铝硅合金细化处理的研究进展

图 4 大凝固界面温度梯度半连续铸造过共晶 A -l S i合金 铸态金相组织
5结 语
目前, 关于 A1-S i系合金材料变质 处理的研究已 相对成熟, 在铸造型 A -l S i合金中得到广泛应用, 该类 合金大量应用于汽车工业领域, 具有变质成本低、变质 效果好等优点。 A -l S i系合金喷射成形技术在部分工 业发达国家已经进行了产业化生产和应用, 取得了显 著的技术成果和可观的经济效益, 我国在这方面也取 得了较为显著的进步。通过开发新型铸造工艺、改变 铸造条件来细化铝硅合金及初晶硅尺寸是最简单直接 的方法, 东北大学的专利工艺已在新疆众和股份有限 公司形成了工业化示范生产线, 通过大凝固界面温度 梯度半连续铸造方法制备的铝硅合金铸坯, 可实现大 塑性变形, 形成具有复杂薄壁断面挤压型材, 用来替代 6XXX 系合金作为挤压合金使用, 其在节约资源、能源 和提高合金力学性能等方面占有优势, 成为新一代的 铝硅合金生产方法。
度半连续铸造法等。指出在铸 造过程中加强冷却能力、获得高的凝 固界面温度 梯度和界 面过冷, 可 以显著细 化铝硅 合金及 其初晶
硅尺寸, 从而获得高性能铝硅合金。
关键词: 铝硅合金; 细化; 初晶硅
中图分类号: TG24
文献标识码: B

文章编号: 0253- 6099( 2011) 02- 0114- 03
较早的国家是德国。近年来, 国内外对 RE 变质 A -l S i 合金的研究报道较多, 稀土的变质机理较为复杂, 普遍 认为的是稀土元素的原子吸附在晶体生长前沿, 阻碍 晶体长大。 Sh iW X 等人 [ 2] 研究了 N d对 A -l 20% S i合 金的变质处理, 发现在熔体中添加 0. 3% 的 N d可显著 细化共晶组织和初晶硅。
铝硅合金具有密度小、热膨胀系数小和耐磨性好 的特点, 因此此类合金在生产耐磨性要求高的工件上 得到了广泛的应用。但是, 在传统的铸造工艺条件下, 随着 S i含量的不断增加, 铝硅合金在其凝固过程中, 除了存在 A -l Si共晶组织之外, 还会形成粗大 的多边 形片状初晶硅。初晶硅的存在会使合金的机械加工性 能与力学性能降低。因此, 如何改变铝硅合金中初晶 硅的尺寸形貌, 提高合金的性能, 成为铝硅合金研究的 重点工作。本文系统介绍了各种铝硅合金制造过程中 初晶硅细化方法。
¹ 收稿日期: 2010-11-23 作者简介: 刘 杰 ( 1968 - ), 男, 新疆乌鲁木齐人, 高级工程师, 主要从事铝合金材料及加工研究。
第 2期
刘 杰: 铝硅合金细化处理的研究进展
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的共同作 用下, 变质 效果稳 定, 抗衰 退能 力增强 [ 5] 。 东北大学 [ 6] 用 P 和 S 复合变质 A 1-26% S i合金, 发现 两者同时加入无相互抵消作用, 其变质合金的抗拉强 度比未变质前提高 45% 。文献 [ 7- 8] 的研究表明, 将 A l- P-T -i T iC-La2O 3 加入 A -l 20% S i合金中, 在 850 e 保温 30 m in, 使合金中初晶硅尺 寸从 150 Lm 减小至 18 Lm。N a变质正常的铸态相组织如图 1所示 [ 5 ] 。
V ives尝试了利用交流电流和静磁场产生的电磁 振动来细化铝硅等铝合金的凝固组织, 并提出在铝合 金的连续铸造过程中, 采用交流和直流磁场共同作用 来控制铝合金的凝固组织的设想。 Rad ja i等研究了强 磁场和交流电流产生的电磁振动对亚共晶和过共晶铝 硅合金的细化效果。文献 [ 13]报道称, 对过共晶 A -l S i 合金进行电磁搅拌后, 针状或多边形状初晶 S i变得细 小、圆整, 且分布均匀, 针状及条状第二相发生断裂, 长 度减小, 形状圆整而细小, 分布也趋于均匀, 合金的力 学性能也有很大提高。通过研究发现, 对 A -l 17. 5S i合 金来说, 电磁搅拌最佳效果是在搅拌电压为 50 V 的条 件下, 合金力学性能最好。文献 [ 14] 研究表明, 采用 620e 电磁搅拌与 P + Sr变质结合的方法, 使初晶硅有 板片状变成 A -l S i共晶组织 ( 如图 3所示 )。
喷射成形铝硅系合金沉积坯的组织一般由颗粒状 的初生 S i相、A-A l基体、少量的第二相和部分孔洞组 成, 与铸态合金的过共晶组织相比, 前者的初生 Si得 到明显的细化。同济大学发现采用喷射成形技术制备 A -l S i系合金可以明显细化初生 S i相和共晶组织, 得 到低偏析、高致密度并具有高性能的合金材料。文献 [ 11] 采用喷射成形技术制备铝硅合金, 得到的初生硅 相尺寸不超过 10 Lm。但是, 因为喷射成形的沉积特 性, 沉积态坯料总是含有一定量的疏松。喷射沉积 A -l 25Si合金铸态金相组织如图 2所示 [ 12 ] 。
3 熔体处理
用电磁搅拌和超声波处理技术的方法, 通过对合 金熔体作用, 来改变初晶 S,i 从而有效地提高铝硅合金 的性能是目前铝合金铸造方面的研究热点。
3. 1 电磁搅拌 将电磁场引入铝硅合金铸造过程, 通过特定的物
理效应, 借助静磁场对旋转金属熔体产生的电磁搅拌 作用来改善凝固组织, 控制偏析来改善铸坯质量, 实现 材料组织与性能的改善及工艺过程的优化。
此外, 研究发现多种变质剂复合添加可使变质效 果提高, 并解决单一变质剂变质作用时间短等问 题 [ 3] 。据福州大学的研究结果 [ 4] , N a与 Sr复合变质 既缩短了 Sr变质的潜伏期, 又减缓了 Na的损失, 延长 了变质作用时间。同时有人还采用了 N aF、K 2T iF6 和 N aBF6 对 A 1-S -i Cu合金进行变质处理, 不仅能很好的 细化晶粒, 而且能产生很好的变质作用, 在 T 、i B、K、Na
N a和 Sr, 合金中含 S i量越大, Sb的加入量越大, Sb加 入量过多时, 会出现过变质组织, 使初晶硅逐渐变粗。 K 比 Na具有更强的变质效果, 但是变质有效时间仍然 比较偏短, 而且对熔炼设备也有一定的腐蚀作用。文 献 [ 1]研究了 S-i P 中间合金对 A -l 24% Si合金的变质 作用。通过变更加料顺序的方法, 在加入硅之前加入 S -i P中间合金使其充分溶解, 得到最好的变质效果, 研 究发现温度是影响变质效果的最重要因素, 其次是添 加变质剂的量和变质时间。稀土在铝及铝合金中应用
1 变质处理
铝硅合金中的共晶体及其初晶硅的变质机理研究 是世界各国铝合金材料工作者的一个重要课题。变质 处理是在加入变质剂后使相图中共晶点右移, 合金处 于亚共晶区, 合金中的初晶硅消失, 从而细化了共晶硅 相, 以改善合金的机械性能。
目前常用的 A -l Si合金变质剂有 N a、Sr、Sb、K、P、 稀土等。最早应用于铝硅合金变质处理的变质元素是 N a, 但其变质效果持续时间短。 Sr变质效果与钠差不 多, 以 Sr 盐、A -l S-i Sr、A -l Sr和 A -l Sr-T -i B 等中 间合金 的形式在 A -l Si合金中广泛应用。 Sb的变质效果不如
Progress in R esearch of A-l Si A lloy RefiningM ethods
L IU Jie (X injiang J oin W orld Co L td, Urum qi 830013, X injiang, China) Abstract: A system atic introduction w as m ade to the re fin ing m ethods fo r A 1-S i a lloy, including modificat ion, spray form ing, so lu tion treatm en,t sloping p late cast ing and h igh so lid ification tem perature grad ient sem -i con tinuous cast ing. It is po inted out that enhanc ing coo ling capacity, ach iev ing h igh so lid if ication tem perature grad ien t and undercooling the interface can rem arkably refine the alloy and its prim ary silicon to ob tain high perform ance A1-Si alloy. K ey w ord s: A -l S i a lloy; refinem en;t prim ary silicon
图 2 喷射沉积 A-l 25S i合金铸态金相组织
图 1 Na变质正常的铸态金相组织
2 喷射成形
喷射成形法是利用高速高压的惰性气体将液态金 属雾化成不同尺寸的熔滴, 并随雾化气体高速飞出雾 化区, 随后熔滴被一基板截断, 并在基板上沉积, 凝固 成结合良好的接近完全致密的坯件, 也称为喷射沉积 技术 [ 9] 。喷射成形工艺包含两个过程, 一是将合金液 雾化成细小液滴, 小液滴在高速飞行过程中与气体发 生对流和辐射散热, 获得一定的过冷度或发生凝固; 二 是金属液滴的沉积过程。合金液滴在到达沉积端面时 大部分处于半固态并具有较大的动能, 它们会与基板 发生碰撞、扩展和快速凝固, 同时还发生了复杂的物理 和化学变化。这个过程是喷射成形技术中最关键的部 分, 直接导致沉积坯特殊的组织与近终形的优势 [ 10] 。
成一定倾角的波浪形的倾斜板表面, 倾斜板带有加热 和冷却系统, 熔融金属在重力作用下发生流动并与波 浪型表面发生作用, 产生动态凝固, 熔体中 Si相以高 形核率形核, 并在碰撞剪切条件下生长, 以达到细化合 金铸态组织的效果。
倾斜板技术是新型的半固态加工技术 [ 17] , 制备合 金材料过程中, 合金形核率较高, 枝晶破碎程度高, 可 用来制备细晶与非支晶材料。文献 [ 18] 介绍了采用 新型倾斜板技术, 通过半固态铸造制备过共晶 A -l 20S i 合金材料, 结果表明, 新型倾斜板半固态铸造技术可以 制备性能优良的 A -l 20Si合金, 对初晶硅组织有很大的 改善。 4. 2 大凝固界面温度梯度半连续铸造