指揮學(xué)報(bào),2010(3):65-66.