--昆明冶金研究院　楊朝聰　　　

　　　
　　1　前 　　言
　　在鑄造鋁合金中, 過共晶Al - Si合金因具有熱膨脹系數(shù)小、耐磨性和鑄造性能好等優(yōu)點而引起人們的極大關(guān)注。但過共晶Al - Si合金的變質(zhì)問題一直影響這類合金的生產(chǎn)和擴大應(yīng)用, 而國外過共晶Al - Si合金已廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機的活塞材料。如:
　　ISU ZU (日本) 活塞的主要化學(xué)成分Si20 . 66 %、Cu　1 . 68 %、Mg 　2 . 02 %、
　　Mn　0 . 028 %、Al余量; Vespa (意大利)活塞的主要化學(xué)成分Si　19 . 16 %、Cu1 . 62 %、Mg 　0 . 56 %、Mn　0 . 66 %、Al余量。而我國還一直采用共晶Al - Si合金, 如ZL 　108 (成分: Si 　11 %～13 %、Cu　1 %～2 %、Mg　0 . 4 %～1 %、Mn  0 . 3 %～0 . 9 %、Al余量) 。開發(fā)研制新的過共晶Al - Si合金也成為內(nèi)燃機活塞及其材料改型以及更新?lián)Q代的一個重要研究課題。
　　2　過共晶鋁硅合金的性質(zhì)和用途
　　2 . 1　性 　質(zhì)
　　據(jù)Al - Si二元系相圖
　　Al - Si共晶溫度為577℃, 共晶成分為12 . 6 % Si。在常溫下, Al - Si 二元系僅形成α和β相。通常把共晶中的β相稱為共晶硅, 在鑄態(tài)下, 未經(jīng)變質(zhì)處理的共晶硅呈粗大的片狀。共晶和過共晶合金組織中的初晶β相稱為初晶硅。在鑄態(tài)下未經(jīng)變質(zhì)處理的初晶硅呈粗大的多角形塊狀和板狀。粗大的β相很脆, 若不經(jīng)變質(zhì)處理, 含β相多的鋁硅合金不能在工業(yè)上得到實際應(yīng)用。在一定溫度下鋁硅合金的流動性一般隨著合 金Si 量 增 加 而 變 好, 在760℃, 含16 %～22 % Si的鋁硅合金均有較好的流動性。純鋁的線收縮率很大, 而純硅幾乎不收縮。因此, Al - Si 系合金的膨脹系數(shù)隨著含Si量的增加而減小, 熱裂性也相應(yīng)減小。有β相析出的Al - Si合金是軟基體分布著硬質(zhì)點的理想耐磨材料, 其耐磨性隨著合金含Si量增加而提高, 同時耐蝕性也變好。在切削過共晶鋁硅合金(Si　15 %～22 %) 時, 工件切削表面光潔度很差, 為改善切削性能必須對初晶硅進行變質(zhì)處理。
　　2 . 2　用 　途
　　經(jīng)變質(zhì)處理的過共晶鋁硅合金具有抗拉強度高、線膨脹系數(shù)小、耐磨性和抗蝕性好、鑄造和切削性能優(yōu)良等特點。它是汽車、摩托車發(fā)動機活塞的理想材料。
　　3　過共晶鋁硅合金的細化變質(zhì)
　　細化過共晶鋁硅合金的方法很多, 如超聲波振動法、電磁攪拌法、急冷法等。但這些方法細化效果不夠理想, 目前最有研究前途的是添加變質(zhì)劑的方法。
　　3 . 1　初晶硅的細化變質(zhì)
　　1933年發(fā)現(xiàn), 向共晶鋁硅合金中添加赤磷可以使初晶硅細化。1951年發(fā)現(xiàn), 向過共晶鋁硅合金中添加磷化合物或合金能使操作條件改善, 同時得到良好的細化效果。如使用過P - Cu、P - Si、P - Ni、P - Fe等。據(jù)文獻, PCl5 或PCl以及PNCl2 都可以使初晶硅細化。一般PCl5 或PCl的加入量為0 . 06 %～0 . 2 % , 而PNCl2 的加入量為0 . 25 %。近幾年日本和德國的冶金工作者研制了Al - Cu - P中間合金作為過共晶鋁硅合金的變質(zhì)劑, 他們是通過粉末冶金法成形, 然后利用熱擠和熱鍛等方法制備的, 初晶硅變質(zhì)效果很好。國內(nèi)用熔鑄法制備了一種Al -Cu - P中間合金, 對其變質(zhì)效果也進行了研究。Al - Cu - P中間合金的變質(zhì)效果優(yōu)于P - Cu合金。加磷能使初晶硅細化, 其細化機理是磷　　與鋁在高溫下形成Al P ,它與硅的晶型均為金剛石型點陣, 晶格常數(shù)接近(Si為5 . 24×10- 10　m、Al P為5 . 45×10- 10m) 。因此,Al P在初晶硅形核過程中, 成為非均質(zhì)形核的核心, 細化了初晶硅。
　　3 . 2　共晶硅的細化變質(zhì)
　　近年國內(nèi)外均在研究新的變質(zhì)劑, 試驗的有Sr、Ba、Te、Sb、S、Y、Ca、Bi、As、Ce、Nd、Re等元素。1920年發(fā)現(xiàn)鈉對共晶硅有細化作用,但無論是加金屬鈉還是加鈉鹽, 重熔時由于鈉揮發(fā)、燒損其變質(zhì)效果會逐漸消失。1960年發(fā)現(xiàn), 銻對共晶硅有變質(zhì)作用, 而且有長效性。加入量為0 . 2 %～0 . 5 % , 以含5 %～8 %Al - Sb合金形式加入, 一般在精煉后于750℃進行變質(zhì)處理。銻不能與鈉同時使用, 因為二者相互作用形成Na2Sb使變質(zhì)效果相互抵消。1966年發(fā)現(xiàn)鍶對共晶硅有細化變質(zhì)作用, 而且有長效性。一般以含5 %～6 % Sr 的 鋁 鍶 合 金 形 式 加 入, 用 量 為0 . 04%～0 . 08 %。稀土元素在對共晶硅的細化作用中也有較好的效果。
　　3 . 3　共晶硅和初晶硅的雙細化變質(zhì)
　　單獨細化初晶硅和共晶硅的方法目前較為成熟, 但細化劑之間有時會發(fā)生相互作用和相互抵消。因此, 近年來國內(nèi)外把過共晶鋁硅合金的雙細化變質(zhì)處理作為重要的研究課題。
　　3 . 3 . 1　P和Na雙變質(zhì)
　　日本用磷和鈉處理過共晶鋁硅合金時,第一組試驗用既含磷又含鈉的鹽類、如Na H3PO4 ·2 H2O、Na2HPO4、Na2HPO3 ·5 H2O。試驗表明, 鈉的變質(zhì)效果持續(xù)時間短, 每種變質(zhì)劑的細化效果發(fā)生在變質(zhì)后某個特定時間內(nèi)。第二組試驗采用Cu3P和Na2CO3, 其用量分別為0 . 67 %和0 . 3 % ,先加Cu3P , 保溫15分鐘后加Na2CO3, 再保溫5～15分鐘, 然后澆注。在這種條件下變質(zhì)效果最好。但向過共晶鋁硅合金添加磷和鈉有下列兩個反應(yīng)發(fā)生:
　　P + Al→Alp
　　3Na + Alp→Na3
　　P + Al
　　Na3P屬于六方晶格; 由于晶格結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)與初晶硅的晶格結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)不同, 顯然不能成為初晶硅的異質(zhì)晶核。同時由于生成Na3P , 使Al P和Na的數(shù)量減少,使細化作用減弱。
　　3 . 3 . 2　P和Sr雙變質(zhì)
　　鍶不僅具有較好的變質(zhì)作用, 而且有長效性。但磷和鍶在鋁液中會發(fā)生相互作用:
　　Al + P→Al P
　　2Al P + 3Sr→Al + Sr3P2從而削弱了磷和鍶的細化效果。為提高磷和鍶變質(zhì)效果, 文獻
報道, 對含Si　20 %的鋁硅合金來說, 磷鹽(Na PO3) 為2 . 0 %～2 . 5 %和鍶鹽(SrCl2) 為1 . 4 %～1 . 6 %時細化效果最佳。 

　　3 . 3 . 3　P和C雙變質(zhì)
　　原蘇聯(lián)研究結(jié)果表明, 向過共晶鋁硅合金中同時添加磷和碳具有良好的變質(zhì)效果, 尤其是以(C6H5)3PO4 和C4H3O4PCl3有機化合物形式加入效果較佳, 抗拉強度要比現(xiàn)有的其它變質(zhì)方法高10 %～15 % , 伸長率高出40 %～50 %。
　　3 . 3 . 4　P和Re 雙變質(zhì)
　　在過共晶鋁硅合金中, 同時添加磷和混合稀土, 國內(nèi)已在這方面開展了許多研究工作, 并認為磷能細化初晶硅、Re能細化共晶硅。它們的聯(lián)合變質(zhì)作用是單獨作用的復(fù)合結(jié)果, 磷和混合稀土沒有相互作用。
　　4　結(jié) 　語
　　汽車工業(yè)漸漸成為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè), 過共晶鋁硅合金活塞在國外已被廣泛應(yīng)用, 而我國目前活塞材料仍以共晶鋁硅合金為主, 研究開發(fā)新的過共晶鋁硅合金材料意義尤為突出。綜上所述, 添加沒有相互抵消作用的變質(zhì)劑(如P - C、P - Re、Al- P - Cu - Re 等) 是研制實用的過共晶鋁硅合金的有效途徑。

　　參考文獻:
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