過共晶Al-Si合金的變質處理試驗

于勇衡，李 健

（山東鋁業職業學院 機械工程系，山東 文登266440）

1 前言

由于過共晶Al-Si合金具有鑄造及焊接性能好、熱膨脹系數小、耐磨性能高等特點，在鑄造鋁合金中被廣泛應用。但過共晶Al-Si合金中的針狀共晶Si以及粗大的塊狀初生Si嚴重割裂基體，降低合金的力學性能［1］，實踐也證明過共晶Al-Si合金的性能受到合金中硅晶體的形狀和分布的影響。因此無論是共晶體中的Si，還是初生晶的Si晶體，如果在基體中既細小又圓滑且分布均勻，則合金就會既有高的塑性，又有高的強度。反之則沖擊韌性與疲勞強度會大大降低，在母體變形后往往從硅晶體處開始斷裂。

目前對初生Si細化處理的方法有：添加變質劑法，超聲波振動法，激冷法，低溫鑄造法，加壓鑄造法，電磁攪拌，高低溫熔體相混和旋轉磁場作用等。其中研究較多的方法是添加變質劑法。而添加變質劑法中主要以P變質為主，P變質主要是以赤P、P鹽或Al-P中間合金［2-3］等形式加入。但是赤P的燃點低（240℃），運送、保存和使用過程都不安全；變質時反應劇烈，放出大量P2O5有毒氣體；P的吸收率低，且難以控制。P鹽自身有毒或在使用中也放出大量的P2O5有毒氣體；產生大量反應渣，腐蝕爐襯；貯存保管有困難，成本較高；變質效果不穩定。為此，國內外研究者進行了長期的探索研究，近年來山東大學研究了一系列專用于Al-Si合金初晶Si變質處理的變質劑［4］。

本研究用Al-Sr（10%）合金、Al-P（3.5%）合金和C還原磷酸鈉（赤P∶Na3PO4∶石墨C=1∶5.3∶2.5）分別對Si12%、Si15%、Si 18%的過共晶Al-Si合金進行變質、細化處理，比較3種變質劑的變質效果，了解各變質劑的添加量、變質溫度、變質時間等。

2 試驗過程和方法

試驗原料：工業純鋁、工業硅553#、Al-Sr（10%）合金、Al-P（3.5%）合金、P+Na3PO4+C（1∶5.3∶2.5）。按含Si12%、15%、18%分別配制Al-Si過共晶合金，在坩堝爐內熔化。分別用Al-Sr（10%）合金、Al-P（3.5%）合金、P+Na3PO4+C進行變質處理，變質時間15 min，靜置時間30 min；除Al-Sr合金變質不再精煉外，其余變質方式再用C2Cl6精煉3～5 min；Al-12%Si及Al-15%Si合金澆鑄溫度730℃，Al-18%Si合金澆鑄溫度780℃。變質工藝見表1。用斯派克光電光譜儀測定變質前后過共晶Al-Si合金化學成分及均勻性。用金相顯微鏡觀察變質前后合金的金相組織，根據初生Si在變質前后大小的變化，找出變質效果最好的變質劑。

表1 Al-Si過共晶合金變質工藝

3 試驗結果與分析

3.1 Sr變質處理

Sr在a-Al和硅相中的溶解度非常小，在凝固過程中都被排擠到液相中，Al-Si合金凝固過程中共晶過冷度隨著合金中Sr量的增加而增大。這說明共晶Si形態的變化與共晶過冷度密切相關。Sr在硅相的前沿富集，毒化固有的生長臺階［5］，導致共晶過冷度增大；同時，由于Sr原子的吸附引起硅相孿晶邊界能降低［6］。當Sr達到0.05%時，共晶過冷度增大，同時孿晶邊界能降低，因而孿晶的概率增大，孿晶行為更易發生，共晶硅相在更多方向上生長，使共晶硅相產生彎折、分叉，共晶硅相形態不斷向纖維化轉變。最終變質后獲得纖維化的共晶組織。Al-Si合金變質處理前后組織對比見圖1。

圖1 Al-Si合金Sr變質前后顯微組織 100×

圖2 Al-18%Si合金碳還原磷酸鈉變質前后顯微組織 100×

而Al-Si合金中的a-Al相，由于Sr加入后對Al晶格結構的改變，促進了Si在Al中的溶解度以及Sr的變質作用，使a-Al相向薔薇花朵狀轉變。但是Sr的變質作用對基體中的初生Si基本上無作用。在Al-12%Si合金中（其靠近Al-Si合金的共晶點），由于Sr促進了Si在Al中的溶解度，過冷度因Sr的加入而增大，凝固曲線左移，使變質后的組織形態向共晶組織和亞共晶組織轉變（見圖1d）。在Al-15%Si合金和Al-18%Si合金中，Sr沒能抑制五瓣星狀初晶Si的形核，無法阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長，Sr對初生Si的變質無明顯效果（見圖1e、圖1f）。對比變質前后的組織（圖1c、圖1f），也會發現初生Si的顆粒大小變化不明顯。

3.2 碳還原磷酸鈉變質處理

在高溫條件下，Na3PO4首先分解為溶于鋁液的Na或Na的金屬化合物［如（NaAl）Si2］及P的氧化物，P的氧化物在熾熱C的作用下還原為元素P，并在P過剩的情況下（即Na∶P＜2.2時）生成AlP。AlP在還原性氣體CO的攪拌作用下迅速擴散均勻分布于整個合金液，大量的AlP成為硅結晶的異質核心。從而達到均勻、細化、球化Si晶粒的變質作用。Al-18%Si合金變質前后顯微組織見圖2。

通過對比變質前后的金相組織形態可以發現：1）用碳還原磷酸鈉變質處理雖然使初生Si相的顆粒有所減小，但也沒能抑制了五瓣星狀初晶Si的形核，沒有阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長。2）變質效果不穩定，個別初生Si顆粒仍較大，在基體上初生Si相沒有達到彌散均勻分布的效果。

3.3 Al-P合金變質處理

國內外的研究者認為，對初晶Si有變質作用的元素主要是P。P的變質作用機理是P在合金中與Al形成高熔點（約1 000℃）的AlP，AlP與Si都是金剛石點陣結構，晶格常數接近。根據晶體結構相似，晶格常數相近的原理，AlP可以作為Al-Si合金初晶Si結晶的異質核心。

Al-P中間合金的組織特點是在鋁基體上分布有大量細小的AlP晶核，由于AlP顆粒在Al-P中間合金中已預先生成，從而在變質過程中有著大量的初生Si結晶的異質核心，使初生Si的初生晶核增多且均勻彌散分布，故初生Si在大量初生晶核上生長，結晶后能均勻、細小的彌散分布在基體組織上，同時也強有力地抑制了五瓣星狀初晶Si的形核，阻止了五瓣星狀初晶Si的各向異相生長，使初生Si的組織形態向球形轉變，減少了初生Si對基體的割裂作用，從而達到了高效變質效果。因此，認為采用Al-P（3.5%）合金變質效果最佳。

3.3.1 Al-P合金變質時間的影響

Al-18%Si合金Al-P合金變質時間對顯微組織的影響見圖3。用Al-P合金變質處理過共晶Al-Si合金，在變質15 min時，已經有效果，20 min后變質效果也沒有減弱。雖然相關資料介紹Al-P合金變質效果可保持30 h以上，但結合工業化生產實際，變質20 min就可以達到很好的變質效果。

圖3 Al-18%Si合金Al-P合金變質前后顯微組織 100×

3.3.2 Al-P合金變質溫度的影響

Al-P合金變質溫度對Al-15%Si合金顯微組織的影響見圖4。對比圖4發現，在780～810℃溫度區間變質后顯微組織中的初生Si相比760～780℃溫度區間變質后的顯微組織的初生Si相球化傾向增大，對基體的割裂作用減弱，初生Si相的彌散性更好。因此在780～810℃溫度區間進行變質變質效果較好。

圖4 Al-15%Si合金不同溫度Al-P合金變質前后顯微組織 100×

3.3.3 Al-P合金加入量的影響

Al-P合金加入量對Al-18%Si合金顯微組織的影響見圖5。對比圖5發現，Al-P合金加入總量的1.2%變質，變質效果相對于加入總量的0.8%和1.0%Al-P合金變質效果要好。加入總量1.2%Al-P合金變質后，初生Si相的彌散性更好，顆粒分布更加細密均勻，這樣的組織更有利于提高Al-Si合金的機械性能。

圖5 Al-P合金加入量對Al-18%Si合金顯微組織的影響

4 結論

4.1 對于過共晶Al-Si合金，Sr變質處理只能使共晶Si由粗大的片狀向細小的纖維狀轉變，但對初生Si的變質影響不大；用碳還原磷酸鈉變質，雖然使初生Si相的顆粒有所減小，但沒能抑制五瓣星狀初晶Si的形核，不能阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長，而且變質的效果不穩定，個別初生Si顆粒還比較大，在基體上初生Si相沒有達到彌散均勻分布的效果；Al-P合金變質，使初生Si數量增多且均勻彌散分布，基本無五瓣星狀初晶Si的形核，且初生Si的組織形態向球形轉變，達到了高效變質效果。

4.2 用Al-P合金變質，最佳加入量在總量的1.1%～1.2%之間，最佳變質時間為20 min左右，最穩定的變質溫度應控制在780～810℃溫度區間。

4.3 用Al-P合金變質的過共晶Al-Si合金，初生Si相在基體上的分布彌散且均勻，部分初生Si相已經近似球化，變質效果明顯。