[科普中國]-鋁硅合金

簡介

Al-Si合金是很重要的一種工業(yè)合金，廣泛地應(yīng)用于航空、交通、建筑、汽車等重要行業(yè)，也用于制造低中強(qiáng)度的形狀復(fù)雜的鑄件，如蓋板、電機(jī)殼、托架等，也用作釬焊焊料。該合金是一種典型的共晶型合金，相圖簡單，沒有中間化合物產(chǎn)生。它具有鑄造性能好，比強(qiáng)度高，價(jià)格不高等優(yōu)點(diǎn)。鋁是第三主族元素，而硅是半導(dǎo)體元素，兩者相互間的固溶度很小。2

性能及用途硅含量較低時(shí)（比如0.7），鋁硅合金的延展性較好，常用來做變形合金；硅含量較高時(shí)（比如7%），鋁硅合金熔體的填充性較好，常用來做鑄造合金。在含硅量超過Al-Si共晶點(diǎn)（硅含量為12.6%）的鋁硅合金中，硅的顆粒含量高達(dá)14.5%～25%時(shí)，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其綜合力學(xué)性能。它們可用于汽車發(fā)動機(jī)中代替鑄鐵汽缸而明顯減輕重量。用作汽缸的鋁硅合金，可經(jīng)過電化學(xué)處理以浸蝕表層鋁而在缸內(nèi)壁保留鑲嵌于基體的初生硅質(zhì)點(diǎn)，其抗擦傷能力和抗磨損性以明顯改善。其中含硅量11%～13%的合金以其質(zhì)輕、低膨脹系數(shù)和高耐蝕性能等特點(diǎn)而成為最佳的活塞材料之一。

電熱法生產(chǎn)電熱法生產(chǎn)鋁硅合金的冶金溫度大約在2000℃左右；在冶金過程中，氧化鋁和氧化硅呈液態(tài)，一般用炭質(zhì)還原劑進(jìn)行還原；礦熱爐一般能達(dá)到的最高溫度大約在1350~2200℃左右。

鋁硅合金的成分、組織、性能鋁硅二元合金具有簡單的共晶型相圖，如圖，室溫下只有α（Al）和p（Si）兩種相，α（Al）的性能和純鋁相似，β（Si）的性能和純硅相似。共晶合金的Si含量為12.6%，亞共晶合金的組織由α（Al）+共晶體（α+p）所組成，過共晶合金的組織由β（Si）+共晶體（α+β）所組成。由于結(jié)晶硅帶入微量磷，即使10ppm的磷生成AlP就足以使Si含量為9%的亞共晶合金中出現(xiàn)初晶硅，并使共晶硅形成粗大的板片狀。

隨硅量的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間變小，共晶體增加，流動性隨之提高。硅的收縮率很小，合金的線收縮率也隨之降低，熱裂傾向相應(yīng)減少；硅的結(jié)晶潛熱大，直至Si含量為20%處，流動性仍比共晶成分的合金高。含Si量為16%～18%時(shí)有流動性的峰值。

共晶型AI-Si二元合金雖有優(yōu)良的鑄造性能，但由于力學(xué)性能不高，故只能用于壓鑄、擠壓鑄造等高速冷卻的鑄造方法；對于砂型鑄造，石膏型鑄造等冷卻速度慢的鑄造方法，必須進(jìn)行變質(zhì)處理，細(xì)化共晶硅，以獲得足夠的力學(xué)性能。

細(xì)化共晶硅的變質(zhì)處理不能同時(shí)細(xì)化初晶硅，對于有大量初晶硅的過共晶合金，必須采用加磷細(xì)化初晶硅，提高力學(xué)性能。

含硅量對Al-Si二元合金耐磨、耐蝕、線膨脹系數(shù)，密度、電導(dǎo)率等有影響。隨硅量的增加，磨損量、腐蝕量、線膨脹系數(shù)、密度、電導(dǎo)率均直線下降。

鋁的塑性大，切削時(shí)需消耗很大的功，隨硅量增加，共晶體增多，切削功可減小，但共晶硅硬度高，易磨損刀具，尤其是有粗大初晶硅的過共晶合金，刀具磨損更嚴(yán)重，被加工的表面很毛糙。為改善切削加工性能，除進(jìn)行相應(yīng)的變質(zhì)處理，細(xì)化共晶硅、初晶硅外，可加入鉍、鉛等易切削元素；對過共晶合金可采用鑲嵌鉆石刀具，選擇最佳切削速度和合適的切削液等，也能獲得光潔的加工表面。

綜上所述，為了兼顧合金的各種服役性能和工藝性能，鋁硅類合金的含硅量一般為7%～12%。

Al-Si二元合金的代表是ZL102合金，成分為Si含量10%～13%，剩下的為鋁，金相組織為α（Al）+共晶體（α+β）及少量初晶硅。ZL102合金具有如下特點(diǎn)。

1）熱處理強(qiáng)化效果小，力學(xué)性能不高

577℃時(shí)硅在α（Al）固溶體中的溶解度為1.65%，室溫下降至0.05%。但熱處理強(qiáng)化效果不大，固溶處理后人工時(shí)效只能使合金強(qiáng)度提高10%～20%，因?yàn)楣璧某恋砗图鬯俣群芸欤踔凉倘芴幚頃r(shí)都可能發(fā)生固溶體分解，析出硅質(zhì)點(diǎn)，不形成共格或半共格的過渡相，因此一般只進(jìn)行退火消除內(nèi)應(yīng)力。ZL102的力學(xué)性能不高。

2）鑄造性能優(yōu)良

近共晶的Al-Si二元合金的結(jié)晶溫度區(qū)間小，硅的結(jié)晶潛熱大，故流動性能為鑄鋁合金中之冠，集中縮孔傾向大，應(yīng)設(shè)置合理的冒口，能獲得致密的鑄件，直至破壞前不會引起滲漏，硅降低氫在鋁液凝固后的溶解度，如精煉不當(dāng)，容易產(chǎn)生針孔。

3）耐磨性，抗蝕性，耐熱性好

Al-Si二元合金具有軟相α（Al）和硬相硅，是典型的耐磨組織，耐磨性好；α（Al）和共晶硅的電子電位相差不大，表面一層Al2O3，組織致密，對基體具有保護(hù)作用，因此耐蝕性好；ZL102合金的共晶溫度為577℃，高于其余鑄鋁合金，溫度升高時(shí)沒有強(qiáng)化相溶解或聚集現(xiàn)象，因此耐熱性最好。

4）必須進(jìn)行變質(zhì)處理，提高力學(xué)性能

變質(zhì)前的力學(xué)性能低，切削加工性能差，必須進(jìn)行變質(zhì)處理，使板片狀的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀，并消除初晶硅，大幅度提高力學(xué)性能。

綜上所述，ZL102合金適用于壓鑄件或要求耐蝕、耐磨；承受中小載荷的薄壁、復(fù)雜鑄件如各種儀表的框架、亮體、基座等。3

鋁硅合金的變質(zhì)處理變質(zhì)處理的意義鑄造鋁硅合金因具有密度低、強(qiáng)度高、耐磨耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，是鑄造鋁合金中應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)量最大的一類合金。鋁硅二元相圖為典型的共晶型相圖，共晶點(diǎn)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.7%，共晶溫度為577℃。硅在鋁中最大固溶度為1.65%，室溫時(shí)固溶度約為0.05%，共晶反應(yīng)為：，根據(jù)硅含量的高低，將鋁硅合金分為亞共晶型、共晶型和過共晶型合金。在常規(guī)鑄造鋁硅合金的組織中，存在針狀的共晶硅和粗大的形狀復(fù)雜的初晶硅，惡化了合金的性能。在工業(yè)上采用變質(zhì)處理來改變硅相的形貌，使其以有利的形狀、較小的尺寸均勻分布在基體中，對于提高鑄造鋁硅合金的性能具有很好的效果。4

變質(zhì)的方法及效果能對鋁硅合金中共晶硅起到變質(zhì)作用的元素有多種，如Na、Sr、Ba、Bi、Sb和稀土元素Ce等。其中變質(zhì)作用最為顯著、在生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的是Na，近年來Sr變質(zhì)也逐漸在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。

當(dāng)用含有氟化鈉成分的復(fù)合鹽類變質(zhì)劑（例如成分為ωN?F=45%，ωN?Cl=40%，ωKCl=15%）對鋁液進(jìn)行處理，或往鋁液中加入AI-Sr合金，以使鋁液中含有殘留Na為ωNa0.001~0.003%或殘留Sr為ωSr=0.01～0.03%時(shí)， 能得到良好的變質(zhì)效果，使合 金組織中的共晶硅變成纖維狀從而顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性。

變質(zhì)處理除了改變硅晶體結(jié)構(gòu)外，還使合金的共晶程度有所改變。用Na進(jìn)行變質(zhì)處理，會使共晶點(diǎn)右移，即使共晶含硅量增高，因此當(dāng)處理前合金為共晶成分時(shí)，經(jīng)過處理后即變?yōu)閬喒簿С煞帧?/p>

變質(zhì)處理在鑄造鋁合金生產(chǎn)上應(yīng)用非常普遍，實(shí)際上對ωSi=5~11%的鋁硅合金都實(shí)行晶成分范圍內(nèi)，隨合金含硅量的提高，變質(zhì)的效果越顯著，前且變質(zhì)處理在提高合金塑性方面的效果比在提高強(qiáng)度方面更為顯著。

變質(zhì)處理的效果還與合金的結(jié)晶過冷度（鑄件的冷卻速度）有關(guān)，鑄件壁愈厚，即冷卻愈緩慢時(shí)，變質(zhì)處理的效果愈小。這稱為變質(zhì)處理的壁厚敏感性。同理，變質(zhì)處理在金屬型鑄造條件下的效果比砂型鑄造更顯著。不同變質(zhì)元素的壁厚敏感性大小不同。用Na或Sr進(jìn)行變質(zhì)時(shí)，壁厚敏感性較小，而用Sb或Bi進(jìn)行變質(zhì)時(shí)，壁厚敏感性較大，即只有在較薄壁鑄件或在金屬型鑄造條件下，才有顯著的變質(zhì)效果。

鋁硅合金的變質(zhì)處理也有衰退的現(xiàn)象，即變質(zhì)的效果隨著處理后時(shí)間的延長而逐漸消失。這一點(diǎn)與鑄鐵中孕育衰退的現(xiàn)象是相似的。變質(zhì)效果的衰退是由于合金中變質(zhì)元素的殘留量隨時(shí)間的延長而逐漸降低引起的。在鋁液的溫度下，合金中所含的Na或Sr或被氧化，或與型砂中的水分起作用而消失，而消失的速度則在一定程度上與變質(zhì)元素的化學(xué)活潑性有關(guān)。此外，變質(zhì)元素的熔點(diǎn)及相對密度也對消失速度有影響。從變質(zhì)作用有效時(shí)間來看，Na的變質(zhì)有效時(shí)間最短，只有30~60min，Sr為6~7h，Ba在5h以上，Sb的有效時(shí)間長達(dá)100h以上，而Te則幾乎能無限長地保持其變質(zhì)作用，而且即使合金經(jīng)過重熔，也不發(fā)生變質(zhì)衰退的現(xiàn)象。

雖然鈉的變質(zhì)有效時(shí)間短，會給生產(chǎn)帶來不便，但它的變質(zhì)效果最強(qiáng)，因此在生產(chǎn)上仍被普遍采用。Sr有較強(qiáng)的變質(zhì)作用，同時(shí)又有足夠長的變質(zhì)；有效時(shí)間，但Sr價(jià)貴，且Sr變質(zhì)會使合金增加吸氣，故目前還不能取代Na。5