初晶硅晶粒细化在Al-Si合金中的应用

w（Si）>12.6%的过共晶Al-Si合金，由于线膨胀系数小，比重轻，耐磨性、流动性及抗热裂性都较好，优于亚共晶和共晶Al-Si合金，引起人们的重视。从20世纪70年代以来，过共晶Al-Si合金逐步在国内外柴油机活塞、发动机缸体等多种铸件上应用。

对于未变质的过共晶Al-Si合金，由于凝固组织中初晶硅粗大（见图1-30），合金的强度低，工业上无法应用，需要对初晶硅进行细化处理。初晶硅的细化采用超声振动结晶法、急冷法、过热熔化低温铸造法、高压铸造法等工艺都可以取得一定效果。但是，通过加入变质元素磷细化初晶硅的方法是最稳定的，工艺也比较简便。

图1-30 未细化处理的过共晶 A390铝合金的块状初晶硅

1.磷细化处理

生产上可利用的磷细化剂（俗称磷变质剂）主要有两类：一类是赤磷或含赤磷的混合变质剂；另一类是含磷的中间合金。赤磷是使用最早的变质剂，加入合金液重量的0.5%赤磷，即可使初晶硅细化。但由于赤磷的燃点低（240℃），运送不安全，变质时，磷和铝液相遇，燃烧激烈，产生大量烟雾，污染空气，同时使铝液吸收较多的气体，因此，现在赤磷多与其它化合物混合使用，以改善操作。

最常用的含磷中间合金是磷铜（Cu-P）合金（含磷的质量分数为8%～14%），熔点为720～800℃。磷铜合金加入铝液后溶解迅速，容易吸收，效果稳定，也易于保管和运输，普遍应用于实际生产中。

当合金中不需要Cu的情况下，可采用Al-P中间合金。

磷细化Al-Si合金初晶硅的机理是：磷在合金中易于与铝形成AlP化合物。AlP的晶格常数a=0.5451nm，而硅的晶格常数为a=0.5428nm。根据晶体结构相似、晶格常数相近的原理，AlP可以起到异质核心的作用，由于晶核数目增加而使初晶硅细化。磷的细化效果如图1-31所示，可将初晶硅从大于100μm细化到25～50μm。但磷对共晶硅没有变质作用。

另据有关资料，加砷和硫也可使初晶硅细化，加砷生成AlAs化合物，它具有闪锌矿型立方晶格，晶格常数为0.563nm，与硅相近，熔点高于1600℃，也可以成为初晶硅的异质晶核而起到细化作用。

磷细化初晶硅的影响因素主要有：

（1）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，仍然有部分较粗大的初晶硅；过量时会产生“过变质”，使初晶硅粗化。

图1-31 采用磷变质的

Al-20%Si-1%Cu-0.5%Mg

合金的显微组织

（2）处理温度AlP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线120～150℃，才有正常的细化效果。处理温度过高，将增加气体和夹杂物含量。(www.xing528.com)

（3）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，发现细化效果衰退后应采用吹气或C₂Cl₆等反复精炼，在精炼的同时打散聚集的AlP，重新获得细化效果。

初晶硅细化效果的炉前检测方法，一般是采用金属型浇试块，打开断口判断细化效果及冶金质量。

细化处理前，裂纹源穿过板状初晶硅，然后沿基体扩张，导致断裂。一颗板状初晶硅被破断后，分布在断口的两边，断口上可以看到粗大发亮的初晶硅片，因此断口呈蓝灰色。细化处理后，初晶硅变为细小颗粒（见图1-31），裂纹穿过α（Al）及初晶硅，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，应将试样模子控制在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。

磷细化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。

细化共晶硅的原理及方法将在下一节1.4.3中叙述。常用的共晶硅变质剂如钠、锶和磷同时加入铝液时生成稳定的化合物Na₃P、Sr₃P₂，变质作用可能互相抵消，双重变质应防止出现这种情况。但是已有研究表明，采用特定的双重变质剂或变质工艺是能够取得效果的，详见1.4.4节所述。

2.快速凝固细化技术

对于高硅铝合金，可采用前述的喷射沉积快速凝固技术来细化硅晶粒。传统熔铸方法其w（Si）一般不超过23%，而采用快速凝固技术时可生产w（Si）>30%的铝硅合金。此时获得的是高硅合金粉或高硅合金锭，再通过粉末冶金或挤压等方法成形为零件。喷射沉积法也存在一些不足，如合金熔炼温度一般不低于1000℃，且随着硅含量的提高，温度也随之升高；沉积后的合金致密度不够，需要后续的烧结或挤压工艺进行改善，使成本增高。

图1-32 喷射沉积制备Al-25Si的金相组织

典型的喷射沉积快速凝固工艺是英国Osprey公司开发的如图1-28所示的工艺，熔体经过喷嘴雾化、被气流快速冷却凝固，沉积为锭料或零件，冷却速度可高达10⁶～10⁸℃/s，初晶硅可细化到5_μm以下。图1-32所示为喷射沉积制备Al-25Si的金相组织，由Al基体和尺寸在5～10μm的等轴硅晶粒组成[15]。

3.超声振动细化处理

超声振动具有广泛的用途。20世纪初Sokoloff首次报道了超声对金属组织的影响，他利用功率超声装置对纯金属Al、Zn和Sn进行振动凝固研究，发现超声振动对组织有明显细化作用。由于超声振动的施加较为简便，近年来成为研究热点。

图1-33 未加磷变质的A390合金超声 振动处理后的组织

利用超声波处理可细化过共晶Al-Si合金中的初晶硅，从而明显改善过共晶Al-Si合金的塑性、强度及高温性能。超声细化组织的程度与超声波的输入能量、合金成分和铸件厚度有关。超声强度达到一定值后，对组织才有细化作用。图1_-33所示为未加磷细化剂、仅采用超声处理后A390铝合金[w（Si）=17%]的组织^[16]。超声处理参数为：超声功率1.2kW、超声频率20kHz、间歇式超声振动处理。超声处理后的平均硅颗粒尺寸为40μm左右。

有关超声振动的工艺及其机理将在后面的第5章第2节的半固态成形技术中详细叙述。