Al-Sr（10%）合金變質(zhì)劑試制及應(yīng)用

于勇衡，李守華

鋁鍶合金興起于20世紀(jì)70年代，廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)80年代，是公認(rèn)的鋁硅系列亞共晶鋁硅合金和共晶鋁硅合金最理想的變質(zhì)劑。我國在鋁鍶合金生產(chǎn)、應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，近幾年來，國內(nèi)汽車工業(yè)和加工業(yè)的發(fā)展逐步提出了對(duì)鋁鍶合金變質(zhì)劑的需求。Al-Sr合金作為鑄造鋁合金的優(yōu)良變質(zhì)劑，可以改善合金的綜合性能及流動(dòng)性，使其具有更好的鑄造性能，使用效果良好。目前國內(nèi)使用Al-Sr（10%）合金主要用于輪轂鋁合金的變質(zhì)處理等，國外近幾年已將鋁鍶合金用于飛機(jī)制造，大大提高合金性能，且重量減輕30%。

本研究探討把純鍶加入鋁液中直接制取鋁鍶（10%）合金的主要工藝參數(shù)，包括加鍶溫度、鑄造溫度、靜置時(shí)間等技術(shù)參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了鋁鍶合金燒損降到5%以下，鍶的吸收率達(dá)到80%以上的較好試驗(yàn)效果。生產(chǎn)的Al-Sr合金變質(zhì)處理后的A356.2合金，力學(xué)性能和金相組織完全達(dá)到了用戶使用要求。

1 鋁鍶合金試制分析

試制設(shè)備采用坩堝電爐，原料有：工業(yè)純鋁（Al 99.7%）、工業(yè)純鍶（Sr 99.5%）。

鑄造行業(yè)中鍶用作鋁硅合金的變質(zhì)劑，生產(chǎn)中大多數(shù)以Al-Sr中間合金或Al-Sr-X三元合金的形式加入鋁液中［1］。鍶為面心立方結(jié)構(gòu)，在鋁中溶解度甚微，鋁和鍶組成3種金屬間化合物，即AlSr、Al2Sr和Al4Sr。Al-Sr系中存在兩個(gè)低熔點(diǎn)共晶組織，其一為AlSr與Sr組成的共晶體，鍶量為90%，共晶溫度約為585℃，增加或降低鍶量皆會(huì)引起Al-Sr體系液相線溫度急劇升高；Al4Sr與Al組成另一組共晶體，鍶量為3.2%，共晶溫度為654℃。其他含鍶20%～60%的Al-Sr合金，熔點(diǎn)皆甚高，實(shí)際生產(chǎn)中難以應(yīng)用。因此選定Al-Sr（10%）合金作為研究對(duì)象。

根據(jù)Al-Sr二元合金相圖，Al-Sr（10%）合金的液相線溫度在770℃左右，因此加鍶時(shí)的鋁液溫度應(yīng)控制在850～900℃之間，鑄造溫度應(yīng)控制在790～820℃之間。金屬鍶是十分活潑的堿性金屬，化學(xué)活性高（基本物理參數(shù)見表1），遇鋁液后即發(fā)生劇烈反應(yīng)，引起燃燒。而且鍶元素在鋁液中隨著鋁熔體保溫時(shí)間的延續(xù)而不斷減少，是氧化反應(yīng)的結(jié)果。

表1 鍶的基本物理參數(shù)［1-2］

鍶的氧化模式為［Sr］+［O］→（SrO），鍶的氧化速度可用下式表示：

式中：C［Sr］為某一時(shí)刻熔體中的鍶濃度；C［O］為同一時(shí)刻熔體中的氧濃度；k為反應(yīng)速度常數(shù)，是溫度和組元的函數(shù)。因此靜置時(shí)間不能過長，應(yīng)控制在2～3 min之內(nèi)。

2 鋁鍶合金熔煉試制

將稱量好的工業(yè)純鋁加入坩堝爐中熔化，在850～950℃之間保溫。用鋁箔包裹好稱量好的純鍶，使用鐘罩快速把鍶壓入鋁液中。待反應(yīng)結(jié)束后取出鐘罩，用工具攪勻合金液，靜置2～3 min后澆鑄樣品。試制過程工藝參數(shù)及試制結(jié)果見表2。

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用第2次試制的Al-Sr（10%）合金樣品對(duì)A356.2合金進(jìn)行了變質(zhì)處理，并與某廠Al-Sr（10%）合金產(chǎn)品的變質(zhì)處理效果進(jìn)行了對(duì)比。

表2 Al-Sr合金熔煉工藝參數(shù)及結(jié)果

3.1 金相組織

變質(zhì)處理前后A356.2合金的金相組織及某廠Al-Sr合金變質(zhì)后的金相組織見圖1。變質(zhì)前A356.2合金基體組織為白色的α（Al）固溶體和灰色針狀、片狀的共晶體Si（見圖1a）；兩種鋁鍶合金變質(zhì)處理后，A356.2合金基體組織都為呈細(xì)小圓形質(zhì)點(diǎn)的共晶體Si，即纖維狀的共晶組織，還有呈樹枝狀結(jié)晶的初生α（Al）固熔體（見圖1b、圖1c）。即鑄態(tài)硅相都呈細(xì)小纖維狀，分布在細(xì)小鋁枝晶周圍，保證了Mg2Si相強(qiáng)化基體的作用及鋁基體塑性的充分發(fā)揮，從而提高了合金的力學(xué)性能。因此，試制Al-Sr（10%）合金從金相組織分析達(dá)到了預(yù)期的變質(zhì)效果。

3.2 力學(xué)性能

目前，輪轂業(yè)中對(duì)原料A356.2合金的抗拉強(qiáng)度一般要求是≥140 MPa［3］，布氏硬度≥50 HB。A356.2合金經(jīng)試制Al-Sr合金變質(zhì)處理后平均抗拉強(qiáng)度161.0 MPa，平均硬度55.6 HB。完全滿足用戶使用要求。

4 結(jié)語

采用加鍶溫度890℃、靜置時(shí)間不超過3 min、鑄造溫度815～825℃的工藝參數(shù)，可以熔煉出結(jié)果滿意的Al-Sr（10%）中間合金，鍶的吸收率達(dá)到80.02%，合金燒損僅為4.4%。試制Al-Sr（10%）合金完全滿足A356.2合金的變質(zhì)需要，完全達(dá)到市場產(chǎn)品的變質(zhì)效果。今后準(zhǔn)備把制得的合金通過擠壓制成桿狀、絲狀、塊狀等規(guī)格，用于高端合金產(chǎn)品的穩(wěn)定變質(zhì)處理。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 虞覺奇.二元合金狀態(tài)圖集［M］.上海：上海科技出版社，1987.

［2］ 李振寰.元素性質(zhì)數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］.石家莊：河北人民出版社，1985.

［3］ 姜兆夢(mèng)，藍(lán)民國，定能續(xù).電解鋁鍶合金變質(zhì)劑及其應(yīng)用［J］.汽車工藝及材料，1992（8）：11-14.