变质处理对过共晶Al-Si合金组织和性能的影响--综述

1.铝合金和铸造铝合金的应用

铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢[1-2]。

而铝合金中应用最多的就是铸造铝合金，常用于制造低中强度的形状复杂的铸件，如盖板、电机壳、托架等，也用作钎焊焊料。其延展性较好，常用来做变形合金；填充性较好，常用来做铸造合金。也可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。同时以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。其中过共晶铝硅合金具有密度低、强度高、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数低，加工性能优良且铸造性能好等优点,是一种理想的新型汽车、摩托车等发动机活塞用材料，被广泛用于制造汽车、船舶、飞机的重要结构件[3]。对过共晶铝硅合金进行变质处理可明显改善合金中硅相的形貌、大小和分布,获得良好的力学性能和耐磨性能，是一种理想的新型汽车、摩托车等发动机活塞用材料。同时因其具有热膨胀系数小和耐磨性好等优点而广泛运用于制造内燃机活塞等零件[4]。

2.铝合金的分类

2.1铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类|：

一.变形铝合金

分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。

铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。变形铝合金能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等[5]。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。

二.铸造铝合金

以铝为基的铸造合金，铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系，具有与变形铝合金相同的强化机理，除应变强化外，他们主要的差别在于：铸造铝合金中合金化元素硅的最大含量超过多数变形铝合金中的硅含量，适于熔融状态下充填铸型获得一定形状和尺寸铸件毛坯，铝合金。铸造铝合金除含有强化元素之外，还必须含有足够量的共晶型元素，以使合金有相当的流动性，易与填充铸造时铸件的收缩缝[6]。目前基本的合金只有以下6类；①AI-Cu合金, ②AI-Cu-Si合金③AI-Si合金，④AI-Mg合金，⑤AI-Zn-Mg合金，⑥AI-Sn合金。按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有简单铝硅合金（不能热处理强化，力学性能较低，铸造性能好），特殊铝硅合金（可热处理强化，力学性能较高，铸造性能良好），铸造铝合金在铸态下使用。

3.铸造铝硅合金

铝硅合金aluminium silicon alloy 一种以铝、硅为主成分的锻造和铸造合金。一般含硅11%。同时加入少量铜、铁、镍以提高强度。密度2.6～2.7g/cm3。导热系数101～126W/(m ?℃)。杨氏模量71.0GPa。冲击值7～8.5J。疲劳极限±45MPa。铸造铝合金为传统的金属材

料,由于其密度小、比强度高等特点,广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。

硅含量较低时（比如0.7），铝硅合金的延展性较好，常用来做变形合金；硅含量较高时（比如7%），铝硅合金熔体的填充性较好，常用来做铸造合金。在含硅量超过Al-Si共晶点（硅12.6%）的铝硅合金中，硅的颗粒可量高达14.5%～25%时，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其综合力学性能。它们可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。用作汽缸的铝硅合金，可经过电化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点，其抗擦伤能力和抗磨损性以明显改善。其中含硅量11%～13%的合金以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一[7]。

在含硅量超过Al-Si共晶点（硅11.7%）的铝硅合金中，硅的颗粒可明显提高合金的耐磨性，组成一类用途很广的耐磨合金。当含硅量高达14.5%～25%时，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其综合力学性能。它们可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。用作汽缸的铝硅合金，可经过电化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点，其抗擦伤能力和抗磨损性以明显改善。含硅量11%～13%的合金以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。在金属铝中加入相关的非金属原料可以是铝的物理属性发生变化[8]。

4.铸造铝合金的熔炼

在铸造铝合金中。铝硅类合金具有优良的铸造性能(如收缩率小，流动性好，气密性好，热裂倾向小等)，还有良好的机械性能、物理性能及切削加工性能。所以，铸造铝硅合金在铸造铝合金中，是用途广、用量大、品种多的一类合金。国内熔炼铸造铝硅合金基本上采用传统的熔炼方法，即用预制合金或先熔制成中间合金。再配制成熔炼所需要的合金成分。显然传统熔炼法(也称一次性熔炼)可以缩短熔炼周期，降低能耗。减少金属耗损，提高劳动生产率。国内熔炼铸造铝硅合金基本上采用传统的熔炼方法，即用预制合金或先熔制成中间合金。再配制成熔炼所需要的合金成分。显然传统熔炼法(也称一次性熔炼)可以缩短熔炼周期，降低能耗。减少金属耗损，提高劳动生产率[9]。实践证明，直接加硅及其它金属熔炼铸造铝硅合金，工艺简便可靠，只要熔炼工艺控制得当。操作合理认真，熔炼的合金成分稳定，性能可符合要求。铝合金熔炼过程即装炉→熔化（加铜、锌、硅等）→扒渣→加镁、铍等→搅拌→取样→调整成分→搅拌→精炼→扒渣→转炉→精炼变质及静置→铸造。而铝合金的精炼和变质处理是其中最重要的两个工序。

铸造铝合金的精炼是熔炼过程中最重要的工序。目前存在的精炼方法有二三十种。国内应用最广泛的当属六氯乙烷压入法。近年相继推出了多种方法如两气或三气法、多孔吹头法、高效熔剂法、喷吹熔剂法，无毒精炼剂法等等。总的目标是想提高精炼效率、改善合金质量、减轻环境污染等[10]。为了提高铝硅合金的机械性能，必须对共晶及过共晶的铝硅合金进行变质处理，利用变质剂对铝硅合金进行变质处理，可以明显改善合金的晶相组织、形态与分布，并提高合金的力学性能。尤其在变质剂变质处理基础上综合运用其它方法如添加合金强化元素、进行热处理、激光表面处理]等手段以协同优化合金的凝固组织，则可以大幅度提高合金材料的力学性能[11]。

铝合金的熔炼方法、熔化炉和熔炼工艺的选择，主要依据是否能提供纯净优质的合金液．降低熔炼过程中的金属损耗，提高热效率，降低能耗及减少废气排放等。熔炼方法：国内铸造铝合金的熔炼，基本上仍采用传统的熔炼方法，即先预制合金锭，再经重熔合金锭[12]。前者大部分由冶炼厂或铝锭生产厂完成。而在欧洲、美国和日本，通常采用一次熔炼法，即直接从冶炼厂获得液态铝，不经过二次重熔。熔化气氛及熔化炉：铝合金对熔化条件极为敏感。熔融后，过热与保温的温度和时间同铝液质量的关系极大。熔化过程中气氛不适时，也会导致大量的吸气和熔渣生成。最好是在中性气氛中熔炼。选择熔铝炉要根据熔化批量和合金种类、熔化条件(能源)、熔炉特点和操作条件，以及设备效率和能量消耗等各方面条件，

并结合工厂实际综合决定。

5.铸造铝合金的研究发展及现状

随着现代工业及铸造新技术的发展,对铸造铝合金需求量越来越大。铸造铝合金的研究一直备受关注,由于铝合金的熔点相对较低,故许多学者以其为对象研究铸造过程的机理。同时,为全面发挥铝合金潜力,在铝合金熔炼工艺及铸造工艺上的研究较多,如:铝合金净化、变质、细化、合金化、纯化等,这些先进的工艺技术研究旨在改善铸造合金的工艺性,进一步提高合金的性能,生产出优质铸件,以满足人们对铸件的越来越高的要求[13]。此外,许多特种铸造铝合金也相继研制出,如高强度铸造铝合金ZL 205A ,Ρb可达500 M Pa;耐热铸造铝合金ZL 208,使用温度为250～350℃。随着SiC颗粒的加入,提高了合金的性能,尤其是刚性和耐磨性,并已应用到航空、航天、汽车等领域。同时，可以细化晶粒，显著改善铸造铝合金性能的变质处理技术也在不断的发展，由最常用的Na变质剂，至显著的Sb变质剂，P变质剂，稀土变质剂都在不断的研究发展中。此外,一些新型特种功能的铸造铝合金材料也处于研究应用阶段[14]。尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景。随着现代工业的飞速发展,人们对铸件的可靠性等要求越来越高,同时对合金综合性能和特种性能的要求不断提高。

近十多年来,世界各国在共晶体及初晶Si的变质元素及其变质机理方面进行了深入的研究,并开始致力于双重变质、复合变质的探索和研究。虽然在本世纪二十年代初就出现用钠细化铝硅合金的共晶组织,但对变质处理的研究,至今仍是重要课题。过共晶铝硅合金具有线膨胀系数小、尺寸稳定性高、耐磨、耐蚀性能好、铸造性能好、铸件成本低等一系列优良性能，是一种理想的新型汽车、摩托车等活塞用合金。因此，它被广泛应用于汽车、航天等领域的关键零部件，如发动机活塞、转子等。研究开发高性能过共晶Al Si 合金及其加工工艺是铝工业发展的重要课题之一。特别是进入21世纪后，面临着能源、环境的问题，社会对节能节材的要求不但提高，一些行业特别是汽车业对改变零部件所采用的材料，减轻自重，提高功率质量比一直在研究，而过共晶铝硅合金就是很好的选择[15]。因此，各国材料科学工作者逐渐将过共晶铝硅合金作为新型材料的重点研究对象

由于常规条件铸造的过共晶铝硅合金中通常存在五瓣星形状、板片状、八面体和其它复杂形貌的初晶硅和粗大针状共晶硅，这些分布在合金基体中的较粗大初晶硅和共晶硅，在外力作用下，易引起局部应力集中，从而影响合金的力学性能[16]。此外，常规条件下铸造的过共晶铝硅合金，用其制造的各种零部件，由于合金中粗大的初晶硅和共晶硅硬而脆，在机械加工过程中加快刀具的磨损，并影响机加工后零部件的表面光度，随着硅含量的提高这一问题表现更为突出，因此在实际生产中这类合金很难满足其需求，在工业上未得到广泛的应用。面对21世纪的挑战,传统的铸造合金和先进的制造技术、工艺技术等相结合,将会焕发出新的光彩。同时特种性能的铸造铝合金的研究也亟待不断开发和应用。

1.6选题的目的及意义

铝占地壳总量的8.13%，是蕴藏量最丰富的金属元素之一。铝及其铝合金也是有色金属中用途较广的轻金属。硅具有改善合金的流动性，减小疏松，降低热裂倾向，提高气密性等作用。因此在铝中加入硅，形成的Al-Si合金成为铸造铝合金中品种最多用途最广的一类合金[17]。铝硅合金，按其含硅量的多少，该系合金可分为亚共晶铝硅合金（Si%<11.7%）、共晶铝硅合金（Si%=11.7%）和过共晶铝硅合金（Si%>11.7%）。

为改善铝硅合金的加工性,提高其机械性能在铸造中通常需进行变质处理。铝硅合金具有优良的铸造性能,经过变质处理后具有良好的机械性能和切削加工性能,是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。近十多年来,世界各国在共晶体及初晶Si的变质元素及其变质机理方面进行了深入的研究,并开始致力于双重变质、复合变质的探索和研究。虽然在本世纪二十年代初就出现用钠细化铝硅合金的共晶组织,但对变质处理的研究,至今仍是重要课题[18]。过共晶铝硅合金具有线膨胀系数小、尺寸稳定性高、耐磨、耐蚀性能好、铸造性能好、铸件

成本低等一系列优良性能，是一种理想的新型汽车、摩托车等活塞用合金。因此，它被广泛应用于汽车、航天等领域的关键零部件，如发动机活塞、转子等。研究开发高性能过共晶Al Si 合金及其加工工艺是铝工业发展的重要课题之一。特别是进入21世纪后，面临着能源、环境的问题，社会对节能节材的要求不但提高，一些行业特别是汽车业对改变零部件所采用的材料，减轻自重，提高功率质量比一直在研究，而过共晶铝硅合金就是很好的选择。因此，各国材料科学工作者逐渐将过共晶铝硅合金作为新型材料的重点研究对象[19]。

由于常规条件铸造的过共晶铝硅合金中通常存在五瓣星形状、板片状、八面体和其它复杂形貌的初晶硅和粗大针状共晶硅，这些分布在合金基体中的较粗大初晶硅和共晶硅，在外力作用下，易引起局部应力集中，从而影响合金的力学性能[20]。此外，常规条件下铸造的过共晶铝硅合金，用其制造的各种零部件，由于合金中粗大的初晶硅和共晶硅硬而脆，在机械加工过程中加快刀具的磨损，并影响机加工后零部件的表面光度，随着硅含量的提高这一问题表现更为突出，因此在实际生产中这类合金很难满足其需求，在工业上未得到广泛的应用。而过共晶铝硅合金经过变质处理后初晶硅和共晶硅都得到明显细化，随着硅相的细化和分布均匀化合金的力学性能得到明显改善[21]。

本课题研究的目的就是认识和了解变质处理对过共晶Al-Si合金组织和性能的影响。

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