--昆明冶金研究院 杨朝聪
1 前 言
在铸造铝合金中, 过共晶Al - Si合金因具有热膨胀系数小、耐磨性和铸造性能好等优点而引起人们的极大关注。但过共晶Al - Si合金的变质问题一直影响这类合金的生产和扩大应用, 而国外过共晶Al - Si合金已广泛应用于内燃机的活塞材料。如:
ISU ZU (日本) 活塞的主要化学成分Si20 . 66 %、Cu 1 . 68 %、Mg 2 . 02 %、
Mn 0 . 028 %、Al余量; Vespa (意大利)活塞的主要化学成分Si 19 . 16 %、Cu1 . 62 %、Mg 0 . 56 %、Mn 0 . 66 %、Al余量。而我国还一直采用共晶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) 。开发研制新的过共晶Al - Si合金也成为内燃机活塞及其材料改型以及更新换代的一个重要研究课题。
2 过共晶铝硅合金的性质和用途
2 . 1 性 质
据Al - Si二元系相图
Al - Si共晶温度为577℃, 共晶成分为12 . 6 % Si。在常温下, Al - Si 二元系仅形成α和β相。通常把共晶中的β相称为共晶硅, 在铸态下, 未经变质处理的共晶硅呈粗大的片状。共晶和过共晶合金组织中的初晶β相称为初晶硅。在铸态下未经变质处理的初晶硅呈粗大的多角形块状和板状。粗大的β相很脆, 若不经变质处理, 含β相多的铝硅合金不能在工业上得到实际应用。在一定温度下铝硅合金的流动性一般随着合 金Si 量 增 加 而 变 好, 在760℃, 含16 %～22 % Si的铝硅合金均有较好的流动性。纯铝的线收缩率很大, 而纯硅几乎不收缩。因此, Al - Si 系合金的膨胀系数随着含Si量的增加而减小, 热裂性也相应减小。有β相析出的Al - Si合金是软基体分布着硬质点的理想耐磨材料, 其耐磨性随着合金含Si量增加而提高, 同时耐蚀性也变好。在切削过共晶铝硅合金(Si 15 %～22 %) 时, 工件切削表面光洁度很差, 为改善切削性能必须对初晶硅进行变质处理。
2 . 2 用 途
经变质处理的过共晶铝硅合金具有抗拉强度高、线膨胀系数小、耐磨性和抗蚀性好、铸造和切削性能优良等特点。它是汽车、摩托车发动机活塞的理想材料。
3 过共晶铝硅合金的细化变质
细化过共晶铝硅合金的方法很多, 如超声波振动法、电磁搅拌法、急冷法等。但这些方法细化效果不够理想, 目前最有研究前途的是添加变质剂的方法。
3 . 1 初晶硅的细化变质
1933年发现, 向共晶铝硅合金中添加赤磷可以使初晶硅细化。1951年发现, 向过共晶铝硅合金中添加磷化合物或合金能使操作条件改善, 同时得到良好的细化效果。如使用过P - Cu、P - Si、P - Ni、P - Fe等。据文献, PCl5 或PCl以及PNCl2 都可以使初晶硅细化。一般PCl5 或PCl的加入量为0 . 06 %～0 . 2 % , 而PNCl2 的加入量为0 . 25 %。近几年日本和德国的冶金工作者研制了Al - Cu - P中间合金作为过共晶铝硅合金的变质剂, 他们是通过粉末冶金法成形, 然后利用热挤和热锻等方法制备的, 初晶硅变质效果很好。国内用熔铸法制备了一种Al -Cu - P中间合金, 对其变质效果也进行了研究。Al - Cu - P中间合金的变质效果优于P - Cu合金。加磷能使初晶硅细化, 其细化机理是磷 与铝在高温下形成Al P ,它与硅的晶型均为金刚石型点阵, 晶格常数接近(Si为5 . 24×10- 10 m、Al P为5 . 45×10- 10m) 。因此,Al P在初晶硅形核过程中, 成为非均质形核的核心, 细化了初晶硅。
3 . 2 共晶硅的细化变质
近年国内外均在研究新的变质剂, 试验的有Sr、Ba、Te、Sb、S、Y、Ca、Bi、As、Ce、Nd、Re等元素。1920年发现钠对共晶硅有细化作用,但无论是加金属钠还是加钠盐, 重熔时由于钠挥发、烧损其变质效果会逐渐消失。1960年发现, 锑对共晶硅有变质作用, 而且有长效性。加入量为0 . 2 %～0 . 5 % , 以含5 %～8 %Al - Sb合金形式加入, 一般在精炼后于750℃进行变质处理。锑不能与钠同时使用, 因为二者相互作用形成Na2Sb使变质效果相互抵消。1966年发现锶对共晶硅有细化变质作用, 而且有长效性。一般以含5 %～6 % Sr 的 铝 锶 合 金 形 式 加 入, 用 量 为0 . 04%～0 . 08 %。稀土元素在对共晶硅的细化作用中也有较好的效果。
3 . 3 共晶硅和初晶硅的双细化变质
单独细化初晶硅和共晶硅的方法目前较为成熟, 但细化剂之间有时会发生相互作用和相互抵消。因此, 近年来国内外把过共晶铝硅合金的双细化变质处理作为重要的研究课题。
3 . 3 . 1 P和Na双变质
日本用磷和钠处理过共晶铝硅合金时,第一组试验用既含磷又含钠的盐类、如Na H3PO4 ·2 H2O、Na2HPO4、Na2HPO3 ·5 H2O。试验表明, 钠的变质效果持续时间短, 每种变质剂的细化效果发生在变质后某个特定时间内。第二组试验采用Cu3P和Na2CO3, 其用量分别为0 . 67 %和0 . 3 % ,先加Cu3P , 保温15分钟后加Na2CO3, 再保温5～15分钟, 然后浇注。在这种条件下变质效果最好。但向过共晶铝硅合金添加磷和钠有下列两个反应发生:
P + Al→Alp
3Na + Alp→Na3
P + Al
Na3P属于六方晶格; 由于晶格结构与晶格常数与初晶硅的晶格结构与晶格常数不同, 显然不能成为初晶硅的异质晶核。同时由于生成Na3P , 使Al P和Na的数量减少,使细化作用减弱。
3 . 3 . 2 P和Sr双变质
锶不仅具有较好的变质作用, 而且有长效性。但磷和锶在铝液中会发生相互作用:
Al + P→Al P
2Al P + 3Sr→Al + Sr3P2从而削弱了磷和锶的细化效果。为提高磷和锶变质效果, 文献
报道, 对含Si 20 %的铝硅合金来说, 磷盐(Na PO3) 为2 . 0 %～2 . 5 %和锶盐(SrCl2) 为1 . 4 %～1 . 6 %时细化效果最佳。
3 . 3 . 3 P和C双变质
原苏联研究结果表明, 向过共晶铝硅合金中同时添加磷和碳具有良好的变质效果, 尤其是以(C6H5)3PO4 和C4H3O4PCl3有机化合物形式加入效果较佳, 抗拉强度要比现有的其它变质方法高10 %～15 % , 伸长率高出40 %～50 %。
3 . 3 . 4 P和Re 双变质
在过共晶铝硅合金中, 同时添加磷和混合稀土, 国内已在这方面开展了许多研究工作, 并认为磷能细化初晶硅、Re能细化共晶硅。它们的联合变质作用是单独作用的复合结果, 磷和混合稀土没有相互作用。
4 结 语
汽车工业渐渐成为我国国民经济的支柱产业, 过共晶铝硅合金活塞在国外已被广泛应用, 而我国目前活塞材料仍以共晶铝硅合金为主, 研究开发新的过共晶铝硅合金材料意义尤为突出。综上所述, 添加没有相互抵消作用的变质剂(如P - C、P - Re、Al- P - Cu - Re 等) 是研制实用的过共晶铝硅合金的有效途径。
参考文献:
1 虞党奇等编译. 二元合金状态图集, 上海科学技术出版社, 1987 . 156
2 朱奕庆等. 国外铸造, 1975 , (4) : 26～31
3 王德满等. 轻合金加工技术, 1995 , (9) : 9～12
4 周国桢等. 铸造有色合金及其熔炼. 北京: 国防工业出版社, 1980 . 15
5 陆树荪等. 有色铸造合金及熔炼. 北京: 国防工业出版社, 1983 . 24
6 赵恒先等, 轻金属, 1992 , (2) : 63
