铸造过共晶铝硅合金组织特性及变质处理探讨

张 凯

(四川职业技术学院 建筑与环境工程系，四川 遂宁 629000)

过共晶铝硅合金具有热膨胀系数低、比强度高、导热性好且耐磨性、耐蚀性、高温强度均突出等优点，在航空航天工业、汽车工业、船舶工业等领域有着十分重要和广泛的应用。但是，过共晶铝硅合金在常规条件下其初晶硅的铸造显微组织多呈粗大板片、多角形以及星状分布，其共晶硅则呈长针状分布。这种内部组织构成在外力作用下会出现严重的应力集中而形成裂纹，并且割裂基体，使得铝硅合金的力学性能显著下降，粗大的初晶硅还会加剧合金在机械加工时的刀具磨损，特别是随着合金中Si 含量的增多，合金的强韧性更是大大下降。因此，需要对过共晶铝硅合金中的初晶硅和共晶硅进行变质细化处理以提高其性能[1]。

1 过共晶铝硅合金的成分与组织特性

1.1 过共晶铝硅合金的成分

由Al-Si 二元合金相图可知，铝硅合金是共晶系的合金，其共晶温度约为5770C。在共晶点时合金中Si 的含量约为12.2wt.%，Si 在αAl固溶体中的溶解度约为1.65%。

应用在工业上的过共晶铝硅合金的Si 含量一般在14～26wt.%范围之间。按照合金中Si 的含量不同，通常将过共晶铝硅合金分成三组：第一组含硅量为16～19wt.% ，第二组含硅量为20～23wt.%，第三组含硅量为24～26wt.%。其中，应用较广泛的是第一组和第二组，如属于第一组的中国的Al-Si18 型、美国的A390 型、英国的LM28 型，属于第二组的德国的KS280 型、俄国的AK21 型；由于第三组含Si 量较高，使得合金脆性增大、铸造性和切削加工性变差，因此工业上较少使用。为改善铝硅合金合金性能，通常还要添加Mg、Cu、Mn、Ni、Re、Co、Zr、Cr、Ti、B 等合金元素[2,3]。

图2 -1 Al-Si 二元合金相图

表1 .1 部分过共晶铝硅合金化学成分

1.2 过共晶铝硅合金的组织特性

过共晶铝硅合金的金相组织主要由初晶硅βSi和共晶体（αAl+βSi）构成，以及为提高性能而添加的合金元素在合金中形成的金属间化合物强化相CuAl2、Mg2Si 和Al2(Si Cu)2RE 等。

初晶硅是金刚石型面心立方的晶格结构，密排面是双层的{111}面，硅晶体结晶时沿着〈111〉晶向生长较慢，而在结晶前沿的液固界面处则有很多的生长台阶，使得晶体沿着与密排面垂直的〈112〉晶悬挂键多，晶粒择优在这个方向快速生长，又由于受到溶体中杂质和能量等因素的影响，沿结晶前沿109.50形成孪晶的凹谷，从而形成片层状，同时受杂质和能量波动的影响还会使结晶沿着与{111}面成70.50夹角进行[3]。因此，初晶硅的铸造显微组织呈粗大板片状、多角形以及星状分布，共晶硅呈现长针状分布的特点[4,5,6]。

2 过共晶铝硅合金的变质处理

变质处理是改善合金的组织形态从而优化其性能的一种有效方法，本文对铸造过共晶铝硅合金变质处理的机理和方法进行了如下探讨。

2.1 过共晶铝硅合金变质作用机理

2.1.1 初晶硅的变质作用机理

图2 -2 粗大板片状组织形态

图2 -3 五瓣星状初生硅组织形态

图2 -4 多角形初生硅组织形态

图2 -5 共晶硅针状组织形态

初晶硅常用赤磷、含磷化合物或含磷合金等作为变质剂。早期的初晶硅采用约0.5wt%的赤磷进行细化变质处理，由于赤磷储存和运输不安全且变质处理时对环境污染大的缺点，已经被逐渐淘汰，取而代之的是采用含磷的化合物或合金添加剂进行变质处理[4]。初晶硅的变质机理通常有以下两种观点：一种是采用磷（P）、锑（Sb）做变质剂的异质核心变质机理。P 和Al 生成的化合物AlP 和Si 都属于金刚石型面心立方晶格，它们的晶格常数分别是αAlp=0.545nm，αSi=0.542nm，再如Sb 和Al 生成AlSb，AlSb 和Si 也都属于金刚石型面心立方晶格，当Si{110}与Al Sb{110}共格、Si{111}与AlSb{111}共格时，它们的晶格常数相差分别是11% 和8%，故两者晶面间的界面能较低，αAlp和αAlSb均可以做为初晶硅的异质核心以增加晶核数目提高形核率，从而使初晶硅得到细化。另一种是采用锶（Sr）、稀土等做变质剂的吸附毒化变质机理。硅晶体生长前沿的液固界面处的界面生长台阶很容易吸附Si 原子，并使晶体择优性地沿着〈112〉晶向生长而形成片状组织形态。当变质处理时，变质剂Sr 原子会优先吸附到界面生长台阶上，使界面产生钝化，Si 原子就难于再在界面处沿着〈112〉晶向生长，从而阻断了初晶硅的五瓣星形孪晶面凹槽生长并诱发出大量的孪晶，由于孪晶的多方向生长使得初晶硅的五瓣星形生长方式变成树枝状，晶粒组织得到了细化。稀土吸附毒化变质处理机理还在不断探索和研究中。目前，稀土吸附的初晶硅变质处理机理共同的观点是：稀土元素如La、Ce 等大量吸附在初晶硅的生长界面前沿表面上，一方面抑制了初晶硅的孪晶面凹槽生长，另一方面还改变了初晶硅的表面能和界面前沿的固/液界面能，这两个因素的同时作用使过共晶铝硅合金中的初晶硅 发生分支从而晶粒得到细化[1，7，8]。

2.1.2 共晶硅的变质作用机理

过共晶铝硅合金的共晶硅不需要单独成核，当采用P 等变质剂在细化初晶硅的同时也会间接地对共晶硅起到细化作用，因此其变质机理同初晶硅。只是单组分的变质剂对合金的组织形貌改变不大，其变质作用也甚微，通常采用P 和其它元素的多组分复合变质处理。当采用稀土元素变质时共晶硅的变质处理机理还在进一步探索中。干扰原子团理论认为，稀土元素使过共晶铝硅合金液中Si-Si、Si-Al 原子团的结合力减弱，使Al-Al 原子团结合力增强，因此诱发了αAl相最先自发成核，在共晶结晶时αAl就最先析出并长大，这样共晶硅的生长受到了阻碍，从而使合金晶粒得到细化[9，10]。

2.2 过共晶铝硅合金变质处理工艺

2.2.1 初晶硅单组分变质处理工艺

通过对初晶硅变质处理机理分析，我们知道P、Sr、Sb、Na 等元素可以对过共晶铝硅合金中初晶硅起到变质作用。第一种方法是向熔融的合金中加入适量的磷盐、赤磷或铜-磷中间合金进行变质处理。不过，这种单组分变质处理方法具有环境污染严重、铝消耗量大、反应废渣多、炉衬腐蚀大等很多缺点。第二种方法是国内外普遍采用的铝-磷中间合金做变质剂进行处理。这种方法可以克服p 单组分变质的各种缺点，而且工艺条件和工艺性能也得到明显改善，不需要做过热处理，只需要在7400C～8400C 温度稳定变质，缩短熔炼时间，提高生产效率。第三种方法是添加稀土元素La、Ce、RE 等做变质剂进行处理。不过，采用稀土元素做变质处理时，要特别注意加入的方法和变质处理的冷却条件、变质温度等工艺条件的控制，否则变质效果会不明显或者没有效果[1 ，7]。

2.2.2 初晶硅复合变质处理工艺

采用复合变质是对过共晶铝硅合金初晶硅变质处理的有效工艺方法。复合变质处理主要有P-C、P-Sr、P-Na、P-S、P-Be、Ce-Sr 和稀土等多种变质处理方法。在采用P-Na 变质处理时，添加有机化合物(C6H5)3PO4和C4H3O4PCl3，1.5wt.%的Cu-10wt.%P 和0.6wt.%的木炭粉进行处理；在采用PS 变质处理时，添加0.8wt.%Ce 和0.1wt.%Sr，变质孕育时间控制在30 分钟，变质温度控制在825℃左右；采用P-Na 变质处理时，添加0.67wt.%Cu3P和0.3wt.%Na2CO3，首先添加Cu3P 保温15 分钟，然后添加Na2CO3保温5～15 分钟；采用P-S 变质处理时，添加0.5wt.%S 和0.1wt.%P，首先用C2Cl6精炼合金，然后添加S 温度控制在800℃静置3 分钟，最后添加P 静置5 分钟，温度控制在800℃下进行浇注；采用Ce-Sr 变质处理时，添加0.8wt.%Ce 和0.1wt.%Sr，变质孕育时间控制在30 分钟左右，变质温度控制在825℃左右；采用变质处理时，可添加P 和混合稀土变质剂，对于Al-22wt.%Si 合金添加0.1wt.%P 和0.6wt.%稀土，P 的变质温度控制在830℃，稀土的变质温度控制在810℃[2，8，6]。

2.2.3 初晶硅的其它变质处理工艺

过共晶铝硅合金初晶硅的变质处理除了添加变质剂进行处理外，还可以采用其它的一些工艺方法进行处理。第一种是电磁搅拌法，这种方法是通过电磁搅拌熔体，使得初晶硅的枝晶破碎或者断裂，达到细化变质的作用；第二种是熔体预处理法，这种方法是通过低温熔体与高温熔体相混，让熔体同时具有高温熔体和低温熔体的性质，从而达到对初晶硅起到变质细化的作用；第三种是快速凝固法，可以通过喷射沉积技术、流体雾化法、激光表面处理技术和悬浮熔炼法等进行快速凝固处理，使初生硅得到细化变质处理；第四种是超声振动法，这种方法是在金属的凝固前或者凝固中对金属熔体施加高强度的超声波，利用超声波的空化和声流作用使合金元素均匀分布，达到细化初生硅的作用[2，10]。

2.2.4 共晶硅变质处理工艺

对共晶硅变质处理主要有以下工艺方法：第一种是Na 变质处理法，添加0.005-0.01%Na 产生吸附毒化机制对初晶硅进行变质细化。需要注意30 分钟后变质效果消退，这种方法缺点是容易产生偏析，对环境的污染较大；第二种是Sr 变质处理法，这是一种目前广泛采用的方法；第三种是Sb 变质处理法，其变质效果不如Na、Sr，这种方法在工艺上要注意快速冷却；第四种是稀土元素变质处理法，这种方法处理时同样也要注意稀土的加入方式和变质处理的工艺条件[3]。

3 结论

过共晶铝硅合金初晶硅的显微组织呈粗大板片状、多角形以及星状分布，共晶硅呈现长针状分布，这样的组织特征使得合金的机械力学性能显著降低，合金对刀具的磨损也加剧。通过变质处理，可改善过共晶铝硅合金的组织形态进而提高其性能。主要方法是通过异质核心变质机制和吸附毒化变质机制添加变质剂进行变质细化，另外就是通过电磁搅拌、熔体预处理、快速凝固和超声波等方法也能进行变质细化，通过这样的变质处理能够显著提高过共晶铝硅合金的机械力学性能和化学耐蚀性能。