--昆明冶金研究院　楊朝聰　　　

　　　
　　1　前 　　言
　　在鑄造鋁合金中, 過(guò)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(diǎn)而引起人們的極大關(guān)注。但過(guò)共晶Al - Si合金的變質(zhì)問(wèn)題一直影響這類合金的生產(chǎn)和擴(kuò)大應(yīng)用, 而國(guó)外過(guò)共晶Al - Si合金已廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)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(guó)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(guò)共晶Al - Si合金也成為內(nèi)燃機(jī)活塞及其材料改型以及更新?lián)Q代的一個(gè)重要研究課題。
　　2　過(guò)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(guò)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(shí)際應(yīng)用。在一定溫度下鋁硅合金的流動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(shí)耐蝕性也變好。在切削過(guò)共晶鋁硅合金(Si　15 %～22 %) 時(shí), 工件切削表面光潔度很差, 為改善切削性能必須對(duì)初晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理。
　　2 . 2　用 　途
　　經(jīng)變質(zhì)處理的過(guò)共晶鋁硅合金具有抗拉強(qiáng)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(diǎn)。它是汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的理想材料。
　　3　過(guò)共晶鋁硅合金的細(xì)化變質(zhì)
　　細(xì)化過(guò)共晶鋁硅合金的方法很多, 如超聲波振動(dòng)法、電磁攪拌法、急冷法等。但這些方法細(xì)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(xì)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(xì)化。1951年發(fā)現(xiàn), 向過(guò)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(shí)得到良好的細(xì)化效果。如使用過(guò)P - Cu、P - Si、P - Ni、P - Fe等。據(jù)文獻(xiàn), PCl5 或PCl以及PNCl2 都可以使初晶硅細(xì)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(guó)的冶金工作者研制了Al - Cu - P中間合金作為過(guò)共晶鋁硅合金的變質(zhì)劑, 他們是通過(guò)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(guó)內(nèi)用熔鑄法制備了一種Al -Cu - P中間合金, 對(duì)其變質(zhì)效果也進(jìn)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(xì)化, 其細(xì)化機(jī)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(diǎn)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(guò)程中, 成為非均質(zhì)形核的核心, 細(xì)化了初晶硅。
　　3 . 2　共晶硅的細(xì)化變質(zhì)
　　近年國(guó)內(nèi)外均在研究新的變質(zhì)劑, 試驗(yàn)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(duì)共晶硅有細(xì)化作用,但無(wú)論是加金屬鈉還是加鈉鹽, 重熔時(shí)由于鈉揮發(fā)、燒損其變質(zhì)效果會(huì)逐漸消失。1960年發(fā)現(xiàn), 銻對(duì)共晶硅有變質(zhì)作用, 而且有長(zhǎng)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(jìn)行變質(zhì)處理。銻不能與鈉同時(shí)使用, 因?yàn)槎呦嗷プ饔眯纬?/span>Na2Sb使變質(zhì)效果相互抵消。1966年發(fā)現(xiàn)鍶對(duì)共晶硅有細(xì)化變質(zhì)作用, 而且有長(zhǎng)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(duì)共晶硅的細(xì)化作用中也有較好的效果。
　　3 . 3　共晶硅和初晶硅的雙細(xì)化變質(zhì)
　　單獨(dú)細(xì)化初晶硅和共晶硅的方法目前較為成熟, 但細(xì)化劑之間有時(shí)會(huì)發(fā)生相互作用和相互抵消。因此, 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外把過(guò)共晶鋁硅合金的雙細(xì)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(guò)共晶鋁硅合金時(shí),第一組試驗(yàn)用既含磷又含鈉的鹽類、如Na H3PO4 ·2 H2O、Na2HPO4、Na2HPO3 ·5 H2O。試驗(yàn)表明, 鈉的變質(zhì)效果持續(xù)時(shí)間短, 每種變質(zhì)劑的細(xì)化效果發(fā)生在變質(zhì)后某個(gè)特定時(shí)間內(nèi)。第二組試驗(yàn)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(guò)共晶鋁硅合金添加磷和鈉有下列兩個(gè)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(shí)由于生成Na3P , 使Al P和Na的數(shù)量減少,使細(xì)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(zhǎng)效性。但磷和鍶在鋁液中會(huì)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(xì)化效果。為提高磷和鍶變質(zhì)效果, 文獻(xiàn)
報(bào)道, 對(duì)含Si　20 %的鋁硅合金來(lái)說(shuō), 磷鹽(Na PO3) 為2 . 0 %～2 . 5 %和鍶鹽(SrCl2) 為1 . 4 %～1 . 6 %時(shí)細(xì)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(guò)共晶鋁硅合金中同時(shí)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(jī)化合物形式加入效果較佳, 抗拉強(qiáng)度要比現(xiàn)有的其它變質(zhì)方法高10 %～15 % , 伸長(zhǎng)率高出40 %～50 %。
　　3 . 3 . 4　P和Re 雙變質(zhì)
　　在過(guò)共晶鋁硅合金中, 同時(shí)添加磷和混合稀土, 國(guó)內(nèi)已在這方面開展了許多研究工作, 并認(rèn)為磷能細(xì)化初晶硅、Re能細(xì)化共晶硅。它們的聯(lián)合變質(zhì)作用是單獨(dú)作用的復(fù)合結(jié)果, 磷和混合稀土沒(méi)有相互作用。
　　4　結(jié) 　語(yǔ)
　　汽車工業(yè)漸漸成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè), 過(guò)共晶鋁硅合金活塞在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用, 而我國(guó)目前活塞材料仍以共晶鋁硅合金為主, 研究開發(fā)新的過(guò)共晶鋁硅合金材料意義尤為突出。綜上所述, 添加沒(méi)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(shí)用的過(guò)共晶鋁硅合金的有效途徑。

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