铝硅合金变质处理研究现状

宁军鹏

（太重榆液长治液压有限公司，山西 长治 046000）

铝硅合金具有密度低，膨胀系数低，耐磨性高，耐蚀性高，比强度高，成型和附着力好等优点。然而在常规的Al-Si铸造合金中，存在针状共晶硅和具有复杂形状的共晶硅，这改变了合金的性能。显微组织细化是提高合金强度的有效技术，工业变质被用于变质Si相的微观结构，从而使其可以均匀地分布在具有有利形状和较小尺寸的基体中，从而进一步改善了合金的整体性能。

1 铝硅合金变质的研究现状

铝硅合金变质的主要因素是处理变质的过程。关于变质机理的讨论可以分为两种类型：一类是核化理论。就其对硅相核的作用而言，认为变质剂可提供不均匀的晶核。还有一个是增长理论。就晶体生长角度而言，据信变质原子对硅晶体的生长有不同的影响，因此硅相的形态发生变化以实现变质过程。各种变质元素的变质也与特定的工艺条件密切相关。这需要一定的大量的研究。

1.1 一元变质

美国使用的变质剂主要是锶和钠，欧洲和日本有时使用锑，而加拿大则主要使用钙来使增加变质过程。其他一些元素也有一定作用，但钠和锶是常用的。

1.1.1 钠变质

Na是变质处理中使用的第一种变质剂，也是Al-Si共晶键使用最广泛的变质剂，其变质效果很强，并且提纯处理不会干扰该变质效果，硅的初晶相和经钠盐变质的硅的共晶相主要遵循机理TPRE，这导致硅相改变了它的生长方向。结果硅相的契合度和晶体都趋于球体化。使用Na盐变质剂的主要优点是可以实现令人满意的变质效果，较低的变质成本，无潜伏期变化并且对铸件壁的厚度不敏感，由于该方法成本低廉，使用方便，在我国仍是常用的处理方法。

在实际情况中，已经发现钠的变质与许多问题有关，例如，变质时间短，吸收效率低，工具易于磨损，不适于切割并且容易收缩，这会影响钠变质剂的质量。对工人的健康和环境具有不利的的影响。因此，钠的变质逐渐被替代。

1.1.2 锶变质

在欧洲国家和日本使用锶作为变质剂后，我国也逐渐开始研究使用锶作为变质剂的影响。通常认为，其变质效果比钠变质剂的效果好很多。在Al-Si合金中加入金属锶不只是改变了共晶硅的形态，而且提高了Al-Si合金的硬度，它还改变了α（Al）树枝状晶体的生长行为，促进了很多晶核的形成，并使合金晶粒逐渐细化，从而提高了强度和塑性。锶具有良好的变质作用，低剂量，作用持久，性能的提升，无过度的变质作用，因此引起人们的广泛关注。锶价格昂贵，并且对氮和磷的干扰敏感。

锶金属有一个潜在的变质期，必须提前添加，它可以与Na（盐）同时使用，以消除潜在的变质期，并具有足够持久的效果。

1.1.3 锑变质

Sb是长效的永久性变质剂，改变效果不如Na和Sr好，它通常仅适用于共晶键，可变质共晶硅。锑可反复使用，不产生污染，而且锑具有丰富的资源，价格便宜，易于使用。

但是，Sb的变质对铸件的冷却程度很敏感，对于冷却较慢的Sb，其变质效果并不明显。此外，Sb的变质会引起密度不均，因此通常将Sb作为母体合金添加，Sb不能与Na和Sr的合金材料混合，后者会相互交换并削弱其变质作用。

1.1.4 钡变质

Ba在共晶硅中的转化机理与金属Na和Sr相比，钡具有广泛的变质应用范围，并且在亚共晶，共晶甚至过共晶的铝硅合金中对硅具有变质作用，从而极大地提高了合金的拉伸强度，工艺简单，效果好。它具有持久的影响，并且资源比Sr丰富且便宜，当添加Ba作为主要合金时，可获得Al-Sr合金相同的一个变质效果。但是，Ba变质对冷却速度敏感，对浇铸壁的厚度非常敏感。此外，Ba对氯化物非常敏感，因此在使用金属Ba变质剂时，应避免氯（盐）的腐蚀作用。

1.1.5 碲变质

Te的变质机理与Sb极其类似，有些学者表示Te与磷的变质相似。碲变质剂是含共晶硅的元素，但不会改变硅晶体结构，同时改性了共晶硅，从而提高了Te的拉伸强度和机械性能。Te是周期长的变质剂，对变质效果的影响大于Sb，工艺简单，无烟，无异味，加工无污染。

Te变质的影响也受冷却速率的影响，由于缺乏资源，Te比Na和Sb价格更贵，因此使用较少。还应了解用钠盐，锶盐变质的合金，千万不能再用碲进行变质，否则会损害其机械性能。

1.1.6 铋变质

铋是一种周期长久且易于使用的变质剂，变质过程简单，资源丰富且价格便宜。Bi的单质变质效应不是很理想，并且容易造成密度不一样。通常添加Bi1A1-5%作为基础合金，以防止由于Bi的高密度而导致合金分离。如果添加值小于4%，则Bi化合物的损失率很小，但是通过Bi变质不能获得完整的变质结构。变质后，合金的机械性能没有改善，并且密度容易不均匀，因此主要用于日常铸造。

1.1.7 磷变质

磷变质剂主要用于共晶的铝硅合金。通常认为磷变质的机理是与磷和铝形成铝-磷键，当硅结晶以细化碱性硅晶体时，铝-磷合金充当异质核。在过共晶铝硅合金的变质中，磷，磷盐和含磷合金是目前使用最广泛，最稳定的变质剂。

然而，含磷的变质剂具有以下缺点：红磷的闪点低，运输和储存很危险，分解时会强烈反应，散发大量烟气并严重污染环境。如果使用铝-磷合金进行改性，则效果更好。根据日本和德国的研究，通过粉末冶金法制备的Al-P-Cu对原始合金的初生硅具有完美的改性效果，且改性效果稳定且不污染环境，但制备工艺非常复杂，成本也高。

1.1.8 稀土变质

稀有土壤包含许多元素，其变质机理非常复杂。一些研究人员测试了原子团干扰理论，并认为稀土的添加会限制共晶硅的变质，而另一些研究人员则认为，稀土变化的主要功能是促进硅晶体的分解。据认为，稀土元素可以用作非均匀硅核以改性硅元素。

稀土金属是Al-Si铸件的优良变质剂，适用于替代亚共晶，低共熔和过高键合的Al-Si键。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强化中发挥作用。稀土元素可与合金中的氢形成REH，以减少构件的孔隙率，从而改善合金的整体性能。稀土变质剂是耐用的，不会污染环境，因此从环境保护的角度出发，最好使用稀土作为改性剂。由于我国稀土资源丰富，需要进一步研究以大力鼓励土地利用，特别是低土壤土壤的利用，这将是今后研究的主题。

1.1.9 其他单一变质

Ca盐对共晶硅的细化变质具有良好的作用，作为盐混合物加入到熔体中，表面干净无污染，可以极大地改善结构并提高抗腐蚀能力，并具有除气的作用。将硫添加到熔融铝中以形成Al和S质点，可以用作Si核的异质点，以提纯细化硅，合金的机械性能高于钠变质，它对模具的冷却速度不敏感，但对设备也有腐蚀作用。

1.2 二元变质

由于仅一种更改方法的局限性，很难获得最佳的总体效果。因此，除了开发新的变质剂并克服变质剂本身的缺点外，寻找混合变质方法已经成为铝硅合金研究领域的重要课题。当前，更常见的是在铝硅合金中使用两种或更多种变质剂来进行混合物变质处理。

1.2.1 钠﹑锶变质

研究表明，利用钠和锶的共同变质的作用，其变质机理与Na和Sr相同，但变质作用两者之间相互促进，作用快，有效周期比较长，变质作用3天后仍然有效，变质效果稳定，克服了传统锑钠盐变质剂的劣势。这不仅缩短了锶的潜伏期，而且还具有减缓钠损失的优势。

1.2.2 钠﹑钡变质

由Na盐和Ba盐组成的组合变质剂，具有良好的变质作用，效果快，持久和重塑性能改善了合金的力学性能，解决了Na盐变质有效期短的问题。

1.2.3 磷、锶变质

当使用Sr和P的二元变质作用时，不同的Sr.、P加入方式会产生完全不同的变质作用，首先添加Sr，然后添加P，以获得很好的变质效果。研究还表明，磷和锶与熔融铝的反应损害了磷和锶的变质效果。此外，研究发现如果同时使用磷，锶对过共晶铝硅合金进行变质研究时，它们更有可能在铝液中产生SrP，NaP和其他稳定成分，并产生变质作用减弱或消失。

1.2.4 磷﹑硫变质

0.1%磷和0.5%硫的组合变质不仅比单独使用磷或硫对初生晶硅更好，而且具有硅共晶变质效应，使两者的结构和分布更合理。磷硫变质剂具有长效作用，改善了合金的机械性能，可以满足工业生产的需要。但是，取代的磷和硫的存在会产生大量有毒气体，污染环境并损坏设备。

1.2.5 磷、砷变质

由于磷或砷的独特变质作用，异质晶核是独特的，并且晶核的数目是有限的，如果数量增加，则AIP将积累晶核的数量。添加磷和砷化合物不仅可以防止红磷燃烧，防止大量烟尘，还可以充分发挥P的作用，从而提高了拉伸强度和伸长率。近年来，国外已经使用粉末冶金来形成主要的Al-P-Cu合金作为变质剂，它们具有许多优点，添加量少，磷回收率高，工艺简单，无污染，无健康风险等。它的缺点是，主要合金的制备复杂，成本高，推广应用有限。近年来，当地研究人员通过熔融和铸造开发了基本的Al-P-Cu合金，并用它们替代了Al-20%SI合金和A390合金。更改后效果非常好，将来需要加强，现场研究与应用。

1.3 多元变质

1.3.1 RE-P-Sr复合变质

RE，P和Sr分别是共晶硅的有效变质元素，其变质性质和作用机理不同，这三种成分的组合具有P-RE和Sr-P混合物优点，它不仅可以实现硅的优良结构，而且可以制成短棒共晶硅，并具有良好的性能持续时间。研究表明，RE+P+Sr是用于过共晶铝硅合金的出色的复合二阶变质剂。Sr在变质过程中表现出优异的共晶硅变质性能，同时，它对硅具有细化作用，正是由于Sr的作用，组合的变质剂RE+P+Sr具有良好的变质剂作用并改善了合金的许多机械性能。

1.3.2 RE-Ba-P复合变质

RE-Ba-P复合变质剂对过共晶铝硅合金的变质具有重要作用，稀土可以细化共晶硅，Ba元素对稀土的变质能力具有增强作用。RE-Ba-P混合物的变质进一步细化了初晶硅、共晶硅，并且结构均匀分布，可以改善合金的机械性能。

1.3.3 其他多元变质

Re-S-P混合物的变质不会引起相互干扰，硫本身具有双重变质作用，因此，由这些元素制备的变质剂混合物显示出良好的变质效果。Re-Cu-P复合材料的变质可以将初生硅晶体的尺寸减小到较小的尺寸，并提高抗拉强度。P-Re-Ba混合物的变质可以进一步细化初生硅硅和共晶硅，使结构更加一致，并改善合金的机械性能。变质铝硅合金P-Ce-Ba混合物也获得了良好的结果。由锶、钠、钛、硼和其他元素组成的变质剂比单独添加锶具有更好的变质效果，并且可以细化晶粒。

2 结语

综上所述，Al-Si合金的类型很多，并且较成熟的是一元变质，主要是Na和Sr，变质的发展应基于环保，长期和经济原则，稀土的变质造价低，影响长，无环境污染。因此，稀土是最重要和最有前途的变质剂，二元变质和多元变质避免了单一变态的局限性，是未来研究的热点之一。