鑄造過共晶鋁硅合金組織特性及變質(zhì)處理探討

張 凱

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與環(huán)境工程系，四川 遂寧 629000)

過共晶鋁硅合金具有熱膨脹系數(shù)低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好且耐磨性、耐蝕性、高溫強(qiáng)度均突出等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)等領(lǐng)域有著十分重要和廣泛的應(yīng)用。但是，過共晶鋁硅合金在常規(guī)條件下其初晶硅的鑄造顯微組織多呈粗大板片、多角形以及星狀分布，其共晶硅則呈長(zhǎng)針狀分布。這種內(nèi)部組織構(gòu)成在外力作用下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中而形成裂紋，并且割裂基體，使得鋁硅合金的力學(xué)性能顯著下降，粗大的初晶硅還會(huì)加劇合金在機(jī)械加工時(shí)的刀具磨損，特別是隨著合金中Si 含量的增多，合金的強(qiáng)韌性更是大大下降。因此，需要對(duì)過共晶鋁硅合金中的初晶硅和共晶硅進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化處理以提高其性能[1]。

1 過共晶鋁硅合金的成分與組織特性

1.1 過共晶鋁硅合金的成分

由Al-Si 二元合金相圖可知，鋁硅合金是共晶系的合金，其共晶溫度約為5770C。在共晶點(diǎn)時(shí)合金中Si 的含量約為12.2wt.%，Si 在αAl固溶體中的溶解度約為1.65%。

應(yīng)用在工業(yè)上的過共晶鋁硅合金的Si 含量一般在14～26wt.%范圍之間。按照合金中Si 的含量不同，通常將過共晶鋁硅合金分成三組：第一組含硅量為16～19wt.% ，第二組含硅量為20～23wt.%，第三組含硅量為24～26wt.%。其中，應(yīng)用較廣泛的是第一組和第二組，如屬于第一組的中國的Al-Si18 型、美國的A390 型、英國的LM28 型，屬于第二組的德國的KS280 型、俄國的AK21 型；由于第三組含Si 量較高，使得合金脆性增大、鑄造性和切削加工性變差，因此工業(yè)上較少使用。為改善鋁硅合金合金性能，通常還要添加Mg、Cu、Mn、Ni、Re、Co、Zr、Cr、Ti、B 等合金元素[2,3]。

圖2 -1 Al-Si 二元合金相圖

表1 .1 部分過共晶鋁硅合金化學(xué)成分

1.2 過共晶鋁硅合金的組織特性

過共晶鋁硅合金的金相組織主要由初晶硅βSi和共晶體（αAl+βSi）構(gòu)成，以及為提高性能而添加的合金元素在合金中形成的金屬間化合物強(qiáng)化相CuAl2、Mg2Si 和Al2(Si Cu)2RE 等。

初晶硅是金剛石型面心立方的晶格結(jié)構(gòu)，密排面是雙層的{111}面，硅晶體結(jié)晶時(shí)沿著〈111〉晶向生長(zhǎng)較慢，而在結(jié)晶前沿的液固界面處則有很多的生長(zhǎng)臺(tái)階，使得晶體沿著與密排面垂直的〈112〉晶懸掛鍵多，晶粒擇優(yōu)在這個(gè)方向快速生長(zhǎng)，又由于受到溶體中雜質(zhì)和能量等因素的影響，沿結(jié)晶前沿109.50形成孿晶的凹谷，從而形成片層狀，同時(shí)受雜質(zhì)和能量波動(dòng)的影響還會(huì)使結(jié)晶沿著與{111}面成70.50夾角進(jìn)行[3]。因此，初晶硅的鑄造顯微組織呈粗大板片狀、多角形以及星狀分布，共晶硅呈現(xiàn)長(zhǎng)針狀分布的特點(diǎn)[4,5,6]。

2 過共晶鋁硅合金的變質(zhì)處理

變質(zhì)處理是改善合金的組織形態(tài)從而優(yōu)化其性能的一種有效方法，本文對(duì)鑄造過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理的機(jī)理和方法進(jìn)行了如下探討。

2.1 過共晶鋁硅合金變質(zhì)作用機(jī)理

2.1.1 初晶硅的變質(zhì)作用機(jī)理

圖2 -2 粗大板片狀組織形態(tài)

圖2 -3 五瓣星狀初生硅組織形態(tài)

圖2 -4 多角形初生硅組織形態(tài)

圖2 -5 共晶硅針狀組織形態(tài)

初晶硅常用赤磷、含磷化合物或含磷合金等作為變質(zhì)劑。早期的初晶硅采用約0.5wt%的赤磷進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理，由于赤磷儲(chǔ)存和運(yùn)輸不安全且變質(zhì)處理時(shí)對(duì)環(huán)境污染大的缺點(diǎn)，已經(jīng)被逐漸淘汰，取而代之的是采用含磷的化合物或合金添加劑進(jìn)行變質(zhì)處理[4]。初晶硅的變質(zhì)機(jī)理通常有以下兩種觀點(diǎn)：一種是采用磷（P）、銻（Sb）做變質(zhì)劑的異質(zhì)核心變質(zhì)機(jī)理。P 和Al 生成的化合物AlP 和Si 都屬于金剛石型面心立方晶格，它們的晶格常數(shù)分別是αAlp=0.545nm，αSi=0.542nm，再如Sb 和Al 生成AlSb，AlSb 和Si 也都屬于金剛石型面心立方晶格，當(dāng)Si{110}與Al Sb{110}共格、Si{111}與AlSb{111}共格時(shí)，它們的晶格常數(shù)相差分別是11% 和8%，故兩者晶面間的界面能較低，αAlp和αAlSb均可以做為初晶硅的異質(zhì)核心以增加晶核數(shù)目提高形核率，從而使初晶硅得到細(xì)化。另一種是采用鍶（Sr）、稀土等做變質(zhì)劑的吸附毒化變質(zhì)機(jī)理。硅晶體生長(zhǎng)前沿的液固界面處的界面生長(zhǎng)臺(tái)階很容易吸附Si 原子，并使晶體擇優(yōu)性地沿著〈112〉晶向生長(zhǎng)而形成片狀組織形態(tài)。當(dāng)變質(zhì)處理時(shí)，變質(zhì)劑Sr 原子會(huì)優(yōu)先吸附到界面生長(zhǎng)臺(tái)階上，使界面產(chǎn)生鈍化，Si 原子就難于再在界面處沿著〈112〉晶向生長(zhǎng)，從而阻斷了初晶硅的五瓣星形孿晶面凹槽生長(zhǎng)并誘發(fā)出大量的孿晶，由于孿晶的多方向生長(zhǎng)使得初晶硅的五瓣星形生長(zhǎng)方式變成樹枝狀，晶粒組織得到了細(xì)化。稀土吸附毒化變質(zhì)處理機(jī)理還在不斷探索和研究中。目前，稀土吸附的初晶硅變質(zhì)處理機(jī)理共同的觀點(diǎn)是：稀土元素如La、Ce 等大量吸附在初晶硅的生長(zhǎng)界面前沿表面上，一方面抑制了初晶硅的孿晶面凹槽生長(zhǎng)，另一方面還改變了初晶硅的表面能和界面前沿的固/液界面能，這兩個(gè)因素的同時(shí)作用使過共晶鋁硅合金中的初晶硅 發(fā)生分支從而晶粒得到細(xì)化[1，7，8]。

2.1.2 共晶硅的變質(zhì)作用機(jī)理

過共晶鋁硅合金的共晶硅不需要單獨(dú)成核，當(dāng)采用P 等變質(zhì)劑在細(xì)化初晶硅的同時(shí)也會(huì)間接地對(duì)共晶硅起到細(xì)化作用，因此其變質(zhì)機(jī)理同初晶硅。只是單組分的變質(zhì)劑對(duì)合金的組織形貌改變不大，其變質(zhì)作用也甚微，通常采用P 和其它元素的多組分復(fù)合變質(zhì)處理。當(dāng)采用稀土元素變質(zhì)時(shí)共晶硅的變質(zhì)處理機(jī)理還在進(jìn)一步探索中。干擾原子團(tuán)理論認(rèn)為，稀土元素使過共晶鋁硅合金液中Si-Si、Si-Al 原子團(tuán)的結(jié)合力減弱，使Al-Al 原子團(tuán)結(jié)合力增強(qiáng)，因此誘發(fā)了αAl相最先自發(fā)成核，在共晶結(jié)晶時(shí)αAl就最先析出并長(zhǎng)大，這樣共晶硅的生長(zhǎng)受到了阻礙，從而使合金晶粒得到細(xì)化[9，10]。

2.2 過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理工藝

2.2.1 初晶硅單組分變質(zhì)處理工藝

通過對(duì)初晶硅變質(zhì)處理機(jī)理分析，我們知道P、Sr、Sb、Na 等元素可以對(duì)過共晶鋁硅合金中初晶硅起到變質(zhì)作用。第一種方法是向熔融的合金中加入適量的磷鹽、赤磷或銅-磷中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理。不過，這種單組分變質(zhì)處理方法具有環(huán)境污染嚴(yán)重、鋁消耗量大、反應(yīng)廢渣多、爐襯腐蝕大等很多缺點(diǎn)。第二種方法是國內(nèi)外普遍采用的鋁-磷中間合金做變質(zhì)劑進(jìn)行處理。這種方法可以克服p 單組分變質(zhì)的各種缺點(diǎn)，而且工藝條件和工藝性能也得到明顯改善，不需要做過熱處理，只需要在7400C～8400C 溫度穩(wěn)定變質(zhì)，縮短熔煉時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。第三種方法是添加稀土元素La、Ce、RE 等做變質(zhì)劑進(jìn)行處理。不過，采用稀土元素做變質(zhì)處理時(shí)，要特別注意加入的方法和變質(zhì)處理的冷卻條件、變質(zhì)溫度等工藝條件的控制，否則變質(zhì)效果會(huì)不明顯或者沒有效果[1 ，7]。

2.2.2 初晶硅復(fù)合變質(zhì)處理工藝

采用復(fù)合變質(zhì)是對(duì)過共晶鋁硅合金初晶硅變質(zhì)處理的有效工藝方法。復(fù)合變質(zhì)處理主要有P-C、P-Sr、P-Na、P-S、P-Be、Ce-Sr 和稀土等多種變質(zhì)處理方法。在采用P-Na 變質(zhì)處理時(shí)，添加有機(jī)化合物(C6H5)3PO4和C4H3O4PCl3，1.5wt.%的Cu-10wt.%P 和0.6wt.%的木炭粉進(jìn)行處理；在采用PS 變質(zhì)處理時(shí)，添加0.8wt.%Ce 和0.1wt.%Sr，變質(zhì)孕育時(shí)間控制在30 分鐘，變質(zhì)溫度控制在825℃左右；采用P-Na 變質(zhì)處理時(shí)，添加0.67wt.%Cu3P和0.3wt.%Na2CO3，首先添加Cu3P 保溫15 分鐘，然后添加Na2CO3保溫5～15 分鐘；采用P-S 變質(zhì)處理時(shí)，添加0.5wt.%S 和0.1wt.%P，首先用C2Cl6精煉合金，然后添加S 溫度控制在800℃靜置3 分鐘，最后添加P 靜置5 分鐘，溫度控制在800℃下進(jìn)行澆注；采用Ce-Sr 變質(zhì)處理時(shí)，添加0.8wt.%Ce 和0.1wt.%Sr，變質(zhì)孕育時(shí)間控制在30 分鐘左右，變質(zhì)溫度控制在825℃左右；采用變質(zhì)處理時(shí)，可添加P 和混合稀土變質(zhì)劑，對(duì)于Al-22wt.%Si 合金添加0.1wt.%P 和0.6wt.%稀土，P 的變質(zhì)溫度控制在830℃，稀土的變質(zhì)溫度控制在810℃[2，8，6]。

2.2.3 初晶硅的其它變質(zhì)處理工藝

過共晶鋁硅合金初晶硅的變質(zhì)處理除了添加變質(zhì)劑進(jìn)行處理外，還可以采用其它的一些工藝方法進(jìn)行處理。第一種是電磁攪拌法，這種方法是通過電磁攪拌熔體，使得初晶硅的枝晶破碎或者斷裂，達(dá)到細(xì)化變質(zhì)的作用；第二種是熔體預(yù)處理法，這種方法是通過低溫熔體與高溫熔體相混，讓熔體同時(shí)具有高溫熔體和低溫熔體的性質(zhì)，從而達(dá)到對(duì)初晶硅起到變質(zhì)細(xì)化的作用；第三種是快速凝固法，可以通過噴射沉積技術(shù)、流體霧化法、激光表面處理技術(shù)和懸浮熔煉法等進(jìn)行快速凝固處理，使初生硅得到細(xì)化變質(zhì)處理；第四種是超聲振動(dòng)法，這種方法是在金屬的凝固前或者凝固中對(duì)金屬熔體施加高強(qiáng)度的超聲波，利用超聲波的空化和聲流作用使合金元素均勻分布，達(dá)到細(xì)化初生硅的作用[2，10]。

2.2.4 共晶硅變質(zhì)處理工藝

對(duì)共晶硅變質(zhì)處理主要有以下工藝方法：第一種是Na 變質(zhì)處理法，添加0.005-0.01%Na 產(chǎn)生吸附毒化機(jī)制對(duì)初晶硅進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化。需要注意30 分鐘后變質(zhì)效果消退，這種方法缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生偏析，對(duì)環(huán)境的污染較大；第二種是Sr 變質(zhì)處理法，這是一種目前廣泛采用的方法；第三種是Sb 變質(zhì)處理法，其變質(zhì)效果不如Na、Sr，這種方法在工藝上要注意快速冷卻；第四種是稀土元素變質(zhì)處理法，這種方法處理時(shí)同樣也要注意稀土的加入方式和變質(zhì)處理的工藝條件[3]。

3 結(jié)論

過共晶鋁硅合金初晶硅的顯微組織呈粗大板片狀、多角形以及星狀分布，共晶硅呈現(xiàn)長(zhǎng)針狀分布，這樣的組織特征使得合金的機(jī)械力學(xué)性能顯著降低，合金對(duì)刀具的磨損也加劇。通過變質(zhì)處理，可改善過共晶鋁硅合金的組織形態(tài)進(jìn)而提高其性能。主要方法是通過異質(zhì)核心變質(zhì)機(jī)制和吸附毒化變質(zhì)機(jī)制添加變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化，另外就是通過電磁攪拌、熔體預(yù)處理、快速凝固和超聲波等方法也能進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化，通過這樣的變質(zhì)處理能夠顯著提高過共晶鋁硅合金的機(jī)械力學(xué)性能和化學(xué)耐蝕性能。