过共晶铝硅合金复合变质的研究进展

1、工业技术过共晶铝硅合金复合变质的研究进展孙虎（江苏省宿迁学院三系江苏宿迁）摘要:初晶硅以及共晶硅的形态对过共晶铝硅合金的性能影响很大,传统的单一变质难以同时改善初晶硅和共晶硅的形态。目前国内外已有P-Sr、P-RE以及P-Sr-RE复合变质等一些研究,并且复合变质机理以及交互作用也有一定的研究成果,本文综述了各种复合变质方法的效果及复合变质机理,并对复合变质工艺提出一些建议。关键词:过共晶铝硅合金 复合变质 初晶硅 共晶硅中图分类号:O643文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)05(c)-0102-02过共晶铝硅合金的热膨胀系数更小、密度更小,也更耐磨和耐蚀的特性更适合目前内

2、燃机向高功率、高速度发展的趋势,也更节省燃料,降低污染,正成为传统共晶铝硅活塞的更新换代材料。但是过共晶铝硅合金中初晶硅呈粗大板片状、五星瓣状,而共晶硅呈粗针状,严重降低了材料的力学性能和切削性能。如何改善初晶硅及共晶硅的形貌成为国内外过共晶铝硅合金应用研究的重点14。目前控制硅相形态主要有物理法、化学法。常用的物理法主要为机械搅拌、电磁搅拌5,6等半固态成形来控制硅相的技术,虽然硅相的组织形态得到极大的改善,但是由于其设备昂贵,工艺复杂,效率低下,并不适合工业上的量产化,仅停留在实验室的阶段。而化学法多为化学变质细化法,传统的单一变质法,如P盐或为含P的中间合金变质初晶硅,或Na盐或Sr盐变

3、质共晶硅,虽工艺简单,但变质细化效果仅限于单一初晶硅相或者共晶硅相,无法兼顾两者的形态。目前国内外广泛对过共晶铝硅合金进行复合变质的研究,并取得了一定的效果。本文综述了目前复合变质的一些主要种类及其变质机制的进展情况。Si,促使原来熔液中硅晶胚和原子集团快速生长至晶核尺寸,而成为晶核,故使熔液中硅核心数大大增加,因此可以细化初晶硅7。介于Sr和P可以分别变质细化共晶硅和初晶硅,且变质效果较好,国内外展开了关于P-Sr复合变质的广泛研究。逯允海8等研究了P-Sr复合变质对Al-21Si-1.5Cu-0.5Mg-2.5Fe合金显微组织与性能的影响,发现P-Sr复合变质并没有取到预期较好的初晶硅、共

4、晶硅双重变质效果,认为P与Sr同时加入时,会生成Sr3P2,P会毒化Sr,减弱了Sr细化共晶硅的作用的,同时也消耗了P,使初晶硅的变质效果不佳。李华基等9对P、Sr及P-Sr复合变质加入顺序对Al-24%Si合金组织形貌的影响进行了研究,发现P对初晶硅的细化起作用,而Sr对共晶硅起细化作用,但能裂解初晶硅。而复合变质的加入顺序对合金组织影响很大。先加P后加Sr复合变质时,共晶硅呈圆点状,细化作用较单一Sr变质时好,但对初晶硅的细化变质效果不明显;先加Sr后加P复合变质时,初晶硅的尺寸更加细小,其变质效果较单一P变质好,但对共晶硅的作用不明显。匀,而共晶硅也由长针状变为短杆状。同时认为P-RE复

5、合变质机理做了一些研究,认为P-RE并不存在相互毒化的效果,因此可以获得比较理想的合金组织。孙淑红等11在对不同硅含量的过共晶铝硅合金进行P-RE复合变质后发现,在硅含量为20%和25%时,复合变质效果良好,而当硅含量超过30%以后,合金中初晶硅的细化效果并不是很明显。余焕伟等12在对A392合金进行P-RE复合变质后发现,过量的RE会导致合金中出现大量的RE富集物,不但会降低初晶硅细化效果,而且还降低合金的力学性能。同时国内的一些学者还对P-RE复合变质后合金的性能进行了深入研究,发现复合变质合金的耐磨性有明显提高,而冲击韧性有一定的提升13,14。复合变质P-Sr复合变质虽然对初晶硅和共晶

6、硅都能起到良好的变质效果,但是P与Sr的交互作用会出现相互毒化的现象,而P-RE复合变质虽然不存在相互抵消的效果但是稀土的价格偏高也是制约其工业应该的主要因素。因此关于P-Sr-RE的三元复合变质的研究也引起了国内学者的重视。徐国庆等15通过Al-P-RE-Sr对含硅量较高Al-30%Si合金进行复合变质。发现P-Sr-RE复合变质剂可同时细化初生硅和共晶硅,使初晶硅长时间成弥散状态,不发生聚集,且平均尺寸不超过35m,同时共晶硅也被细化成纤维状或点状,变质长效性可达7h以上;材料的力学性能也得到了提高,抗拉强度达到234.3MPa,伸长率达到3.0%;同时不论是金属型模具还是石墨模具都有良好

7、的变质效果。逯允海等8通过对P-Sr复合变质剂中添加稀土元素Ce后研究过共晶铝硅合金的组织变化,发现添加Ce元素可以改善粗大针状铁相,使其形成富Ce富Fe的鱼骨状相,从而提高合金的力学性能。李高宏等16对过共晶铝硅合金通过P-Sr-RE复合变质和电磁搅拌的综合作用来控制合金的组织,发现复合变质后初晶硅的平均尺寸可达25m,而当施加旋转磁场后可进一步复合变质复合变质Sr是现在常用的铝硅合金变质元素,是一种长效变质剂,它的变质效果像Na一样能使共晶硅由板片状转变为纤维状,同时又不存在Na变质的易衰退、吸收率低、易腐蚀工具和设备等缺点,且Sr的回收率可高达90%,所以国内已广泛采用Sr变质取代Na变

8、质铝硅合金中的共晶硅。P常作为过共晶铝硅合金的变质剂。未经变质的高硅铝合金中,初晶硅一般呈树枝状,其分枝呈强烈的晶体学特征,且具有一定的方向性。磷在合金液中容易与铝反应生产熔点较高的、细小的AlP化合物。AlP的熔点在1000以上,其与Si均为立方晶格,且晶格常数相近,依据共格对应原则,AlP可作为Si结晶时的异质核心,同时增加了熔液中硅原子集团的浓度起伏,并与Si结合成联键AlP-稀土元素是一种极佳的铝硅合金的变质剂,并在国内外有广泛的研究。微量稀土元素可以使Al-Si合金中Si相由粗大的板片状转变为细小的纤维状,因此合金的性能得到很大的改善。RE的变质机理较为复杂,它与P异质核心的变质机理

9、不同,R.Kummei提出的干扰原子团理论,认为RE 加入后减弱了Si-Si、Si-Al原子团的结合而加强了Al-Al原子团的结合,导致-Al相作为领先相首先析出并长大,从而限制了共晶硅的生长,但RE对初晶硅的影响很小10。P-RE复合变质效果较好,目前国内外对此研究非常深入。余国勋等对过共晶Al-24%Si合金进行了单一磷、稀土及磷和稀土双重复合变质处理,发现P和RE双重复合变质能够有效地细化合金的组织,变质后合金中的初晶硅晶粒明显细化,且分布均科技资讯工业技术强化变质效果并有效细化-Al枝晶尺寸。理,2003,28(1):3538.3Schneider W. A New Method fo

10、r theRefinement of Primary Silicon of Hy-pereutectic Al-Si Alloys in Direct Chilland Ingot CastingA.Light MetalsC.USA:Denver,1993.815.4印飞,曾振鹏.半固态铸造铝合金材料的研究现状J.特种铸造及有色合金,2000,3:4446.5毛卫民,李树索,赵爱民,等.电磁搅拌对过共晶Al-Si合金初生Si分布的影响J.金属学报,2001,37(7):781784.6毛卫民,李树索,赵爱民,等.电磁搅拌对过共晶Al-Si合金初生Si长大过程和形貌的影响J.材料科学与工艺,2

11、001,9(2):117121.7赵玉涛.过共晶Al-23%Si合金中硅相生长的研究J.铸造技术,1996(6):4346.8逯允海,赵品.添加Ce与P_Sr复合变质对高硅耐热铝合金组织与性能的影响J.热加工工艺,2006,35(9):1719.9李华基,吴玉露,胡慧芳.Al-24%Si过共晶合金的磷锶变质效果研究J.金属铸锻焊技术,2010,39(13):5759.10赖华清,毛高波.磷-稀土复合变质对过共晶Al-18%Si的合金组织的影响J.工艺材料,1998(2):1719.11孙淑红,张家涛,彭著刚,等.复合变质路面排水路面排水的任务是迅速排除路面范围内的降水，减少水从路面渗入，使之不

12、冲刷路基边坡。路拱横坡应2%。雨水排出路面有两种方式。第一种是集中排水，在硬路肩外侧设置水泥混凝土预制块或现浇沥青混凝土的拦水带，以其与硬路肩路面构成三角形的集水槽流水，每隔20m50m间距设一泄水口与路堤边坡急流槽衔接将雨水排到坡脚排水沟中。设超高路段的排水通过设在中央带的园形开口排水沟或雨水井进行排除。在降水量低的地区大多采用在中央分隔带设过水槽排水。第二种是分散排水，多用于地势平坦地区，路线纵坡小于0.3%的长路段，除了硬化路肩和加固路基边坡外，在经过地下水位较高的绿洲地带，也要防止边坡上部的植草向上生长挡住横向排水出路造成路表积水，改进的方法是硬化路肩，设置路肩排水沟，增大沟坡排水。地

13、下排水路基地下排水仍多用暗沟、盲沟、渗沟、渗井等，其特点是以渗透力式排水。当水流量较大，多采用带渗水管的渗沟。传统对过共晶铝硅合金晶体形貌的影响J.昆明理工大学学报(理工版),2005,30(1):2224.12余焕伟,杨明升,张天清,等.P-RE复合变质对A392合金中初晶硅的影响J.特种铸造及有色合金,2008,28(6):480484.13刘扭参,刘忠侠.复合变质对Al-20Si合金冲击性能的影响J.特种铸造及有色合金2008年年会专刊:146148.14刘扭参,刘忠侠,陈冲.复合变质对Al-20%Si合金耐磨性能的影响J.铸造,2007,56(10):10951097.15徐国庆,纪坤

14、,金云学.Al-P-RE-Sr复合变质过共晶铝硅合金J.金属铸锻焊技术,2008,37(11):2833.16李高宏,李建平,夏峰.复合变质和电磁搅拌对过共晶铝合金组织的影响J.热加工工艺,2004,6:911.结语综上所述,对于过共晶铝硅合金的复合变质研究主要在于初晶硅和共晶硅的双重变质,P是一种有效泛用的初晶硅的变质,因此过共晶铝硅合金复合变质工艺中往往都含有P元素,而共晶硅的变质剂种类较多,因此在选用的时候往往注重变质剂的交互作用,选用无相互毒化的变质剂复合,或者通过调整变质剂的加入顺序可以降低因相互抵消而导致的变质效果变差的影响。为了获得更佳的复合变质效果,有必要从以下几方面进行探索性

15、研究。(1)深入研究各种变质剂的变质机理以及各种变质剂复合加入时的交互作用,为复合变质工艺提供理论依据。(2)探索更多更廉价的不含P的初晶硅的变质剂,使复合变质的方式多样化。(3)研究复合变质结合一些物理作用的方法,比如复合变质与机械搅拌综合作用控制合金的组织。参考文献1袁晓光,张淑英.快速凝固耐磨高硅铝合金研究现状J.材料导报,1996,10(2):1015.2叶春生,潘冶,等.温热处理对过共晶铝硅合金半固态组织的影响J.金属热处（上接页）坡别补难以保证路堤的整体稳定。的砂砾料反滤层多改用有反滤功能的土工织物。路基排水施工水是影响路基强度和稳定性的另一重要因素，许多路基病害是雨水的侵蚀造成的另外，从保护环境、不损害当地农田水利设施考虑，也必须做好路基排水，形成排水系统，并与地区排水规划相协调。在路基施工中，应重视施工排水。防止因各种原因造成的水患，给路基、路面施工造成不必要的损失。地面排水通常采用的地面排水设施是边沟、截水沟、跌水、急流槽以及地表的排水管。对于高速公路和一级公路上的排水沟渠，一般都要求铺砌防护。普遍采用浆砌片石加固、而水泥混凝土预制板块也开始广泛应