鋁硅合金變質處理研究現狀

寧軍鵬

（太重榆液長治液壓有限公司，山西 長治 046000）

鋁硅合金具有密度低，膨脹系數低，耐磨性高，耐蝕性高，比強度高，成型和附著力好等優點。然而在常規的Al-Si鑄造合金中，存在針狀共晶硅和具有復雜形狀的共晶硅，這改變了合金的性能。顯微組織細化是提高合金強度的有效技術，工業變質被用于變質Si相的微觀結構，從而使其可以均勻地分布在具有有利形狀和較小尺寸的基體中，從而進一步改善了合金的整體性能。

1 鋁硅合金變質的研究現狀

鋁硅合金變質的主要因素是處理變質的過程。關于變質機理的討論可以分為兩種類型：一類是核化理論。就其對硅相核的作用而言，認為變質劑可提供不均勻的晶核。還有一個是增長理論。就晶體生長角度而言，據信變質原子對硅晶體的生長有不同的影響，因此硅相的形態發生變化以實現變質過程。各種變質元素的變質也與特定的工藝條件密切相關。這需要一定的大量的研究。

1.1 一元變質

美國使用的變質劑主要是鍶和鈉，歐洲和日本有時使用銻，而加拿大則主要使用鈣來使增加變質過程。其他一些元素也有一定作用，但鈉和鍶是常用的。

1.1.1 鈉變質

Na是變質處理中使用的第一種變質劑，也是Al-Si共晶鍵使用最廣泛的變質劑，其變質效果很強，并且提純處理不會干擾該變質效果，硅的初晶相和經鈉鹽變質的硅的共晶相主要遵循機理TPRE，這導致硅相改變了它的生長方向。結果硅相的契合度和晶體都趨于球體化。使用Na鹽變質劑的主要優點是可以實現令人滿意的變質效果，較低的變質成本，無潛伏期變化并且對鑄件壁的厚度不敏感，由于該方法成本低廉，使用方便，在我國仍是常用的處理方法。

在實際情況中，已經發現鈉的變質與許多問題有關，例如，變質時間短，吸收效率低，工具易于磨損，不適于切割并且容易收縮，這會影響鈉變質劑的質量。對工人的健康和環境具有不利的的影響。因此，鈉的變質逐漸被替代。

1.1.2 鍶變質

在歐洲國家和日本使用鍶作為變質劑后，我國也逐漸開始研究使用鍶作為變質劑的影響。通常認為，其變質效果比鈉變質劑的效果好很多。在Al-Si合金中加入金屬鍶不只是改變了共晶硅的形態，而且提高了Al-Si合金的硬度，它還改變了α（Al）樹枝狀晶體的生長行為，促進了很多晶核的形成，并使合金晶粒逐漸細化，從而提高了強度和塑性。鍶具有良好的變質作用，低劑量，作用持久，性能的提升，無過度的變質作用，因此引起人們的廣泛關注。鍶價格昂貴，并且對氮和磷的干擾敏感。

鍶金屬有一個潛在的變質期，必須提前添加，它可以與Na（鹽）同時使用，以消除潛在的變質期，并具有足夠持久的效果。

1.1.3 銻變質

Sb是長效的永久性變質劑，改變效果不如Na和Sr好，它通常僅適用于共晶鍵，可變質共晶硅。銻可反復使用，不產生污染，而且銻具有豐富的資源，價格便宜，易于使用。

但是，Sb的變質對鑄件的冷卻程度很敏感，對于冷卻較慢的Sb，其變質效果并不明顯。此外，Sb的變質會引起密度不均，因此通常將Sb作為母體合金添加，Sb不能與Na和Sr的合金材料混合，后者會相互交換并削弱其變質作用。

1.1.4 鋇變質

Ba在共晶硅中的轉化機理與金屬Na和Sr相比，鋇具有廣泛的變質應用范圍，并且在亞共晶，共晶甚至過共晶的鋁硅合金中對硅具有變質作用，從而極大地提高了合金的拉伸強度，工藝簡單，效果好。它具有持久的影響，并且資源比Sr豐富且便宜，當添加Ba作為主要合金時，可獲得Al-Sr合金相同的一個變質效果。但是，Ba變質對冷卻速度敏感，對澆鑄壁的厚度非常敏感。此外，Ba對氯化物非常敏感，因此在使用金屬Ba變質劑時，應避免氯（鹽）的腐蝕作用。

1.1.5 碲變質

Te的變質機理與Sb極其類似，有些學者表示Te與磷的變質相似。碲變質劑是含共晶硅的元素，但不會改變硅晶體結構，同時改性了共晶硅，從而提高了Te的拉伸強度和機械性能。Te是周期長的變質劑，對變質效果的影響大于Sb，工藝簡單，無煙，無異味，加工無污染。

Te變質的影響也受冷卻速率的影響，由于缺乏資源，Te比Na和Sb價格更貴，因此使用較少。還應了解用鈉鹽，鍶鹽變質的合金，千萬不能再用碲進行變質，否則會損害其機械性能。

1.1.6 鉍變質

鉍是一種周期長久且易于使用的變質劑，變質過程簡單，資源豐富且價格便宜。Bi的單質變質效應不是很理想，并且容易造成密度不一樣。通常添加Bi1A1-5%作為基礎合金，以防止由于Bi的高密度而導致合金分離。如果添加值小于4%，則Bi化合物的損失率很小，但是通過Bi變質不能獲得完整的變質結構。變質后，合金的機械性能沒有改善，并且密度容易不均勻，因此主要用于日常鑄造。

1.1.7 磷變質

磷變質劑主要用于共晶的鋁硅合金。通常認為磷變質的機理是與磷和鋁形成鋁-磷鍵，當硅結晶以細化堿性硅晶體時，鋁-磷合金充當異質核。在過共晶鋁硅合金的變質中，磷，磷鹽和含磷合金是目前使用最廣泛，最穩定的變質劑。

然而，含磷的變質劑具有以下缺點：紅磷的閃點低，運輸和儲存很危險，分解時會強烈反應，散發大量煙氣并嚴重污染環境。如果使用鋁-磷合金進行改性，則效果更好。根據日本和德國的研究，通過粉末冶金法制備的Al-P-Cu對原始合金的初生硅具有完美的改性效果，且改性效果穩定且不污染環境，但制備工藝非常復雜，成本也高。

1.1.8 稀土變質

稀有土壤包含許多元素，其變質機理非常復雜。一些研究人員測試了原子團干擾理論，并認為稀土的添加會限制共晶硅的變質，而另一些研究人員則認為，稀土變化的主要功能是促進硅晶體的分解。據認為，稀土元素可以用作非均勻硅核以改性硅元素。

稀土金屬是Al-Si鑄件的優良變質劑，適用于替代亞共晶，低共熔和過高鍵合的Al-Si鍵。除了稀土元素的改性作用外，向α-Al中添加稀土元素也可能在固溶強化中發揮作用。稀土元素可與合金中的氫形成REH，以減少構件的孔隙率，從而改善合金的整體性能。稀土變質劑是耐用的，不會污染環境，因此從環境保護的角度出發，最好使用稀土作為改性劑。由于我國稀土資源豐富，需要進一步研究以大力鼓勵土地利用，特別是低土壤土壤的利用，這將是今后研究的主題。

1.1.9 其他單一變質

Ca鹽對共晶硅的細化變質具有良好的作用，作為鹽混合物加入到熔體中，表面干凈無污染，可以極大地改善結構并提高抗腐蝕能力，并具有除氣的作用。將硫添加到熔融鋁中以形成Al和S質點，可以用作Si核的異質點，以提純細化硅，合金的機械性能高于鈉變質，它對模具的冷卻速度不敏感，但對設備也有腐蝕作用。

1.2 二元變質

由于僅一種更改方法的局限性，很難獲得最佳的總體效果。因此，除了開發新的變質劑并克服變質劑本身的缺點外，尋找混合變質方法已經成為鋁硅合金研究領域的重要課題。當前，更常見的是在鋁硅合金中使用兩種或更多種變質劑來進行混合物變質處理。

1.2.1 鈉﹑鍶變質

研究表明，利用鈉和鍶的共同變質的作用，其變質機理與Na和Sr相同，但變質作用兩者之間相互促進，作用快，有效周期比較長，變質作用3天后仍然有效，變質效果穩定，克服了傳統銻鈉鹽變質劑的劣勢。這不僅縮短了鍶的潛伏期，而且還具有減緩鈉損失的優勢。

1.2.2 鈉﹑鋇變質

由Na鹽和Ba鹽組成的組合變質劑，具有良好的變質作用，效果快，持久和重塑性能改善了合金的力學性能，解決了Na鹽變質有效期短的問題。

1.2.3 磷、鍶變質

當使用Sr和P的二元變質作用時，不同的Sr.、P加入方式會產生完全不同的變質作用，首先添加Sr，然后添加P，以獲得很好的變質效果。研究還表明，磷和鍶與熔融鋁的反應損害了磷和鍶的變質效果。此外，研究發現如果同時使用磷，鍶對過共晶鋁硅合金進行變質研究時，它們更有可能在鋁液中產生SrP，NaP和其他穩定成分，并產生變質作用減弱或消失。

1.2.4 磷﹑硫變質

0.1%磷和0.5%硫的組合變質不僅比單獨使用磷或硫對初生晶硅更好，而且具有硅共晶變質效應，使兩者的結構和分布更合理。磷硫變質劑具有長效作用，改善了合金的機械性能，可以滿足工業生產的需要。但是，取代的磷和硫的存在會產生大量有毒氣體，污染環境并損壞設備。

1.2.5 磷、砷變質

由于磷或砷的獨特變質作用，異質晶核是獨特的，并且晶核的數目是有限的，如果數量增加，則AIP將積累晶核的數量。添加磷和砷化合物不僅可以防止紅磷燃燒，防止大量煙塵，還可以充分發揮P的作用，從而提高了拉伸強度和伸長率。近年來，國外已經使用粉末冶金來形成主要的Al-P-Cu合金作為變質劑，它們具有許多優點，添加量少，磷回收率高，工藝簡單，無污染，無健康風險等。它的缺點是，主要合金的制備復雜，成本高，推廣應用有限。近年來，當地研究人員通過熔融和鑄造開發了基本的Al-P-Cu合金，并用它們替代了Al-20%SI合金和A390合金。更改后效果非常好，將來需要加強，現場研究與應用。

1.3 多元變質

1.3.1 RE-P-Sr復合變質

RE，P和Sr分別是共晶硅的有效變質元素，其變質性質和作用機理不同，這三種成分的組合具有P-RE和Sr-P混合物優點，它不僅可以實現硅的優良結構，而且可以制成短棒共晶硅，并具有良好的性能持續時間。研究表明，RE+P+Sr是用于過共晶鋁硅合金的出色的復合二階變質劑。Sr在變質過程中表現出優異的共晶硅變質性能，同時，它對硅具有細化作用，正是由于Sr的作用，組合的變質劑RE+P+Sr具有良好的變質劑作用并改善了合金的許多機械性能。

1.3.2 RE-Ba-P復合變質

RE-Ba-P復合變質劑對過共晶鋁硅合金的變質具有重要作用，稀土可以細化共晶硅，Ba元素對稀土的變質能力具有增強作用。RE-Ba-P混合物的變質進一步細化了初晶硅、共晶硅，并且結構均勻分布，可以改善合金的機械性能。

1.3.3 其他多元變質

Re-S-P混合物的變質不會引起相互干擾，硫本身具有雙重變質作用，因此，由這些元素制備的變質劑混合物顯示出良好的變質效果。Re-Cu-P復合材料的變質可以將初生硅晶體的尺寸減小到較小的尺寸，并提高抗拉強度。P-Re-Ba混合物的變質可以進一步細化初生硅硅和共晶硅，使結構更加一致，并改善合金的機械性能。變質鋁硅合金P-Ce-Ba混合物也獲得了良好的結果。由鍶、鈉、鈦、硼和其他元素組成的變質劑比單獨添加鍶具有更好的變質效果，并且可以細化晶粒。

2 結語

綜上所述，Al-Si合金的類型很多，并且較成熟的是一元變質，主要是Na和Sr，變質的發展應基于環保，長期和經濟原則，稀土的變質造價低，影響長，無環境污染。因此，稀土是最重要和最有前途的變質劑，二元變質和多元變質避免了單一變態的局限性，是未來研究的熱點之一。