过共晶铸造铝硅合金及加工技术

1、1过共晶铸造铝硅合金及加工技术孙玉福刘胜新郑州大学材料科学与工程学院2016.0722铸造铝硅合金的成分、组织及性能过共晶铝硅合金的特点和应用过共晶铝合金的熔炼工艺过共晶铝合金的组织控制过共晶铝硅合金铸造方式过共晶铝硅合金的强化方法过共晶铝硅合金的加工主要内容3概述纯铝：优良的导电和电热性能，表面有致密氧化膜，在大气、淡水及氧化性酸类中有一定的耐蚀性。以纯铝为基，添加不同的合金元素，将形成不同系列的铝合金。4一、铸造铝硅合金的成分、组织及性能Al-Si二元相图在铝硅合金中加 Si，能显著改善合金的流动性，降低合金的热膨胀系数，减少热裂倾向，减轻合金比重，提高耐磨性、高温强度、刚度和疲劳强度，并

2、且减少疏松提高气密性。5亚共晶铝硅合金组织 a（a+b）过共晶铝硅合金组织b b (Si)+共晶体（a+b） a (Al)+共晶体（a+b）6一、铸造铝硅合金的成分、组织及性能 按合金中Si 含量的多少，该系合金可分为三类：亚共晶(Si10%)，共晶(Si11%13%)和过共晶(Si16%26%)铝硅合金。共晶和亚共晶型铝硅合金通常加入铜、镁、镍、锌等合金元素，需通过热处理提高机械性能，具有较好的力学性能、摩擦性能和使用性能，是中小型内燃机活塞的首选材料，国内常用的该类合金以 ZL108 和 ZL109 为典型代表。7表1国内外常用活塞铝合金的物理性能8铝的塑性大，不易切削。随着含硅量的增加，

3、共晶体的数量增多，切削性能改善，但硅相硬度高，易磨损刀具，尤其是有粗大共晶硅的过共晶铝硅合金，通常刀具磨损严重，被加工表面毛糙。含硅量的变化对铝硅合金的组织和性能都会产生影响，通常随着硅量的增加，磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度和电导率均直线下降。初生 Si 的显微硬度很高为 HV1000 1300，而(A l)的显微硬度仅为HV60 100。含硅量的变化和是否进行变质处理是影响铝硅合金组织和性能的重要因素。10共晶型铝硅合金具有优良的铸造性能，但因力学性能不高，故常用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法。通常铸造铝硅合金需要进行变质处理。 含硅量的变化对铝硅合金力学性能的影响11共晶铝硅合金

4、的缺点热膨胀系数随着温度升高变化较大，耐磨性较差；致密性较差，对于要求尺寸精确的零件不太适合。如，当活塞运转温度过高时会出现“咬缸”，发生危险。 近年来，对汽车发动机的要求越来越高，共晶合金的热膨胀系数、耐磨性等性能都不能适合发动机的发展，因此，过共晶合金得到了快速发展。12二、过共晶铝硅合金的特点和应用常规凝固组织特点：由初生Si和(a+Si)共晶体组成, 其中初生 Si 的显微硬度很高,为 HV1000-1300，a (Al)的显微硬度仅为HV60-100，一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料。生产中均需要变质处理。变质处理未变质13初晶硅形貌可划分为五种基本类型：八面体等轴晶体

5、、六边形片状晶体、包含有不同数目孪晶的等轴晶体、包含有放射形孪晶面的星形晶体和球状晶体。未经变质处理的初生硅一般呈粗大的板片状、多角形块状或五瓣星状。 随着硅含量的提高，板片状所占有的比例也越来越高，初生硅变得十分粗大。这显著地降低了过共晶合金的力学性能和切削加工性能。使用性能特点：热膨胀系数低、密度小、尺寸稳定性好、导热能力强、耐磨、耐蚀等特性，特别适用于制造轻质、耐磨零件。14过共晶铝硅合金的性能特点1）铸造性能初晶硅析出时放出大量结晶潜热，常用的过共晶Al-Si合金比共晶合金具有更好的流动性。但Si含量大于18%以后流动性也会开始下降。随着合金中硅含量的增加，合金的线收缩率减小。但随着结

6、晶温度范围的扩大，一些铸造缺陷也会逐渐显现，如合金的缩松倾向增大、气密性降低，即铸造性能下降。152）力学性能若没有经过变质处理，其力学性能很难满足使用性能要求；若经过合适的变质处理，合金可以获得满意的机械性能。随着温度的升高，合金的强度降低而塑性提高。在成分选择合适并经过变质处理的条件下，过共晶 Al-Si 合金的高温强度可以超过共晶合金。随着含硅量增加，合金组织中的初晶硅体积百分数增加，从而使合金的耐磨性提高。与共晶型和亚共晶型铝硅合金相比, 过共晶 Al-Si 合金的磨损率仅是共晶Al-Si合金的磨损率的0.3-0.5倍, 仅为亚共晶Al-Si 合金的磨损率的 0.1 - 0.2倍。3）

7、耐磨性能165）过共晶铝硅合金切削加工困难 刀具极易磨损，加工表面粗糙。解决的途径是使用金刚石刀具，或在合金成分中加入少量铅和铋。4）具有高温强度高和尺寸稳定性好等优良特性目前研究主要集中于硅含量在30%以下的过共晶合金。由于超高硅铝合金具有良好的导热性能、可控的线膨胀系数而被应用于电子封装材料。纯铝 的热膨胀系数高达 23.610-6 / ,而纯硅 的热膨胀系数仅为(2.8-7.2) 10- 6/ ,因此高硅铝合金材料的低热膨胀性主要是硅的贡献。17应用领域航天、航空、交通运输、机械加工等，尤其是在汽车行业得到广泛的应用。近几年来在电子封装壳体中的应用受到越来越多的关注。目前过共晶Al-Si

8、合金主要用于发动机活塞、缸套、转子、刹车盘、缸体及其他轻质耐磨零件。国外已生产出高性能的过共晶Al-Si合金活塞、缸套。随着发动机向高速、大功率、大压缩比方向发展，这类合金应用将会越来越广泛。18电子封装用高硅铝合金盒子19目前过共晶 Al-Si 合金在国内的应用主要是摩托车、汽车发动机活塞材料，部分企业已将过共晶 Al-Si 合金投入应用。如：重庆建设机床厂熔炼 ZAS23 型过共晶Al-Si合金，生产JS50和CY80 摩托车活塞。福建冶金工艺研究所用 FYZL-03 型过共晶 Al-Si 合金生产的 S195 型柴油机活塞，与 ZL108 活塞比较，排气温度降低了1020，当负载增大5%

9、时，燃油消耗率降低了1.96.5g/Kwh。国外除制作铸造活塞外，还替代灰铸铁，应用于发动机的气缸盖、油泵外壳和排气管。如：美国的A390、德国的KS280、KS282等，已经进入批量生产阶段。另外，相关的合金牌号还有德国的 MAHLF138。在日本，摩托车活塞已经全部选用这种材质的合金，并扩大应用于载重汽车，在小轿车上也有应用。在澳大利亚，过共晶 Al-Si合金 A390 已用作全铝汽车气缸铸件。2023三、过共晶铝硅合金的熔炼工艺 铝合金熔炼内容包括：配料计算、炉料处理、熔炼设备选用、熔炼工具处理及熔炼工艺过程控制。 熔炼工艺过程控制包括： 正确的加料顺序、严格控制熔炼温度和时间、实现快速

10、熔炼、效果显著的铝液净化处理及可靠的炉前质量检测手段。 目的及主要任务： 合金成分均匀并符合国家标准、纯净、气体及杂质含量低、需要变质处理的合金液变质良好。主要任务是提高合金的纯净度和变质效果。24加料熔化扒渣与搅拌出炉机边保温精炼除气调整成分浇注变质处理铝合金的熔炼工艺大体过程2525 1）对熔炼炉的要求及比较非铁合金熔炼过程中的突出问题：元素容易氧化、合金易吸气。因此，对熔炼炉的基本要求是：熔化速度快、时间短、烧损、吸气少；熔体表面积与熔体深度比尽可能小；熔池内温度均匀并易于控制；热效率高、燃料电能消耗低、炉衬寿命长；工艺操作方便、装料及熔炼的所有工序尽可能采用机械化、自动化；炉体的化学稳

11、定性及各方面能保证所要求的熔体质量。2626火焰反射炉或称倒焰炉：火焰与铝液直接接触，依靠强烈热辐射及对流传导作用。燃料:天然气、重油、煤气; 柴油深度一般450mm。优点是成本低、产量高、在严格遵守熔炼、精炼及浇炷工艺条件下可得到满意的铸锭质量。缺点是熔池液表面大、烧损大、吸气多、热效率低、噪声大、污染大、温度不易均匀。感应炉：温度和成分均匀、熔化快、氧化烧损少、吸气少（炉气中的可浴性气体含量低）、易于控温、设备周围温度低等；缺点：容易过热而晶粒粗大、设备造价高、能源成本高。电阻反射炉：适合做保温炉。熔炼的金属质量高、缺点是容量小、生产率低。27 精炼的目的： 清除铝液中的气体和各类有害杂质

12、，净化铝液，防止在铸件中形成气孔和夹渣。 2）铝合金的精炼原理 铝合金通常在大气中熔炼，当铝液和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHn等接触时，会产生化合、化分、溶解、扩散等过程。铝液中气体和夹杂物的来源 Al2O3的化学稳定性极高，熔点高达201515，在铝液中不再分解，是铝铸件中主要的氧化夹杂物。28 在所有的炉气成分中，只有氢能大量地溶解于铝液中。根据测定，存在于铝合金中的气体，氢占85%以上，因而“含气量”可视为“含氢量”的同义词。 铝液中的氢和氧化夹杂主要来源于铝液与炉气中水汽的反应。29 A 、铝和水汽、油污的反应 低于250时，铝锭与大气中的水汽接触会产生下列反

13、应 Al+H2OAl(OH)3+H2 Al(OH)3长在铝锭表面，组织疏松，呈粉末状，对铝锭没有保护作用，俗称铝锈。 升温至400左右，铝锈按下式分解:Al(OH)3 Al2O3+H2O 分解产物Al2O3组织疏松，能吸附水汽和氢，混入铝液中，增大气体和氧化夹杂的含量，使铝液质量变坏。30 因此铝锭不宜储存在潮湿的库房内或在雨季露天堆放。炉料库应保持清洁，干燥，以防生成铝锈。对已生成铝锈的铝锭，投入熔炉前应彻底清除铝锈，否则即使熔炼工艺操作很严格，也不易获得高质量的铝液。31 各种油污都是由复杂结构的碳氢化合物所组成，与铝液接触后都会发生下列反应，生成氢气4/3mAl+CmHn=1/3mAl4

14、C3+1/2nH2 这一反应，也是铝液吸氢的原因之一，故生产中严格禁用沾有油污的炉料直接投入熔池中。事先必须进行“碱洗”处理，清除油污。32 B、氢在铝中的溶解度 铝液与水汽溶入铝液中，当温度不变且达到平衡时有H=KspH2 pH2一氢分压，MPa； H溶于铝中氢的浓度。 Ks 温度不变时的参数。 上式即为有名的Sieverts公式，说明温度不变时，所有双原子的气体溶入铝液时都服从这个公式。 如果不服从这个公式，说明气体和铝相互作用，形成化合物。33 从图中可见，在铝的熔点温度，从液态转变为固态时，氢的溶解度剧烈下降，在液态铝中的溶解度达0.68mL/(100g)，固态铝中只有0.036mL/

15、(100g) ，二者相差达0.64mL/(100g)，相当于1.73%的铝液体积。以ppm作溶解度单位时，由于此单位很小，会造成错觉，如铝中溶入1ppm的氢，等于0.0001%铝液质量，氢的密度为910-5g/cm3，己占有3.0%的铝液体积，相当于1.14mL/(100g)。34 氢在金属液中的溶解度和金属液的蒸气压有关，蒸气压的驱动方向与氢溶入金属液中的驱动方向相反，会阻滞金属液吸氢。当温度到达沸点，金属液的蒸气压为0.1MPa时，氢的溶解度趋于零。但铝的沸点高达2057，在一般熔炼条件700-760下，铝液的蒸气压低于0.0001MPa，因此蒸气压的影响可忽略不计。35C、氧化铝的形态、

16、性能对吸氢的影响 根据结构分析，铝及其合金中存在着三种不同形态的无水氧化铝：、和，它们各自的特性列于下表中。36 室温下生成的表面氧化膜由少量结晶形态的-Al2O3和非晶态的Al2O3混合物所组成。随着温度的上升，非晶态Al2O3逐渐转化为-Al2O3和-Al2O3，到铝熔点附近温度，氧化膜厚度达210-1mm，有较高的强度。在铝液表面形成一层致密的氧化膜，隔绝了炉气和铝液的直接接触，阻滞了铝液的氧化和吸气，对铝液能起保护作用。所以，除Al-Mg类合金外，铝合金可直接在大气中熔炼。不必加覆盖剂，这是-Al2O3膜有利的一面。随静置时间的延长， -Al2O3将逐渐全部转化为-Al2O3。37 根

17、据观察结果，氧化膜只有和铝液接触的一面是致密的，和炉气接触的一面却是粗糙、疏松的，存在着大量的直径为510-3mm的小孔，小孔中吸附着水汽和氢，甚至将-Al2O3烧到890-900，仍能吸附少量水汽，只有当温度高于900, -Al2O3完全转化为-Al2O3，才能较完全地脱水。熔炼时搅动铝液，划破连续、均匀地覆盖在铝液表面的氧化膜并卷入铝液中，铝液便和氧化膜小孔中的水汽反应，使铝液进一步氧化，生成氧化夹杂，吸入氢气。这样， -Al2O3膜就起了传递水汽的作用，成为氢和氧化夹杂的载体。这就是-Al2O3膜的两面性。38 -Al2O3和-Al2O3在600-700范围内，吸附水汽和氮的能力最强，因

18、此，铝液中的氢有两种存在形式：溶解氢和吸附在氧化夹杂缝隙中的氢，前者约占90%以上。后者约占10%以下。故铝液中氧化夹杂越多，则含氢量也越高。通常，熔池深处氧化夹杂浓度较高，含氢量也较高。可见铝液中的Al2O3和H2之间存在着密切的孪生关系。39D、合金元素对铝液吸氢的影响对溶解度的影响 在pH2 =0. 1MPa的条件下，测得硅、铜、镁对溶解度影响结果表明，含镁量越高，氢的溶解度越高；硅、铜含量越高，氢的溶解度越低。对氧化膜性能的影响 铝液中含镁量高于1%，表面氧化膜即全部由MgO所组成，其组织疏松，对铝液不起保护作用，故Al-Mg类合金必须在熔剂覆盖下进行熔炼。40 在改变氧化膜性能方面，

19、最突出的是铍，它比铝轻，富集在铝液表层，优先被氧化，生成的BeO蒸气压很低，非常稳定。此外，BeO的电阻很大，能阻止电子交换过程，防止镁原子透过表面氧化膜和炉气接触，进一步被氧化，因此是一种非常有效的防氧化剂。在ZL301合金中加入Be 0.03%-0.07%，就能使氧化速度和纯铝相近，从而保护Al-Mg合金液。 加入硫，和镁反应生成MgS，也能成为氧化膜的填充剂，提高氧化膜的保护性能。41E、铝液中析出氢的条件热力学条件 热力学条件能表示析出氢的方向和限度。42 (2) 铝液中形成的气泡上浮至熔池表面 气泡上浮速度由Stokes公式估算 式中 气泡上浮速度，cm/s； R气泡半径，cm； 金

20、属液的动力粘度系数，N.s/m2； M金属液重度， g/cm3； B气泡重度， g/cm3。动力学过程 铝液析出氢的动力学过程包括下列几个环节。 (1) 氢气泡的形成 43 由于M- B值很大，气泡上浮速度通常不是铝液脱氢过程的限制性环节。 在铝液脱氢过程中，扩散却是一个决定脱氢速度的限制环节。 氧化夹杂明显降低氢的扩散系数，铝液中的合金元素如硅、镁、铜、钛等都降低氢的扩散系数，尤其是氧化夹杂影响大，阻滞铝液脱氢。铝液由熔池底部向液面造成定向运动，形成对流，则氢扩散系数，扩散速度，促使气泡快速生成、长大的同时，快速上浮至液面而被除去， 除气效果。44因此，在生产中可采取下列工艺措施: 冷凝除气

21、依靠熔池表面层、坩埚壁的空冷，使铝液产生自然对流； 真空处理藉氢气泡上浮带动铝液产生对流； 电磁搅拌在熔池内造成强制对流。 采取上述工艺措施后，氢在铝液中的扩散不再是脱氢除气的限制环节。此时，氢气泡通过铝液表面氧化膜成为脱氢过程的限制性环节。45 (3) 气泡通过表面氧化膜逸出脱氢过程的最后阶段是铝液中氢气泡通过表面氧化膜逸出。铝液的表面氧化膜组织致密，强度高。因此，气泡逸出的速度取决于相界面上存在的氧化膜组织。能破碎、溶解表面氧化膜的熔剂，可消除气泡逸出的屏障，提高铝液脱氢速度。如真空处理时，通常覆盖一层熔剂，氧化膜溶入熔剂中，气泡能顺利逸出，使除气效果大大改善。46 在铝液内部，如果氧化夹

22、杂含量高，氢气泡表面被氧化膜包覆，氢气渗入气泡的扩散受阻，同样成为脱氢过程的限制性环节。如果通入惰性气体Ar或不溶于铝液的活性气体Cl2，C2Cl6，CCl4等，则氢气可直接向这些气体所形成的气泡中迁移，然后被气泡带出液面，从而提高除气速度，见右图。47改善除气动力学条件，提高除气速度的有效途径如下: 1) 尽可能增加气泡数目，增加铝液与气泡间的有效接触比表面积A/V； 2) 尽可能减小气泡直径，并在不引起铝液表面飞溅的前提下，增大气泡在铝液内的运动速度，即增大搅动度，强化气液表面更新率，增大传质系数k；3) 尽可能延长气泡在铝液中上升浮游的路程，以增加气泡在铝液内的停留时间，亦即增加气泡带走

23、氢气的时间t，提高除气效率； 4) 采用高纯度惰性气体或不溶于铝液的活性气体除气及真空除气，改善除气条件等。483） 铝液熔炼工艺 按作用机理，精炼工艺可分为吸附精炼和非吸附精炼两大类。 A、吸附精炼 吸附精炼依靠精炼剂产生吸附氧化夹杂的作用同时清除氧化夹杂及其表面吸附的氢气，达到净化铝液的目的。精炼作用仅发生在吸附界面上，具体又可分为浮游法、熔剂法、过滤法等。49 浮游法包括8种方法：通氮精炼、通氩精炼、通氯精炼、氯盐精炼、三气混合气精炼、固体无公害精炼剂、固体三气精炼块、喷粉精炼。 （1）通氮精炼50 通氮温度应控制在710-720，温度过低，降低氢的扩散系数，温度过高，将生成大量AlN夹

24、杂物，同样污染铝液。镁比铝更容易和氮反应，生成Mg3N2夹杂物。 工业用氮气瓶中通常含有微量氧气，并可能含有水分，因此在生产中，为了清除氮气中的水分，在通入铝液之前，应通过储有于燥剂CaCl2、硅胶、分子筛、浓硫酸等的干燥器后再进入铝液中，进行严格脱水处理。51 （2）通氩精炼 工业用氩气瓶中含氧量较低，在0.005%-0.05%范围内，精炼温度允许提高到760。精炼时，较重的氩气富集在铝熔池表面，能保护铝液防止和炉气反应，故净化效果好。对原始质量较好的铝锭，如大块护料，净化效果和六氯乙烷C2Cl6相近，而对于质量较差的炉料，如回炉料，有时其净化效果还优于C2Cl6。52 若使用锶变质后，则必

25、须通氩精炼。操作上变质、精炼可以同步进行，精炼时氩气泡对铝液起搅动作用，加速变质元素的扩散，从而缩短锶变质的潜伏期，提高生产率。 惰性气体族中除氩外，氦、氖、氪等都有类似的净化效果，但以氩的价格最便宜，来源较丰富，为工厂所乐用。53 （3）通氯精炼 氯不溶于铝液中，但能和铝液及溶于铝液内的氢产生剧烈反应 反应生成物HCl（沸点85 ) ，AlCl3(沸点183)都呈气态，且不溶于铝液，和未参加反应的氯均能起精炼作用，因此净化效果比通氮甚至通氩明显。54 工业用氯气瓶中常掺有水分，影响净化效果。精炼使用的氯气含水量应控制在0.08%以下。随着使用时间的推移，氯气瓶中的含水量将逐渐增加，最终可增加

26、1倍以上，在生产中必须注意。 氯是剧毒气体，通氯装置应安放在密封的房间内，以防泄漏。熔炉、坩埚上方应安装通风罩，净化操作环境。其次，通氯后引起合金的晶粒粗大，降低力学性能，故生产中极少采用，已改用氮-氯联合精炼工艺：先通氯，再通氮，以净化通氯管道、设备，保护厂方及车间设备，改善劳动条件。也可用N290%+Cl210%的混合气进行精炼，亦能获得良好的净化效果。55（4）氯盐精炼 常用的氯盐有氯化锌ZnCl2，氯化锰MnCl2、六氯乙烷C2Cl6、四氯化碳CCl4，四氯化钛TiCl4等。 氯盐精炼时和铝液发生下列反应 氯盐精炼的优点是省去了一整套气体发生装置和输送管道，其次，AlCl3的毒性比氯气

27、小得多。氯化锌精炼会引起回炉料中含锌量超标，六氯乙烷中加入1/2-1/3N2SiF6压块，净化效果好同时还有细化合金组织的效果。56 （5） 三气混合气精炼 三种气体是Cl2 、CO、N2，配比为15：11：74，经混合后吹入铝液内，与铝液发生下列反应使用三气混合气精炼的净化效果和使用六氯乙烷的相当，而且精炼时间减半，污染程度减轻，但要配置一套复杂的三气发生装置及输送管道。57 （6）固体无公害精炼剂 主要成分为煤粉和硝酸盐，压制成块并压入铝液中，发生下列反应精炼时由于反应产物无嗅无味，为工人所乐用，缺点是没有氯、氟等有效成分，净化效果欠理想。无公害精炼剂价格便宜，适用于不重要的中、小型铝铸件

28、。58 （7）固体三气精炼块 在无公害精炼剂的基础上，加进适量的C2Cl6组成三气精炼块，提高C2Cl6的利用率，净化效果优于无公害精炼剂，反应产物中除C2Cl4外无嗅无味，能用于较重要的铝铸件。缺点是原材料烘干不彻底，压块前搅拌不均匀时，净化效果不稳定。 （8）喷粉精炼 惰性气体氮、氩精炼后期，容器内逐渐积聚水汽和氧，带入铝液中将生成Al2O3 ，吸附在氮、氩气泡的表面，降低净化效果。59 将粉状熔剂和惰性气体一起吹入铝液中，熔化后可包围在气泡表面，将氧化膜溶解、破碎，提升精炼效果。单管喷吹和旋转喷吹精炼60 熔剂法 熔剂法的机理在于通过吸附、溶解铝液中的氧化夹杂及吸附其上的氢，上浮至液面进

29、入熔渣中，达到除渣、除气的目的。熔剂的作用：覆盖、聚渣和精炼。净化效果好，尤其是熔炼Al-Mg类合金或重熔切削、碎料时，必须采用熔剂法。 对熔剂的要求：不与铝液发生化学反应，也不互相溶解；熔点低于精炼温度、流动性好容易在铝液表面 形成连续的覆盖层保护铝液，最好熔点高于浇 注温度，便 于扒渣清除；能吸附、溶解、破碎Al2O3夹杂；来源丰富，价格便宜 ；61常用的熔剂组分有:NaCl、NaF、 KCl、Na3AlF6、 Na2SiF6、CaF2等，不同组分按不同配比制成的熔剂，有不同的熔点、不同的表面性能及不同的工艺性能，以满足不同的要求。62 过滤法 过滤精炼由于净化效果好，对于重要的铝铸件，可

30、采用过滤。 过滤剂可分为两类，一类是非活性过滤剂，如石墨块、镁屑砖、玻璃纤维等，依靠机械作用清除铝液中的非金属夹杂物。另一类是活性过滤剂，如NaF, CaF2, Na3AlF6等，除机械作用外，主要通过吸附、溶解Al2O3的作用清除氧化夹杂。63 稀土精炼 稀土与氢形成稳定的REH2，以固体形式吸收铝液中大量的氢，降低含氢量，消除针孔。 稀土最佳加入量为2%-3%，加入过多，不但浪费稀土，而且带入氢化夹杂，降低净化效果。稀土加入铝液后，需静置一定时间，使其扩散均匀，达到最佳净化效果，这段时间即为“潜伏期”。 最适用的是Al-Si类合金，它在消除针孔的同时细化共晶硅，明显提高合金的力学性能。64

31、B、非吸附精炼 依靠其它物理作用的精炼方法，统称为非吸附精炼，分真空和超声波等，特点是同时对全部铝液起精炼作用。 真空精炼优点: （1）针孔等级明显改善，合金的力学性能普遍提高10%左右； （2）精炼时不会破坏钠、锶对Al-Si共晶合金的变质作用，可以在变质的同时进行精炼，既能避免变质处理时的二次吸气，又能提高生产率； （3）可以代替高压釜中铸造，同样获得致密的铸件。只适用于批量生产同一牌号的重要铝铸件。65当超声波发生器功率足够时，作用范围可达全部铝液，净化效果好。 由于要配备超声波发生器，消耗功率大，故不易在生产中获得推广。66 C、净化效果检测方法 炉前检测 炉前检测是控制熔炼工艺，保证

32、铸件质量的重要手段。尤其在采用大容量熔炉进行大批量生产时，更为重要。炉前检测的项目主要是含气量和氧化夹杂含量。 目前检测的方法很多，应用较普遍的有下列几种: （1）含气量检测常压凝固试样 常压凝固试样的尺寸通常为(40-50)mm(20-30) mm，铸型可用于砂型、耐火砖型、石墨型等。67 将铸型预热到200以上，浇入待测的铝液。凝固前用干净铁皮刮去表面氧化膜，观察凝固过程中试样表面形貌的变化。含气量多时，会有小气泡冒出。比较精炼前后凝固试样表面情况，有无小泡冒出，即可判断净化效果。一旦冒泡，说明净化效果差，需重新精炼。 敲开试样断口，如出现白点，则是含气断口。白点有两种：一种呈圆点状，面积

33、不大，彼此不相连，这就是点状针孔的孔穴，孔穴壁光滑，呈球形。另一种呈片状，面积较大，有时连成一片，看不出明显的孔穴，呈棉絮状，这是由网状针孔所形成。68用显徽镜观察，可以看出白点的孔壁由(A1)枝晶所组成，白色。根据断口中有无白点及白点形态、多寡很容易判断净化效果。常压凝固试样一般适用于Al-Si类合金。存在的问题： 灵敏度低，当铝液含气量低于0.5mL/(100g)时，不易看到气泡，当雨季下雨时，又会出现反应过敏，净化效果好的铝液也会冒小气泡，易引起误判。69 减压凝固试样 将100g左右的铝液倒入小坩埚内，在0.65-6.5MPa压力下凝固，如不冒泡，表面不凸起，则说明含气量低，净化效果好

34、；若试样表面凸起，冒1-2个泡，则净化效果欠佳，需重新精炼；如表面不断冒泡，则说明含气量很高，需采取有效的精炼手段，重新精炼。70 减压凝固标准试样 在设定的凝固条件下，铝液在标准形状的壳型中凝固，切去冒口，然后分别在空气、水中称重，然后按下式求得试样的密度。 s值越大，含气量越低，净化效果越好。71现代化的铸铝车间常用的检测方法。72 氮氢氧测定仪73（2）氧化夹杂检测污染度测定法 适用于铝型材工厂判断第一类氧化夹杂的含量，但对第二类氧化夹杂不易判断。Br-CH3OH(溴-甲醇)法 第二类氧化夹杂太小，既不能采用污染度测定法，也不能采用金相磨片进行观察，只能用化学分析方法。 溴-甲醇法分析时

35、间较长，有毒性，Al-Si类合金不适用，不能反映氧化夹杂物在试样中的分布状态。74 定量金相法 将试样做成金相磨片，在显微镜下进行观察、分析，并按线分析法进行定量测定，测定视场30-50个，放大200-400倍，在暗场下测定，Al2O3夹杂呈透明亮黄色。 熔剂洗涤法 熔剂主要由NCl、KCl、NaF、Na3AlF6等按一定比例混制而成。洗涤完后，将坩埚在炉内冷却至室温，洗涤后铝试样将与熔剂自然分离，经清理后分别称重，计算夹杂物相对量。75 成品检测 （1）低倍组织检测 在铸件不同部位切取试样，经表面精刨后用NaOH 12%水溶液在室温下浸蚀3-5min，显出针孔，即可根据针孔大小、数量按国家有

36、关标准进行评级。 优点：灵敏度高，判断容易，能观察到直观的气孔和其它铸造缺陷、晶粒大小。缺点：破坏零件，不能检验整批零件。 通常在铸造工艺定型前的试制阶段时采用。76 （2） X光透照检验 优点：不必破坏铸件，可以逐个检查大批量的铸件内的铸造缺陷。 缺点：不能看到直观的铸造缺陷；铸件厚度过大或结构复杂，安放底片有困难的部位不能采用；底片质量差时容易误判；要求检测人员有足够的技术水平和丰富的检测经验。77 铝合金熔炼小结 降低铝铸件废品率的各种工艺措施概括为: 防、排、溶。 “防”就是严防水汽及各种含气脏物混入铝液中，发生式有害反应。 “排”就是通过精炼，清除氧化夹杂和气体，记住“除渣是除气的基

37、础” 。 “溶”就是利用快速凝固，或加大凝固时的结晶压力，即提高 Vk2 、p ，使铝液中的氢全部固溶于铝铸件内，不致形成气孔。 安排、选择“防”“排“溶”三套工艺措施，应遵循“以防为主”的原则。78 生产实践证明，最有效的精炼方法通常只能使铸件的针孔等级改善1-2级。但如不注意以防为主，会使铝液纯净度大大降低，采取最好的精炼工艺也难以彻底清除气体和氧化夹杂。 “溶”的效果很明显，当采用金属型、石墨型、低压铸造、反压铸造、挤压铸造、压铸时，对铝液纯净度的要求可适当放宽。 必须落实到具体的熔炼、铸造工艺操作上，只有熔炼操作基本功过硬，才能获得高质量的铝液。 每个环节的精细化，即发扬“匠人”精神。

38、79 熔炼操作基本功包括：熔炼设备、熔炼工具的准备和精心处理，精炼剂、变质剂，覆盖剂的细心预熔、烘干，正确的搅拌、扒渣操作和小心浇注等等。80四、铝合金组织控制第一类：改变外界条件实现细化； 如提高熔体冷却速度、外力打碎枝晶等方法均可改变熔体的凝固外界条件。目前工业上常用的方法有喷射沉积法、机械震动法、电磁搅拌法、超声波振动法等第二类：改变熔体的化学成分，形成细化弥散的高熔点化合物，如添加变质剂及微量元素来实现。 组织控制方法目前工业中广泛采用81 变质处理是常用的组织控制手段，在合金成分、冷却速度、凝固时外加力场不变的条件下，在铝液中加入少量添加剂，使金相组织发生明显变化，获得理想的合金组织

39、。第一类：晶粒细化处理，主要用来细化初生相，如(Al)晶粒和初生硅；第二类：共晶体变质，用来改变共晶体的组织，广泛应用于Al-Si共晶合金；第三类：改善杂质相的组织或消除易熔杂质相，如加铍、加锰、加钴等改变粗大的富铁相等。变质处理821) 第一类变质处理(1) (Al)晶粒细化处理 常见的晶粒细化剂有钛、硼、锆及稀土金属等，以中间合金或盐类形式加入铝液中。当采用盐类形式时，与铝液发生下列反应83TiAl3， AlB2， TiB2， TiC,，B4C，ZrAl3等均起晶粒细化作用，反应式中的碳来自精炼后的残留碳，或以碳粉形式直接加入铝液中。加入温度取决于中间合金的熔点和成分；一般在800-950

40、之间。使用盐类细化剂时要选择合适的温度并辅之以搅拌，务使反应完全，提高钛、硼、锆的收得率，又不致使合金液过热。84（2）初晶硅细化处理 工业上广泛应用的初晶娃变质细化主要是磷变质。 磷主要以单质磷（赤磷）、磷化物、磷酸盐等形式加入到铝硅合金中。目前常用的变质剂是磷的中间合金，并优化了操作工艺，变质效果良好。 日本和德国科学家采用粉末冶金法成形,并经热挤压和热锻研制的Cu-P中间合金。适合感应电磁炉中使用，而不合适在静置炉中使用、且成本高。 山东大学刘相法等利用熔铸法得到了一种高效绿色铝硅合金变质剂，即 Al-P和Al-P-Si 中间合金变质剂，解决了变质过程中的环境污染及生产成本高昂等问题。8

41、5熔化温度低，并且无反应渣产生，仅为而且变质效果很稳定和高效。影响细化效果的因素: 最佳含磷量 和许多工艺因素有关，如处理温度、浇注温度、合金成分、孕育时间等，应通过试验确定最佳含磷量的范围及其加入量。低于最佳值，则细化不足；过量时会产生“过变质”，使初晶硅粗化。 处理温度 AlP的熔点高于1000，处理温度过低，AlP在铝液中凝聚成团，随温度下降逐渐失去细化作用，处理温度一般高于合金液相120-150，已有正常的细化效果。处理温度过高。将增加气体和夹杂物含量。86 浇注时间 经细化处理的铝液在800-900高温下长期保温，细化效果会因AlP逐渐聚集而衰退。在浇注时间长的条件下，发现细化效果衰

42、退后应用C2Cl6反复精炼，在精炼的同时打散聚集的AlP，重新获得细化效果。变质效果的检验方法一般用金属型浇注试块，打开断口判断细化效果及冶金质量。 未变质处理试样，裂纹源穿过板状初晶硅，然后沿基体扩张，导致断裂。断口呈蓝灰色，断口上可以看到粗大发亮的初晶硅片。87 变质处理后，初晶硅变为细小颗粒，裂纹穿过(Al)及硅初晶，因而初晶硅亮点较少，分布较均匀，断口颜色较浅。 为了提高判断的准确性，应将试样模具控制在150-200范围内，以免因冷却速度不同，引起假象，影响判断的准确性。 未变质处理变质处理后88 对于初晶硅的变质处理，国内外还对钠、锶、稀土、钙等元素的作用进行了研究，但目前还没能有公

43、认的结论。但比较一致的结论是若磷变质和钠或锶或钙同时加入时，则将会对磷变质产生毒化作用，即减弱磷对初生硅相的变质效果892) 第二类变质处理 共晶硅处理 合金的力学性能的好坏还与组织中共晶硅的形貌有关，在合金未变质之前，共晶硅通常呈现为粗大的针片状，使得容易在其组织尖端产生应力集中，裂纹容易在此处产生，从而导致合金容易断裂。通过共晶硅变质技术改变共晶硅的形貌和尺寸后合金的力学性能和塑性都会提高。目前对于共晶硅变质普遍采用的变质元素有钠、锶、铋、钡、锑、碲、稀土元素等。903) 初生硅和共晶硅双重处理 P变质处理只能细化初晶硅，不能同时细化共晶硅。近年来出现了能同时细化初晶硅和共晶硅的变质方法即

44、双重变质，能进一步改善合金的力学性能，尤其是伸长率。对于含硅较低的过共晶铝硅合金，双重变质更显得重要。 常见的双重变质组合包括：P和S、P和RE、P和Sr、P和Na、C和P、Ba和P；或多元复合变质剂。91未变质(a)与变质后(b)过共晶 Al-16wt.%Si 合金的显微组织 复合变质剂:1.0wt.%的 Al-P 合金、0.7wt.%氧化钇、0.8wt.%碳化钛92未变质(a)与变质后(b)过共晶 Al-20wt.%Si 合金的显微组织 复合变质剂:1.0wt.%的 Al-P 合金、0.7wt.%氧化钇、0.8wt.%碳化钛93 变质处理工艺要点 变质处理工艺要点: 温度、时间、用量及操作

45、方法。温度 变质温度过高，增加铝液氧化、吸气，变质效果衰退快，合金易渗铁；温度过低，变质反应慢，钠的收得率低，浪费变质剂，变质效果差。 在生产中，变质温度通常稍高于浇注温度，此外还应考虑变质效果、铝液冶金质量，经过试验来确定变质温度。94时间和用量 变质温度越高，铝液和变质剂反应速度越快，所需变质时间也越短，具体时间和用量需要针对具体合金通过试验确定。采用“搅拌”法时，搅拌的时间就是变质的时间。操作方法采用“压盐”法时，用压瓢把变质剂压入液面下100-150mm处，经3-5min后，即可取样检验变质效果。95五、过共晶铝硅合金的铸造方式 按GB T 1173-2013中所述的 铸造铝合金方法包

46、括：砂型、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造。实际上，铝合金的铸造方式有多种，根据其成形特点可有不同的名称，如压力铸造、低压铸造、半固态铸造、离心铸造、挤压铸造（液态模锻）等。 近年来，国内外学者研究了一些新的能改变硅相形态和分布的改进铸造方法：快速凝固、 熔体处理、 电磁振荡、 固液或液液混合铸造（又称受扩散控制凝固）等。96 混合铸造：例如熔炼浇注Al-20%Si铝合金固-液混合铸造： 将预热到预定温度的固态ZL102合金或纯铝分别加入到经熔化、精炼除气、除渣后冷却到预定温度的液态Al-25%Si合金熔体中。同时，将测温仪上的热电偶插入熔体内部收集温度数据，待固态材料完全熔化后停置一段时间 观察测温仪上的温度数据变化情况，待目标合金熔体各处温度均匀一致，达到预定浇注温度690时，浇注到预热至 200 金属型模具中成形。97 混合铸造：例如熔炼浇注Al-20%Si铝