一、前言
鑄造Al-Si-Mg合金，因其具有良好的機械性能和工藝性能，應(yīng)用廣泛，世界各工業(yè)發(fā)達國家的標準中都有這類合金。本文綜述了雜質(zhì)元素、凈化、晶粒細化、變質(zhì)處理和熱處理等工藝因素對鑄造Al-Si-Mg合金機械性能的影響，探討了提高這類合金機械性能的一些途徑。
二、雜質(zhì)元素
在雜質(zhì)元素中，F(xiàn)e對鑄造Al-Si-Mg合金的危害最大。它與Al易形成脆性的金屬間化合物，嚴重降低材料的韌性。
在Al-Si-Mg 合金的凝固過程中，可以形成多種含鐵化合物，其中以β相（即FeSiAl5,Al9Fe2Si2）對合金的機械性能的影響最為嚴重。隨著β相呈粗片狀沉淀析出，將導(dǎo)致延性、沖擊韌性和抗斷裂韌性的降低。因此，提高材料的機械性能，必須嚴格控制Fe量或削弱Fe對性能的有害影響?？刂艶e量首先要選用純度高、含鐵量低的原材料，其次對一些鐵質(zhì)坩堝和其他熔煉工具涂以防增鐵涂料，盡量避免這些因素導(dǎo)致合金增鐵。同時也可通過添加一些合適的元素來中和Fe的有害作用，最廣泛使用的中和劑有Mn，其次是Cr、稀土、Be等。Mn可使粗針狀FeSiAl5相變成一個良性分布的漢字型組織(FeMn)3Si2Al5，以減少對合金的有害影響。Mn和Fe之和超過0.8%時，會形成一種六方球體的(FeMn)7Si2Al5初生組織。Cr的中和作用是由于它使枝晶狀的β相被α相（(Cr,Fe)Si4Al3）所替代，鐵的這種化合物對材料的有害作用要弱一些。稀土加入熔體后，可與Fe形成熔點較高的化合物，隨渣排出，從而降低含F(xiàn)e量。
在一些優(yōu)質(zhì)鑄件中常常加入微量Be，它既可因減少合金的氧化而提高延伸率，又能提高鐵相的彌散度，使粗針狀β相轉(zhuǎn)化為微小的等軸晶，從而提高了強度和韌性。Be加入Al-Si-Mg合金中還可以防止Al10Mg4Si4Fe化合物的生成，有利于提高Mg的固溶量，從而提高強度。因此，加入Be具有提高強度和韌性的雙重作用。為了防止Be和Cl2發(fā)生作用，提高Be的回收率，中間合金應(yīng)在除氣后，且溫度小于700℃時加入。Be量在合金重熔后變化不大。
三、凈化
凈化的目的主要消除或減少針孔。鑄造Al-Si-Mg合金在變質(zhì)后針孔傾向很大，針孔的存在既減小了鑄件的有效面積，又提供了裂紋源，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能，尤其是韌性的顯著下降。由于氫是形成針孔的主要因素，而熔體中的Al2Si3渣又可作為針孔的形核襯底，加速針孔的形成，因而凈化主要是除氫和除渣。
凈化效果取決于所采用的凈化劑和凈化方法。凈化劑分除氣劑和除渣劑。常用的除氣劑包括惰性氣體、反應(yīng)性氣體及其混合物、C2Cl6和反應(yīng)性金屬鹵化物等。其中，C2Cl6因使用方法簡單、效果好而在我國廣泛應(yīng)用，但用惰性氣體來凈化熔體效果更好，尤以Ar的凈化效果最佳。除渣劑則有Na3AlF6、Na2SiF6和CaF2等。
凈化方法除了傳統(tǒng)的單管噴槍吹氣法和溶劑覆蓋法外，還有兩類新的有效方法:旋轉(zhuǎn)葉輪法和噴射溶劑法。旋轉(zhuǎn)葉輪法通過旋轉(zhuǎn)葉輪將吹出的惰性氣泡分割成大量小氣泡來提高凈 化效率。噴射溶劑法采用一種專用裝置向鋁液噴射混合了溶劑的氣體(N2等)，可獲得極好的除凈化方法除氫效果。目前，在原有的凈化法基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)噴射溶劑法。
對合金液進行過濾也是一種行之有效的凈化方法，一般采用玻璃纖維網(wǎng)和陶瓷過濾器進行過濾?，F(xiàn)在國外使用最多的是陶瓷過濾器，它有發(fā)泡式和擠壓管式兩種，成本稍高，安放在直澆道下，使用方便，效果良好。此外，還出現(xiàn)了沉降法和泡沫陶瓷過濾相結(jié)合的方法。
在鋁合金熔液中，二元Al-Ti合金中TiAl3的相對溶解度為0.15%，但在熔化期的保溫階段，隨著時間的推移，TiAl3的細化作用會逐漸減弱直至消失。因此，最好在澆注前30分鐘內(nèi)加入細化劑，才能獲得較佳的效果。加入B可以減弱TiAl3的這種細化衰退作用，B與Ti和Al的化合物比單一Ti有更好的細化效果。對Al-Ti-B細化劑而言，由于上述作為成核核心的化合物并不溶于鋁中，易聚集而沉淀于底部，也會發(fā)生細化衰退現(xiàn)象。實驗證明，用1%La的混合稀土加入Al-Ti-B合金中形成的Al-Ti-Re合金細化劑可延緩衰退。值得一提的是晶粒細化的"中毒"現(xiàn)象。在加Ti、B細化的鋁熔體中如果存在Zr、Cr、Mn等元素，將減弱細化效果，甚至會因"中毒"而失去細化效果。
五、變質(zhì)處理
變質(zhì)主要是針對合金中的共晶Si。未變質(zhì)時，共晶Si以粗針狀形態(tài)出現(xiàn)，這些粗大針狀物會引發(fā)合金產(chǎn)生裂紋，從而使合金的力學(xué)性能下降。采用Na、Sr或少量的Sb等變質(zhì)劑對熔體進行變質(zhì)處理，可改變共晶Si的形貌和尺寸，使共晶Si由粗針狀轉(zhuǎn)變成細纖維狀或?qū)悠瑺?。迄今已發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)元素有堿金屬中的K、Na，堿土金屬中的Ca、Sr，稀土元素Eu、La、Ce、Re (混合稀土)，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te等。其中最常用的有Na、Sr、Sb。Na和Sr變質(zhì)可以獲得均勻的纖維狀共晶Si，Sb變質(zhì)則得到層狀共晶Si。
Na加入Al-Si合金后，共晶Si以非常細小、均勻分布的纖維狀存在于 α-Al基體中。應(yīng)該說Na是非常有效的變質(zhì)劑，但缺點明顯，即容易衰退，易吸氣，氧化合金，且侵蝕坩堝、鑄型和工具等。
Sr對Al-Si共晶體的作用可與Na媲美，它抑制P的作用，并使共晶組織呈纖維狀，在砂型鑄造凝固速度低的情況下，它的效果比Na弱些。此外，Sr像Na一樣，也能促進合金吸氣，但它對合金的氧化作用較小。它的變質(zhì)作用比Na耐久，有半永久性效果。
Sb對共晶組織的影響與Na不同，它只有抑制P的作用而不改變Si的生長過程。Sb能消除熔體中硅晶體的異質(zhì)形核核心，使共晶Si以層片狀生長，在凝固速度足夠高時，就以層片狀和纖維狀之間的中間形狀生長，此時的變質(zhì)效果也好。與Na、Sr不同，Sb的變質(zhì)作用保持時間很長，無論在熔化保溫階段或重熔時都不衰減。Sb不會引起合金的吸氣，實際上還可減弱這種傾向。應(yīng)當指出，當有Na和Sr存在時，Sb與之分別形成Na3Sb2和Mg2Sb2Sr、SbSr2等化合物，這些化合物的密度比鋁大，易沉淀于坩堝底部，因而Sb與Na、Sr的作用相互抑制，應(yīng)避免混合使用。
Te的變質(zhì)作用也很明顯，微量的Te可使Al-Si合金得到良好的變質(zhì)效果。Te變質(zhì)同樣具有長效性，但與Sb相比，凝固速度對其變質(zhì)效果的影響較小，無論金屬型鑄造還是砂型鑄造，當Te達0.1%以上時，α-Al枝晶比Na變質(zhì)還細，而α-Al基體二次枝晶間距的減小可以顯著地提高合金的機械性能。試驗發(fā)現(xiàn)，Mg、Sb能增強Te的變質(zhì)效果，因而Sb、Te復(fù)合變質(zhì)可獲得Sb和Te變質(zhì)的綜合優(yōu)點，更有利于Al-Si-Mg合金機械性能的改善。
六、熱處理工藝
熱處理可以改善鋁合金的機械性能，對于鑄造Al-Si-Mg合金，熱處理強化的主要方法是淬火或淬火加人工時效。
在亞共晶Al-Si-Mg合金中，固溶處理的實質(zhì)在于將合金加熱到盡可能高的溫度，并在該溫度 下保持足夠長的時間，使強化相Mg2Si充分溶入α-Al固溶體，隨后快速冷卻，使高溫時的固溶體呈過飽和狀態(tài)保留到室溫。溫度愈高，愈接近固相線溫度，則固溶處理的效果愈好。但為了防止局部過燒，加熱溫度通常低于固相線10～15℃。固溶處理也改變共晶Si的形態(tài)，隨著固溶保持時間的延長，Si相有一個緩慢球化和不斷粗化的過程，這種過程隨固溶溫度的提高而增強。因此固溶保溫時間雖然長一些好，但不宜超過15小時。當然，固溶溫度對Si相形態(tài)的影響要比保溫時間的影響大得多：在ZL114A中，550℃保溫50分鐘后的Si相形態(tài)等同于540℃保溫400分鐘后的形態(tài)。一般來講，固溶溫度每降低10℃相當于固溶保溫時間減少了4～8小時。
淬火時的水溫對機械性能的影響也很明顯，水溫增高會使延伸率降低。在水溫低于65℃時，鑄件的冷卻速率為40～90℃/s，而在95℃時，其冷速可降至4℃/s，這是因為水溫升高后，水局部氣化的可能性增大，一旦氣囊形成，冷速就明顯降低，這會使機械性能降低。因而在鑄件結(jié)構(gòu)允許的情況下，淬火水溫應(yīng)盡可能低，最好低于15℃?？刂拼慊鸬霓D(zhuǎn)移時間對Mg2Si相的分布很重要。
鑄造Al-Si-Mg合金，因其具有良好的機械性能和工藝性能，應(yīng)用廣泛，世界各工業(yè)發(fā)達國家的標準中都有這類合金。本文綜述了雜質(zhì)元素、凈化、晶粒細化、變質(zhì)處理和熱處理等工藝因素對鑄造Al-Si-Mg合金機械性能的影響，探討了提高這類合金機械性能的一些途徑。
二、雜質(zhì)元素
在雜質(zhì)元素中，F(xiàn)e對鑄造Al-Si-Mg合金的危害最大。它與Al易形成脆性的金屬間化合物，嚴重降低材料的韌性。
在Al-Si-Mg 合金的凝固過程中，可以形成多種含鐵化合物，其中以β相（即FeSiAl5,Al9Fe2Si2）對合金的機械性能的影響最為嚴重。隨著β相呈粗片狀沉淀析出，將導(dǎo)致延性、沖擊韌性和抗斷裂韌性的降低。因此，提高材料的機械性能，必須嚴格控制Fe量或削弱Fe對性能的有害影響?？刂艶e量首先要選用純度高、含鐵量低的原材料，其次對一些鐵質(zhì)坩堝和其他熔煉工具涂以防增鐵涂料，盡量避免這些因素導(dǎo)致合金增鐵。同時也可通過添加一些合適的元素來中和Fe的有害作用，最廣泛使用的中和劑有Mn，其次是Cr、稀土、Be等。Mn可使粗針狀FeSiAl5相變成一個良性分布的漢字型組織(FeMn)3Si2Al5，以減少對合金的有害影響。Mn和Fe之和超過0.8%時，會形成一種六方球體的(FeMn)7Si2Al5初生組織。Cr的中和作用是由于它使枝晶狀的β相被α相（(Cr,Fe)Si4Al3）所替代，鐵的這種化合物對材料的有害作用要弱一些。稀土加入熔體后，可與Fe形成熔點較高的化合物，隨渣排出，從而降低含F(xiàn)e量。
在一些優(yōu)質(zhì)鑄件中常常加入微量Be，它既可因減少合金的氧化而提高延伸率，又能提高鐵相的彌散度，使粗針狀β相轉(zhuǎn)化為微小的等軸晶，從而提高了強度和韌性。Be加入Al-Si-Mg合金中還可以防止Al10Mg4Si4Fe化合物的生成，有利于提高Mg的固溶量，從而提高強度。因此，加入Be具有提高強度和韌性的雙重作用。為了防止Be和Cl2發(fā)生作用，提高Be的回收率，中間合金應(yīng)在除氣后，且溫度小于700℃時加入。Be量在合金重熔后變化不大。
三、凈化
凈化的目的主要消除或減少針孔。鑄造Al-Si-Mg合金在變質(zhì)后針孔傾向很大，針孔的存在既減小了鑄件的有效面積，又提供了裂紋源，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能，尤其是韌性的顯著下降。由于氫是形成針孔的主要因素，而熔體中的Al2Si3渣又可作為針孔的形核襯底，加速針孔的形成，因而凈化主要是除氫和除渣。
凈化效果取決于所采用的凈化劑和凈化方法。凈化劑分除氣劑和除渣劑。常用的除氣劑包括惰性氣體、反應(yīng)性氣體及其混合物、C2Cl6和反應(yīng)性金屬鹵化物等。其中，C2Cl6因使用方法簡單、效果好而在我國廣泛應(yīng)用，但用惰性氣體來凈化熔體效果更好，尤以Ar的凈化效果最佳。除渣劑則有Na3AlF6、Na2SiF6和CaF2等。
凈化方法除了傳統(tǒng)的單管噴槍吹氣法和溶劑覆蓋法外，還有兩類新的有效方法:旋轉(zhuǎn)葉輪法和噴射溶劑法。旋轉(zhuǎn)葉輪法通過旋轉(zhuǎn)葉輪將吹出的惰性氣泡分割成大量小氣泡來提高凈 化效率。噴射溶劑法采用一種專用裝置向鋁液噴射混合了溶劑的氣體(N2等)，可獲得極好的除凈化方法除氫效果。目前，在原有的凈化法基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)噴射溶劑法。
對合金液進行過濾也是一種行之有效的凈化方法，一般采用玻璃纖維網(wǎng)和陶瓷過濾器進行過濾?，F(xiàn)在國外使用最多的是陶瓷過濾器，它有發(fā)泡式和擠壓管式兩種，成本稍高，安放在直澆道下，使用方便，效果良好。此外，還出現(xiàn)了沉降法和泡沫陶瓷過濾相結(jié)合的方法。
四、晶粒細化
四、晶粒細化
在鋁合金鑄造中，常加入少量的晶粒細化劑來控制熔體中的晶粒結(jié)構(gòu)，這類細化劑形成初生的α-Al結(jié)晶核心，并促進鑄件中形成大量有規(guī)則的等軸晶粒，所以晶粒細化主要是針對初生α-Al而言。目前最常用的方法是在合金中加入Al-Ti和Al-Ti-B中間合金。
在鋁合金熔液中，二元Al-Ti合金中TiAl3的相對溶解度為0.15%，但在熔化期的保溫階段，隨著時間的推移，TiAl3的細化作用會逐漸減弱直至消失。因此，最好在澆注前30分鐘內(nèi)加入細化劑，才能獲得較佳的效果。加入B可以減弱TiAl3的這種細化衰退作用，B與Ti和Al的化合物比單一Ti有更好的細化效果。對Al-Ti-B細化劑而言，由于上述作為成核核心的化合物并不溶于鋁中，易聚集而沉淀于底部，也會發(fā)生細化衰退現(xiàn)象。實驗證明，用1%La的混合稀土加入Al-Ti-B合金中形成的Al-Ti-Re合金細化劑可延緩衰退。值得一提的是晶粒細化的"中毒"現(xiàn)象。在加Ti、B細化的鋁熔體中如果存在Zr、Cr、Mn等元素，將減弱細化效果，甚至會因"中毒"而失去細化效果。
五、變質(zhì)處理
變質(zhì)主要是針對合金中的共晶Si。未變質(zhì)時，共晶Si以粗針狀形態(tài)出現(xiàn)，這些粗大針狀物會引發(fā)合金產(chǎn)生裂紋，從而使合金的力學(xué)性能下降。采用Na、Sr或少量的Sb等變質(zhì)劑對熔體進行變質(zhì)處理，可改變共晶Si的形貌和尺寸，使共晶Si由粗針狀轉(zhuǎn)變成細纖維狀或?qū)悠瑺?。迄今已發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)元素有堿金屬中的K、Na，堿土金屬中的Ca、Sr，稀土元素Eu、La、Ce、Re (混合稀土)，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te等。其中最常用的有Na、Sr、Sb。Na和Sr變質(zhì)可以獲得均勻的纖維狀共晶Si，Sb變質(zhì)則得到層狀共晶Si。
Na加入Al-Si合金后，共晶Si以非常細小、均勻分布的纖維狀存在于 α-Al基體中。應(yīng)該說Na是非常有效的變質(zhì)劑，但缺點明顯，即容易衰退，易吸氣，氧化合金，且侵蝕坩堝、鑄型和工具等。
Sr對Al-Si共晶體的作用可與Na媲美，它抑制P的作用，并使共晶組織呈纖維狀，在砂型鑄造凝固速度低的情況下，它的效果比Na弱些。此外，Sr像Na一樣，也能促進合金吸氣，但它對合金的氧化作用較小。它的變質(zhì)作用比Na耐久，有半永久性效果。
Sb對共晶組織的影響與Na不同，它只有抑制P的作用而不改變Si的生長過程。Sb能消除熔體中硅晶體的異質(zhì)形核核心，使共晶Si以層片狀生長，在凝固速度足夠高時，就以層片狀和纖維狀之間的中間形狀生長，此時的變質(zhì)效果也好。與Na、Sr不同，Sb的變質(zhì)作用保持時間很長，無論在熔化保溫階段或重熔時都不衰減。Sb不會引起合金的吸氣，實際上還可減弱這種傾向。應(yīng)當指出，當有Na和Sr存在時，Sb與之分別形成Na3Sb2和Mg2Sb2Sr、SbSr2等化合物，這些化合物的密度比鋁大，易沉淀于坩堝底部，因而Sb與Na、Sr的作用相互抑制，應(yīng)避免混合使用。
Te的變質(zhì)作用也很明顯，微量的Te可使Al-Si合金得到良好的變質(zhì)效果。Te變質(zhì)同樣具有長效性，但與Sb相比，凝固速度對其變質(zhì)效果的影響較小，無論金屬型鑄造還是砂型鑄造，當Te達0.1%以上時，α-Al枝晶比Na變質(zhì)還細，而α-Al基體二次枝晶間距的減小可以顯著地提高合金的機械性能。試驗發(fā)現(xiàn)，Mg、Sb能增強Te的變質(zhì)效果，因而Sb、Te復(fù)合變質(zhì)可獲得Sb和Te變質(zhì)的綜合優(yōu)點，更有利于Al-Si-Mg合金機械性能的改善。
六、熱處理工藝
熱處理可以改善鋁合金的機械性能，對于鑄造Al-Si-Mg合金，熱處理強化的主要方法是淬火或淬火加人工時效。
在亞共晶Al-Si-Mg合金中，固溶處理的實質(zhì)在于將合金加熱到盡可能高的溫度，并在該溫度 下保持足夠長的時間，使強化相Mg2Si充分溶入α-Al固溶體，隨后快速冷卻，使高溫時的固溶體呈過飽和狀態(tài)保留到室溫。溫度愈高，愈接近固相線溫度，則固溶處理的效果愈好。但為了防止局部過燒，加熱溫度通常低于固相線10～15℃。固溶處理也改變共晶Si的形態(tài)，隨著固溶保持時間的延長，Si相有一個緩慢球化和不斷粗化的過程，這種過程隨固溶溫度的提高而增強。因此固溶保溫時間雖然長一些好，但不宜超過15小時。當然，固溶溫度對Si相形態(tài)的影響要比保溫時間的影響大得多：在ZL114A中，550℃保溫50分鐘后的Si相形態(tài)等同于540℃保溫400分鐘后的形態(tài)。一般來講，固溶溫度每降低10℃相當于固溶保溫時間減少了4～8小時。
淬火時的水溫對機械性能的影響也很明顯，水溫增高會使延伸率降低。在水溫低于65℃時，鑄件的冷卻速率為40～90℃/s，而在95℃時，其冷速可降至4℃/s，這是因為水溫升高后，水局部氣化的可能性增大，一旦氣囊形成，冷速就明顯降低，這會使機械性能降低。因而在鑄件結(jié)構(gòu)允許的情況下，淬火水溫應(yīng)盡可能低，最好低于15℃?？刂拼慊鸬霓D(zhuǎn)移時間對Mg2Si相的分布很重要。
在淬火后與人工時效之前的自然時效過程稱為預(yù)時效，σb和δ均隨預(yù)時效時間的增加而提高，這在砂型和金屬型試驗中均發(fā)現(xiàn)有此規(guī)律。研究還發(fā)現(xiàn)預(yù)時效對機械性能的有利影響隨Mg量增加而提高。
七、結(jié)語
綜上所述，提高鑄造Al-Si-Mg合金機械性能的主要途徑有：
1. 提高合金的純度，限制雜質(zhì)特別是Fe的含量,或加入Be、Mn等元素消除Fe的有害作用。
2. 在熔體中加入Al-5Ti-1B、Al-3Ti-3B等中間合金進行晶粒細化處理。
3. 采用先進的凈化方法對熔體進行除氫、除渣或過濾處理，以消除或減少針孔。
4. 選用Sr、Sb或Sb+Te等長效變質(zhì)劑對合金進行變質(zhì)處理。
5. 根據(jù)不同的含Mg量制訂相應(yīng)的熱處理工藝并嚴格控制熱處理工藝參數(shù)。
作者簡介：瞿學(xué)良(1961-)，男，江蘇宜興人，江蘇廣播電視大學(xué)機械電子工程系講師。
工藝因素對鑄造Al-Si-Mg合金機械性能的影響
瞿學(xué)良
（江蘇廣播電視大學(xué)，江蘇*!南京*!210013）
摘要:雜質(zhì)元素、凈化、晶粒細化、變質(zhì)處理和熱處理等工藝因素對鑄造Al-Si-Mg合金機械性能會產(chǎn)生一定的影響，提高這類合金機械性能的途徑有控制雜質(zhì)元素、對合金液進行有效的凈化、采用合理的合金化和熱處理。
關(guān)鍵詞：Al-Si-Mg合金； 鑄造工藝； 機械性能
作者簡介：瞿學(xué)良(1961-)，男，江蘇宜興人，江蘇廣播電視大學(xué)機械電子工程系講師。
工藝因素對鑄造Al-Si-Mg合金機械性能的影響
瞿學(xué)良
（江蘇廣播電視大學(xué)，江蘇*!南京*!210013）
摘要:雜質(zhì)元素、凈化、晶粒細化、變質(zhì)處理和熱處理等工藝因素對鑄造Al-Si-Mg合金機械性能會產(chǎn)生一定的影響，提高這類合金機械性能的途徑有控制雜質(zhì)元素、對合金液進行有效的凈化、采用合理的合金化和熱處理。
關(guān)鍵詞：Al-Si-Mg合金； 鑄造工藝； 機械性能
