鋁硅合金變質(zhì)處理研究現(xiàn)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(shù)低，耐磨性高，耐蝕性高，比強度高，成型和附著力好等優(yōu)點。然而在常規(guī)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(yè)變質(zhì)被用于變質(zhì)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(zhì)的研究現(xiàn)狀

鋁硅合金變質(zhì)的主要因素是處理變質(zhì)的過程。關于變質(zhì)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(zhì)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(jù)信變質(zhì)原子對硅晶體的生長有不同的影響，因此硅相的形態(tài)發(fā)生變化以實現(xiàn)變質(zhì)過程。各種變質(zhì)元素的變質(zhì)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(zhì)

美國使用的變質(zhì)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(zhì)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(zhì)

Na是變質(zhì)處理中使用的第一種變質(zhì)劑，也是Al-Si共晶鍵使用最廣泛的變質(zhì)劑，其變質(zhì)效果很強，并且提純處理不會干擾該變質(zhì)效果，硅的初晶相和經(jīng)鈉鹽變質(zhì)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(zhì)劑的主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)令人滿意的變質(zhì)效果，較低的變質(zhì)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(jīng)發(fā)現(xiàn)鈉的變質(zhì)與許多問題有關，例如，變質(zhì)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(zhì)劑的質(zhì)量。對工人的健康和環(huán)境具有不利的的影響。因此，鈉的變質(zhì)逐漸被替代。

1.1.2 鍶變質(zhì)

在歐洲國家和日本使用鍶作為變質(zhì)劑后，我國也逐漸開始研究使用鍶作為變質(zhì)劑的影響。通常認為，其變質(zhì)效果比鈉變質(zhì)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(tài)，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(zhì)作用，低劑量，作用持久，性能的提升，無過度的變質(zhì)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(zhì)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(zhì)期，并具有足夠持久的效果。

1.1.3 銻變質(zhì)

Sb是長效的永久性變質(zhì)劑，改變效果不如Na和Sr好，它通常僅適用于共晶鍵，可變質(zhì)共晶硅。銻可反復使用，不產(chǎn)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(zhì)對鑄件的冷卻程度很敏感，對于冷卻較慢的Sb，其變質(zhì)效果并不明顯。此外，Sb的變質(zhì)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(zhì)作用。

1.1.4 鋇變質(zhì)

Ba在共晶硅中的轉(zhuǎn)化機理與金屬Na和Sr相比，鋇具有廣泛的變質(zhì)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(zhì)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(zhì)效果。但是，Ba變質(zhì)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(zhì)劑時，應避免氯（鹽）的腐蝕作用。

1.1.5 碲變質(zhì)

Te的變質(zhì)機理與Sb極其類似，有些學者表示Te與磷的變質(zhì)相似。碲變質(zhì)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(zhì)劑，對變質(zhì)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(zhì)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(zhì)的合金，千萬不能再用碲進行變質(zhì)，否則會損害其機械性能。

1.1.6 鉍變質(zhì)

鉍是一種周期長久且易于使用的變質(zhì)劑，變質(zhì)過程簡單，資源豐富且價格便宜。Bi的單質(zhì)變質(zhì)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(zhì)不能獲得完整的變質(zhì)結構。變質(zhì)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(zhì)

磷變質(zhì)劑主要用于共晶的鋁硅合金。通常認為磷變質(zhì)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(zhì)核。在過共晶鋁硅合金的變質(zhì)中，磷，磷鹽和含磷合金是目前使用最廣泛，最穩(wěn)定的變質(zhì)劑。

然而，含磷的變質(zhì)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(fā)大量煙氣并嚴重污染環(huán)境。如果使用鋁-磷合金進行改性，則效果更好。根據(jù)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(wěn)定且不污染環(huán)境，但制備工藝非常復雜，成本也高。

1.1.8 稀土變質(zhì)

稀有土壤包含許多元素，其變質(zhì)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(zhì)，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(jù)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(yōu)良變質(zhì)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(fā)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(zhì)劑是耐用的，不會污染環(huán)境，因此從環(huán)境保護的角度出發(fā)，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(zhì)

Ca鹽對共晶硅的細化變質(zhì)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(zhì)點，可以用作Si核的異質(zhì)點，以提純細化硅，合金的機械性能高于鈉變質(zhì)，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(zhì)

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(fā)新的變質(zhì)劑并克服變質(zhì)劑本身的缺點外，尋找混合變質(zhì)方法已經(jīng)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(zhì)劑來進行混合物變質(zhì)處理。

1.2.1 鈉﹑鍶變質(zhì)

研究表明，利用鈉和鍶的共同變質(zhì)的作用，其變質(zhì)機理與Na和Sr相同，但變質(zhì)作用兩者之間相互促進，作用快，有效周期比較長，變質(zhì)作用3天后仍然有效，變質(zhì)效果穩(wěn)定，克服了傳統(tǒng)銻鈉鹽變質(zhì)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(yōu)勢。

1.2.2 鈉﹑鋇變質(zhì)

由Na鹽和Ba鹽組成的組合變質(zhì)劑，具有良好的變質(zhì)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(zhì)有效期短的問題。

1.2.3 磷、鍶變質(zhì)

當使用Sr和P的二元變質(zhì)作用時，不同的Sr.、P加入方式會產(chǎn)生完全不同的變質(zhì)作用，首先添加Sr，然后添加P，以獲得很好的變質(zhì)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(zhì)效果。此外，研究發(fā)現(xiàn)如果同時使用磷，鍶對過共晶鋁硅合金進行變質(zhì)研究時，它們更有可能在鋁液中產(chǎn)生SrP，NaP和其他穩(wěn)定成分，并產(chǎn)生變質(zhì)作用減弱或消失。

1.2.4 磷﹑硫變質(zhì)

0.1%磷和0.5%硫的組合變質(zhì)不僅比單獨使用磷或硫?qū)Τ跎Ч韪?，而且具有硅共晶變質(zhì)效應，使兩者的結構和分布更合理。磷硫變質(zhì)劑具有長效作用，改善了合金的機械性能，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。但是，取代的磷和硫的存在會產(chǎn)生大量有毒氣體，污染環(huán)境并損壞設備。

1.2.5 磷、砷變質(zhì)

由于磷或砷的獨特變質(zhì)作用，異質(zhì)晶核是獨特的，并且晶核的數(shù)目是有限的，如果數(shù)量增加，則AIP將積累晶核的數(shù)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(fā)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(jīng)使用粉末冶金來形成主要的Al-P-Cu合金作為變質(zhì)劑，它們具有許多優(yōu)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?shù)匮芯咳藛T通過熔融和鑄造開發(fā)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(xiàn)場研究與應用。

1.3 多元變質(zhì)

1.3.1 RE-P-Sr復合變質(zhì)

RE，P和Sr分別是共晶硅的有效變質(zhì)元素，其變質(zhì)性質(zhì)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(yōu)點，它不僅可以實現(xiàn)硅的優(yōu)良結構，而且可以制成短棒共晶硅，并具有良好的性能持續(xù)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(zhì)劑。Sr在變質(zhì)過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的共晶硅變質(zhì)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(zhì)劑RE+P+Sr具有良好的變質(zhì)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(zhì)

RE-Ba-P復合變質(zhì)劑對過共晶鋁硅合金的變質(zhì)具有重要作用，稀土可以細化共晶硅，Ba元素對稀土的變質(zhì)能力具有增強作用。RE-Ba-P混合物的變質(zhì)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(zhì)

Re-S-P混合物的變質(zhì)不會引起相互干擾，硫本身具有雙重變質(zhì)作用，因此，由這些元素制備的變質(zhì)劑混合物顯示出良好的變質(zhì)效果。Re-Cu-P復合材料的變質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)劑比單獨添加鍶具有更好的變質(zhì)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(zhì)，主要是Na和Sr，變質(zhì)的發(fā)展應基于環(huán)保，長期和經(jīng)濟原則，稀土的變質(zhì)造價低，影響長，無環(huán)境污染。因此，稀土是最重要和最有前途的變質(zhì)劑，二元變質(zhì)和多元變質(zhì)避免了單一變態(tài)的局限性，是未來研究的熱點之一。