铝合金变质处理概述
论述铝合金的熔体处理
论述铝合金的熔体处理1 前言铝及铝合金因其优异的性能被广泛应用于航天、航空、交通运输、建筑、包装、电子、印刷、装饰等众多国防和民用领域。
在金属材料中，铝合金的应用范围和用量仅次于铁，约占有色金属用量的1/3，随着铝及铝合金的大范围应用，对其性能要求也越来越高、越来越多样，而铝及铝合金的良好性能与其熔炼铸造是分不开的。
熔铸是铝加工的第一道工序，为后序的轧制、锻造、挤压等生产提供锭坯，铸锭质量的好坏直接与各种铝材的最终质量紧密相关，故要获得良好的构件，必须从熔体处理开始。
铝合金熔体净化处理是生产高质量的铝铸件的基本保证措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段之一，对疏松、气孔、夹杂等的形成有重要影响，而且直接影响铝铸件的物理性能、机械性能以及使用性能。
2 熔体净化方法所谓净化处理就是就是采用各种措施使铝熔体中不希望存在的气体与固态物质降到所允许的范围以内，以确保材料的性能符合标准或某些特殊要求。
铝合金净化方法按其作用机理可分为吸附净化和非吸附净化两大基本类型。
2.1 吸附净化吸附净化主要是利用精炼剂的表面作用，当精炼剂（如各种气体、液体、固体精炼剂及过滤介质）在铝熔体中与氧化物夹杂或气体相接触时，杂质或气体被精炼剂吸附在其表面上，从而改变杂质的物理性质，随精炼剂一起被除去，以达到除气除杂的目的。
吸附净化的方法主要有：浮游法、熔剂法、过滤法等。
(1)浮游法浮游法也叫气体吹洗法，它是将气体通入到铝熔体内部，形成气泡，熔体中的氢在分压差的作用下扩散进这些气泡中，并随气泡的上浮而被排除，达到除气的目的。
浮游法主要包括惰性气体吹洗、活性气体吹洗混合气体吹洗以及氯盐净化等。
无毒精炼剂主要由硝酸盐等氧化剂和碳组成，在高温下反映生成氮气和二氧化碳都能起到精炼作用，由于其不产生刺激性气味的气体且精炼效果也好从而得到广泛应用。
(2)溶剂法熔剂法是在铝合金熔炼过程中，将熔剂加入到熔体内部，通过一系列物理化学作用，达到除气除杂的目的。
变质元素对铸造Al_Si合金共晶结晶的作用及机制
twin re-entrant groove
共晶团以松散的共生模式呈辐射状生长[6]，这既可 以自型壁向内发展，也可以按内生方式，见图3。因非 规则共晶生长界面参差不齐且为非等温面，各个Si片 端部领先于α-Al相深入到液体中。最终形成的共晶团 是α-A1和板片状Si紊乱排列的两相混合体，其共晶Si 为源自相同核心经有限分枝所形成。这与灰铸铁共晶 团的情形很相似，只是因为石墨及硅分别形成旋转孪
关键词：Al-Si合金；共晶结晶；变质处理；硅晶体形貌；生长动力学 中图分类号：TG146.2+1 文献标识码：A 文章编号：1001-4977 （2011） 11-1073-07
Function of Modification Element on Eutectic Solidification of
Al-Si共晶符合非小平面-小平面非规则共晶的一般 特征，以“偏离”及“汇聚”交替方式生长[1]。在普通 铸造条件下，未经变质处理的Al-Si合金液凝固后Si晶 体的形貌如图 1a、c[2]所示。其共晶 Si为粗大 板片状 （金相磨面上看似针状或条状），呈无方向性非规则分 布，对共晶及近共晶成分的铝硅合金还常有少量初晶 Si。这样的组织致使Al-Si合金的力学性能较低。为此， 铸造生产中通常以含Na及Sr等变质剂对Al-Si合金液进 行变质处理，以实现共晶Si“片状-纤维状”的形态转 变，且消除初晶Si，凝固后共晶Si转变为细小的纤维 状，见图1b、d[3]，亦或伴有少量细片状。这一组织改 变对铸造Al-Si合金性能的提高极具意义，其抗拉强度 可升高50%左右，塑性甚至可升高3倍左右。
根据Al-Si合金变质的IIT机制，从晶体几何的角度 推 算 出 变 质 元 素 对 Si 的 理 想 原 子 半 径 比 （r/rS）i 为 1.646。据此，人们采用接近这一理想比值的其他元素 对Al-Si合金的变质效果 进行 了 广 泛 探 索 ，包 括 Ca、 Ba、Sb等，以及Y、Eu、Yb等一些稀土元素。结果显 示，这些元素的确具有不同的变质效果，其中，Na、 Sr、 Ba、 Ca、 Eu 等 变 质 元 素 将 共 晶 Si 转 变 为 纤 维 状 ， 而Y、Sb、Yb等元素可将共晶Si转变为短小片状或块 状，见图5[12]。但受多方面其他因素制约，目前国内外 实际应用的仍然以Sr和Na为主。鉴于工艺稳定性及环 境因素，Na变质在一些国家也已逐步被淘汰。
复合变质处理对4032铝合金组织和性能的影响
复合变质处理对4032铝合金组织和性能的影响冉红卫【摘要】4032 aluminum alloy is a kind of Al-Si system alloy used widely for aeronautics and astronautics and automobile manufac-ture fields. Massive primary silicon and needlelike eutectic silicon occurred in microstructure of unmodified 4032 aluminum alloy, thus leading to low mechanical property, especially plasticity. Modification of melt during melting and casting is the effective method to solve the problem of primary silicon. Effect of various compound modifiers on microstructure of 4032 aluminum alloy in actual production, thus obtaining stable process and products.%4032铝合金是一种广泛应用于航空、航天及汽车制造等领域的Al-Si系合金.在未经变质处理的4032铝合金组织中,常常出现大块的初晶硅和针状的共晶硅,导致产品的力学性能较低,尤其是塑性.熔铸过程中对熔体进行变质处理是解决4032出现初晶硅的有效方法.本文主要研究不同复合变质剂在实际生产中对4032铝合金组织性能的影响,从而获得稳定的工艺和产品.【期刊名称】《铝加工》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】5页(P29-33)【关键词】4032铝合金;变质处理;初晶硅;力学性能【作者】冉红卫【作者单位】西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326【正文语种】中文【中图分类】TG46.21;TG2921 4032铝合金技术要求4032合金是SXDMTU20系列高性能活塞裙的原材料，对其性能要求十分严格，要求其挤压棒材力学性能标准为纵向抗拉强度≥315MPa，延伸率≥3%；横向抗拉强度≥315MPa，延伸率≥1.5%。
6班-铝硅合金的细化和变质处理实验报告
1．实验目的1)熟悉铸造铝硅合金的熔炼、精炼、细化和变质处理的过程；2)掌握铸造铝硅合金精炼、细化和编制处理的基本原理及方法；3)掌握细化剂和变质剂对铸造铝硅合金的影响。
2．实验内容1)对熔融的Al-7Si合金进行细化处理；2)对熔融的Al-7Si合金进行变质处理；3)在光学显微镜下观察，评价合金的细化和变质处理效果。
3．实验原理3.1 铝硅合金晶粒细化技术及其机理铸造铝合金铸态时通常呈现三种不同的晶粒状态：等轴晶、柱状晶和枝状晶。
有目的地一直柱状晶和枝状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫做晶粒细化处理。
晶粒细化是通过控制晶体的形核和长大来实现的。
细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。
而形核质点主要有两种来源：一是包括快速凝固法、动力学方法和成分过冷法等的内生形核质点，二是向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。
目前，添加细化剂成为生产过程中最有效、最实用的方法。
对于铝硅合金，通常将细化元素Ti、B以中间合金的形式加入熔体来实现晶粒的细化。
3.2 铝硅合金变质处理技术及其机理铝硅合金中，由于Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，严重的割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而必须采用变质处理工艺，使共晶硅形貌发生变化，提高合金性能。
4．实验步骤1)在两个Al2O3坩埚中分别加入1000g的铝硅合金原料，在电阻炉中升温至720℃，溶化后保温1小时以促进成分的均匀化；2)对精炼处理后的Al-7Si合金教主一组试样；3)向一个坩埚中加入0.03%的B进行晶粒细化处理；4)向另一个坩埚中加入0.03%的Sr进行变质处理；5)1-2人为一组，每个20-30分钟以组为单位浇注试样，为充分观察细化和变质处理的孕育期和衰退期，应至少浇注4组试样；6)对各组试样进行处理，在光学显微镜下观察，评价合金的变质效果，观察晶粒尺寸。
5．实验结果分析5.1 晶粒细化效果分析将实验分成三个实验组，第1组为未加细化剂处理的原料铸型，第2组为加入细化剂处理20min后的原料铸型，第3组为加入细化剂处理40min后的原料铸型。
铝合金锭资料
• 制造发动机部件：如气缸体、气缸盖、曲轴等
铝合金锭在其他工业领域的应用与市场趋势
其他工业领域对铝合金锭的性能要求
• 轻质高强、良好的导电性能、导热性能
• 良好的耐磨性能和抗腐蚀性能
铝合金锭在其他工业领域的应用
• 制造电气设备：如变压器、电容器、导线等
• 制造交通运输工具：如火车、汽车、船舶等
• 制造建筑材料：如门窗、幕墙、铝板等
• 熔炼：将铝和其他元素熔化，调制成
• 力学性能：符合牌号规定的力学性能
所需的化学成分
指标
• 铸造：将熔炼好的铝合金液倒入模具
• 组织结构：符合牌号规定的组织结构
中，冷却凝固成型
要求
• 变形加工：对铸造好的铝合金锭进行
• 表面质量：表面光滑、无裂纹、无夹
轧制、锻造等加工，制成所需的形状和
杂物等缺陷
尺寸
• 淬火：将铝合金锭加热到一定温度，迅速冷却，提高硬度和耐磨性能
• 时效：将铝合金锭加热到一定温度，保持一定时间，然后冷却，提高力学性能和抗腐蚀性能
变质处理与热处理对铝合金锭性能的影响
变质处理对铝合金锭性能的影响
• 提高力学性能：变质处理后，铝合金锭的屈服强度、抗拉强度等性能得到提高
• 改善组织结构：变质处理后，铝合金锭的晶粒得到细化，组织更加均匀
• 制造飞机结构件：如机翼、机身、尾翼等
• 良好的抗腐蚀性能和耐高温性能
• 制造航天器结构件：如火箭、卫星、探测器等
铝合金锭在汽车制造领域的应用
汽车制造领域对铝合金锭的性能要求
铝合金锭在汽车制造领域的应用
• 轻质高强、良好的抗腐蚀性能
• 制造车身结构件：如车门、车顶、车身等
• 良好的成形性能和焊接性能
铝合金A356.2
A356.2合金锭1、性能与特点：具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小，气密性好等良好的铸造性能，比重小，耐蚀性良好，易气焊，随铸件壁厚增加强度降低的程度小，铸态下使用，变质后机械性能提高。
铸锭断口致密，无熔渣和非金属夹杂物。
2、用途：主要用于汽车，轿车，摩托车轮铸件的新型铝合金。
A356.2合金锭1、性能与特点：具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小，气密性好等良好的铸造性能，比重小，耐蚀性良好，易气焊，随铸件壁厚增加强度降低的程度小，铸态下使用，变质后机械性能提高。
铸锭断口致密，无熔渣和非金属夹杂物。
2、用途：主要用于汽车，轿车，摩托车轮铸件的新型铝合金。
3、化学成分：A356.2铸造铝合金锭化学成分执行标准ASTM,Si：65.-7.5，Mg0.30-0.45，Ti《0.2，Fe《0.12，Mn《0.05，Cu《0.1，Zn《0.05 ，Al余量（%）宁夏富凯液力传动有限责任公司宁夏富凯液力传动有限责任公司宁夏富凯液力传动有限责任公司宁夏富凯液力传动有限责任公司铸造车间铸造车间铸造车间铸造车间铝合金冶炼操作规程铝合金冶炼操作规程铝合金冶炼操作规程铝合金冶炼操作规程 1.1铝合金材质要求（GB1173-86）合金牌号合金代号主要元素含量（%）SI Cu Mg Zn Mn AI ZAISI12 ZAI102 10-13 0.1 余量ZAISI9Mg ZAI104 8–10 0.2-0.3 0.5 余量ZAISI5Cu1Mg ZAI105 4.5-5.5 1—1.5 余量1.2铝合金炉料要求1）铝锭：进厂的铝锭应有符合技术要求的化学成分和杂质限量。
2）回炉料：不同材质的回炉料应分别存放，避免潮湿，严禁露天堆放。
3）所有需冶炼的炉料都应预热，预热的目的是为了除去表面吸附的水分和油污和缩短冶炼时间、减少铝合金吸气。
1.3 熔炼工具的准备1）坩埚、压瓢、搅拌勺、撇渣勺上的残渣应清理干净然后再预热（200～300℃）上涂料备用。
铝合金及热处理
第5页
各铝牌号代表合金
1系代表有1050：0.3Si 0.4Fe 0.1Cu 0.1Mn 0.1Mg 0.1Zn 0.1V 。 高纯铝(含铝量99.9%以上)主要用于科学试验,化学工业及特殊用途。 抗拉强度 σb (MPa)95～125 ，条件屈服强度 σ0.2 (MPa)≥75，1050主要
特性 为纯铝中添加少量铜元素形成，具有极佳的成形加工特性，高耐腐蚀 性，良好的焊接性和导电性。热处理工艺 热处理规范1)完全退火：加热 390～430℃，随材料有效厚度不同，保温时间30～120min，以30～50℃/h速 度随炉冷至300℃下，再空冷。2)快速退火，加热350～370℃，随材料有效 厚度不同，保温时间30～120min。空或水冷。 3)淬火和时效:淬火500～ 510℃，空冷，人工时效 95～105℃，3h，空冷，自然时效。应用举例 ：广 泛用于对强度要求不高的产品，如化工仪器，薄板加工件，深拉或旅压凹形 器皿，焊接零件，热交换器，钟表面及盘面，铭牌，厨具，装饰品。
变质处理：变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质 剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒， 达到提高材料性能的目的。
孕育处理：在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长， 达到细化晶粒的目的。 习惯上，向铸铁中加入添加剂称为孕育处理；向有色合金中加入 添加剂则称变质处理。 从本质上说，孕育处理主要影响形核和促进晶粒游离；而变质处 理则是改变晶体的生长机理（抑制长大），从而影响晶体形貌。
铝合金热处理及牌号基本概念
铝合金热处理代号--（名称）
F 自由加工状态 (适用于在成型过程中对于加工硬化和热处理条件无特殊要求
的产品，该状态产品的力学性能不作规定)
铝及铝合金热处理工艺
1.铝及铝合金热处理工艺1.1 铝及铝合金热处理的作用将铝及铝合金材料加热到一定的温度并保温一定时间以获得预期的产品组织和性能。
1.2 铝及铝合金热处理的主要方法及其基本作用原理 1.2.1 铝及铝合金热处理的分类（见图1）均匀化退火中间退火成品退火回归图1铝及铝合金热处理分类1.2.2 铝及铝合金热处理基本作用原理（1）退火：产品加热到一定温度并保温到一定时间后以一定的冷却速度冷却到室温。
通过原子扩散、迁移，使之组织更加均匀、稳定、，内应力消除，可大大提高材料的塑性，但强度会降低。
① 铸锭均匀化退火：在高温下长期保温，然后以一定速度（高、中、低、慢）冷却，使铸锭化学成分、组织与性能均匀化，可提高材料塑性20%左右，降低挤压力20%左右，提高挤压速度15%左右，同时使材料表面处理质量提高。
② 中间退火：又称局部退火或工序间退火，是为了提高材料的塑性，消除材料内部加工应力，在较低的温度下保温较短的时间，以利于续继加工或获得某种性能的组合。
退火 铝及铝合金热处理固溶淬火时效 人工时效 多级时效欠时效离线淬火卧式淬火立式淬火自然时效过时效③完全退火：又称成品退火，是在较高温度下，保温一定时间，以获得完全再结晶状态下的软化组织，具有最好的塑性和较低的强度。
（2）固溶淬火处理：将可热处理强化的铝合金材料加热到较高的温度并保持一定的时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充分溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体，然后以快冷的方法将这种过饱和固溶体保持到室温，它是一种不稳定的状态，因处于高能位状态，溶质原子随时有析出的可能。
但此时材料塑性较高，可进行冷加工或矫直工序。
①在线淬火:对于一些淬火敏感性不高的合金材料，可利用挤压时高温进行固溶，然后用空冷（T5）或用水雾冷却（T6）进行淬火以获得一定的组织和性能。
②离线淬火:对于一些淬火敏感性高的合金材料必须在专门的热处理炉中重新加热到较高的温度并保温一定时间，然后以不大于15秒的转移时间淬入水中或油中，以获得一定的组织和性能，根据设备不同可分为盐浴淬火、空气淬火、立式淬火、卧式淬火。
铝及铝合金的金相检验
– 五级针孔
• GB/T3246.2-2000《变形铝及铝合金制品低 倍组织检验方法》
– 缺陷分为22种 – 晶粒度检验 – 断口检验
变形铝合金的缺陷
• 疏松、非金属夹杂、氧化膜、化合物（一 次晶）、羽毛状晶、光亮晶粒、气孔、冷 隔、铸造裂纹、板材分层、缩尾、成层、 挤压裂纹、淬火裂纹、粗晶环、焊合不良 、锻造裂纹、压质效果评定：
– 提高合金的综合性能，硅得到细化，呈点球状。 – 标准：JB/T7946.1-1999《铸造铝硅合金变质》 – 钠变质分为6级、磷变质分为4级
• 热处理过烧组织评定
– 标准：JB/T7946.3-1999《铸造铝硅合金过烧》 – 分为5级
• 晶粒度评定
– 标准：JB/T7946.4-1999《铸造铝铜合金晶粒度》 – 晶粒度分为8级
– 铸造铝硅合金(ZL1XX)、铸造铝铜合金(ZL2XX) 、铸造 铝镁合金(ZL3XX) 、铸造铝锌合金(ZL4XX) 、压铸铝 合金
• 变形铝合金
– 热处理不可强化铝合金
• 纯铝L系列、防锈铝LF系列
– 热处理可强化铝合金
• 硬铝LY、锻铝LD、超硬铝LC等
铝合金分类状态图
铝合金的宏观检验
• 1、试样的制备
相 – Mg2Si、Al2Cu、Al2CuMg等
Al-Si二元合金状态图
铝铜合金
• ZL2xx系列
– 可通过热处理强化，具有高的强度和耐热性， – 铸造性比铝硅系差 – 强化相Al2Cu、
Al-Cu二元合金状态图
变形铝合金
变形强化铝合金
• 只能采用加工硬化的方法来提高强度
– 纯铝 – 防锈铝
铝合金液净化除气及熔体处理概述
14
针孔
化合态
熔体测氢含量
5
铝熔体测氢含量方法
直接法 间接法
减压凝固检验法
优点： 设备简单、快速； 装置维护也比较简单； 缺点： 灵敏度较低； 结果是铝合金熔体中 含氢量与夹杂物含量 的综合反映。
6
铝合金熔体中的夹杂物含量与 含氢量具有很大的相关性
7
旋转喷吹除气法
分压差脱气原理
借助于专门设计的吹头向金属液 中通入惰性气体，通过吹头的旋转作 用，在熔体深处形成快速运动的气、 水涡流，使气泡尺寸变得细小、分布 均匀，从而实现浮游精炼的目的。
• Al-Ti-B-RE（有前景） RE---具有变质、精练、净化、除气等作用
10
• 目的：改变共晶硅形貌和尺寸的过程。 使共晶硅由粗大的针、板状变成细小的纤维状或层片状。
11
• 初晶Si变质处理 P--- AlP可以作为Al-Si合金初晶Si结晶的异质核心 低熔点P-Cu 中间合金--- “绿色变质剂” • 共晶Si变质处理 Sr---以Al-Sr 形式加入，影响共晶Si的生长以达变质效果 缺点：变质过程有严重的吸气倾向，合金容易产生疏松，使 铸件的致密性有所降低。
12
净化 除气
气体（H2） 检测---减压 凝固
熔体 处理
细化处理
除气---旋转 喷吹
变质处理
13
• • • • • • • • •
叶锦华. 含氢量对铝合金致密性检测的影响[D].沈阳理工大学，2008. 贾征，张志强，乐启炽，崔建忠. 铝、镁合金中氢含量检测方法研究进展[J]. 特种铸造及有色合金，2011，06:571-575. 黄良余，张少宗. 铝合金熔体处理及炉料处理的若干问题——铝合金熔体处理 部分[J]. 特种铸造及有色合金，2001，04:36-39+1-0. 李杰华. 铝合金熔体旋转喷吹除气净化技术的研究[D].西北工业大学，2006. 闫红涛. 铝熔体除氢净化理论与工艺的研究[D].中南大学，2007. 李西前. 铝熔体快速定量测氢系统的研究开发及应用[D].华中科技大学，2006. 袁灿. 熔体处理对356合金凝固特性的影响[D].南京航空航天大学，2012. 孙小平，石路，管仁国，王顺成，戚文军. 铝合金晶粒细化的研究进展与发展 趋势[J]. 有色矿冶，2010，05:32-35. 卫少波，王璠，牛志鹏，祁晓乾. 铝合金晶粒细化剂的研究进展[J]. 铸造技术， 2013，01:89-91.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铝合金变质处理概述
所谓变质处理就是在少量的专门添加剂(变质剂)的作用下改变铸态合金组织，使金属或合金的组织分散度提高的过程。
目前，这种处理方法的技术术语很不统一，有的叫细化处理，还有的叫孕育处理。
变质处理的分类也各不一样。
有人根据金属及合金的最终组织变化特征将变质处理分为三类：把改变初生树枝晶和其他初生晶尺寸的处理叫第一类变质处理，把改变初生树枝晶内部结构的处理叫第二类变质处理，把改变共晶组织的处理叫第三类变质处理。
也有人根据变质剂的作用特性，把变质处理分为三类四组。
还有人按对结晶着的合金的物理作用和冶金作用来分类。
显然，这些概念之间的界限是很难区分的。
本手册把变质处理理解为金属及合金铸锭组织弥散度的提高。
目前，有各种说明变质处理过程的理论，其中，比较著名的有晶核形成论、碳化物论、包晶反应论、原子结构论等，但其中没有一种理论可以全面地说明这种过程。
这是因为，第一，变质处理过程很复杂，既与熔炼条件有关，也与铸造条件有关;第二，不可控制的杂质有影响，铝合金中的某些元素的相互作用也有影响，它们增强或减弱晶粒细化的效果。