鋁合金的變質(zhì)處理

1、鋁合金的變質(zhì)處理材料與能源學(xué)院金屬材料工程2011級(jí)2班范宇鑫【摘要】變質(zhì)處理指的是向金屬液內(nèi)添加少量物質(zhì)，促進(jìn)金屬液生核或改變晶體生長(zhǎng)過(guò)程的方法。而鋁合金制造過(guò)程中變質(zhì)處理是必不可少的工藝，加入不同的變質(zhì)劑對(duì)合金的工藝性能有著不同的影響。關(guān)鍵詞：鋁合金變質(zhì)處理鋁合金的制備主要有鑄造和壓力變形兩種。鋁合金制造過(guò)程中的缺陷有氧化夾渣、氣孔氣泡、縮松疏松、裂紋等。這些缺陷嚴(yán)重影響鋁合金的性能，容易造成斷裂和磨損。為了防止這些缺陷的產(chǎn)生，提高鋁合金的工藝性能，加入變質(zhì)劑就是一種有效的措施。變質(zhì)處理的目的主要是細(xì)化晶粒、改善脆性相、改善晶粒形態(tài)和分布狀況。變質(zhì)處理的機(jī)理眾說(shuō)紛紜，主要分為兩種：一是不溶

2、性質(zhì)點(diǎn)存在于金屬液中的非均質(zhì)晶核作用；二是以溶質(zhì)的偏析及吸附作用。在變質(zhì)劑完全溶解于金屬液且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化合物的情況下，變質(zhì)劑就像溶質(zhì)一樣，在凝固過(guò)程中，由于偏析使固/液界面前沿液體的平衡液相線溫度降低，界面處成分過(guò)冷度減少，致使界面上晶體的生長(zhǎng)受到抑制，枝晶根部出現(xiàn)縮頸而易于分離。同時(shí)，由于變質(zhì)劑易偏析和吸附，故阻礙晶體生長(zhǎng)的作用也加強(qiáng)。因此，往往只需加入少量變質(zhì)劑，就能顯著細(xì)化晶粒。其中，不同的變質(zhì)劑所發(fā)揮的作用有所不同，常見(jiàn)以下幾種變質(zhì)劑：(1) 鈉鹽變質(zhì)劑：Na元素可使共晶硅的結(jié)晶由短圓針狀變?yōu)榧?xì)粒狀，并降低共晶溫度，增加過(guò)冷度，細(xì)化晶粒。其細(xì)化效果，對(duì)冷的慢的砂型、石膏型鑄件而

3、言比較好，還有分散鑄件(鑄錠)縮窩的作用，這對(duì)要求氣密性好的鑄件有重要的作用。鈉鹽變質(zhì)法的成本低，制備也比較簡(jiǎn)單，適合批量小、要求不很高的產(chǎn)品，但其缺點(diǎn)是，由于鈉是化學(xué)活潑性元素，在變質(zhì)處理中氧化、燒損激烈、冒白色煙霧，對(duì)人體和環(huán)境都有危害，操作也不太安全，特別是易使塔蝸腐蝕損壞，它的充分變質(zhì)有效時(shí)間短，一般不超過(guò)1h。鈉還使Al-Mg系合金的粘性增加，惡化鑄造性能，當(dāng)鈉量多時(shí)，還會(huì)使合金的晶粒催化，所以Al-Mg系合金和含Mg量高于2%勺Al-Si合金，一般都不用鈉鹽變質(zhì)劑來(lái)進(jìn)行變質(zhì)處理，以免出現(xiàn)所謂“鈉脆”現(xiàn)象。(2) 鋁錮中間合金變質(zhì)劑：這是國(guó)外使用的較多的一種高效變質(zhì)方法。加入量為爐料

4、總重量的0.04-0.05%的Sr。其優(yōu)點(diǎn)是變質(zhì)效果比鈉鹽好，氧化燒損也比鈉鹽小，有效變質(zhì)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)增期的腐蝕性也比鈉鹽小，因而可使增竭的使用壽命延長(zhǎng)。這種變質(zhì)法操作也比使用鈉鹽安全衛(wèi)生，不產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害的氣體，變質(zhì)效果也比鈉鹽好，一般有80-90%的良好變質(zhì)合格率。其缺點(diǎn)是，成本比鈉鹽高，要預(yù)先配制成中間合金，沒(méi)有鈉鹽那樣的有分散鑄件縮窩的作用。(3) 鋁睇中間合金變質(zhì)劑：這種方法也是用的較多的一種長(zhǎng)效變質(zhì)方法。加入量為爐料總重量的0.2-0.3%的Sb,可獲得長(zhǎng)效變質(zhì)效果，即使到鋁合金重熔，此變質(zhì)效果仍起作用。其變質(zhì)效果與合金的冷卻速度有關(guān)，冷卻速度快(如在金屬型中鑄造)，變質(zhì)效

5、果好；冷卻速度慢(如在石膏型、砂型中鑄造)，則變質(zhì)效果差。但應(yīng)注意，已經(jīng)過(guò)鈉鹽或鋸鹽或鋁銀中間合金變質(zhì)過(guò)的鋁合金不能再加Sb來(lái)變質(zhì)，因?yàn)檫@樣會(huì)形成Na3Sb化合物而使合金的晶粒粗大、性能變壞，從而反使鈉、銅的變質(zhì)效果降低。(4) 鋁鈦中間合金變質(zhì)劑：其中含有4%左右的鈦，鈦是細(xì)化晶粒效果很好的元素，形成的TiAl3成為初晶“枝晶的異質(zhì)結(jié)晶核種，能有效地細(xì)化晶粒和防止鑄造裂紋，對(duì)易產(chǎn)生鑄造裂紋的Al-Cu-Mg合金(如ZL207)很合適。由于鈦量太多，又是通過(guò)與爐料一起熔化、擴(kuò)散、融合來(lái)細(xì)化晶粒的，故其細(xì)化效果雖沒(méi)有鈦硼熔劑好，但仍可達(dá)到一級(jí)晶粒的效果。其次是TiAl3的密度比鋁合金液大，如合金

6、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就有可能沉降，凝聚成夾雜物，要嚴(yán)格注意。(5) SR813磷復(fù)合細(xì)化劑和SR814磷鹽復(fù)合細(xì)化劑：這是近年開(kāi)發(fā)的一種適合過(guò)共晶型鋁硅合金的初晶Si的細(xì)化劑。因?yàn)镻在鋁合金液中形成AlP的微細(xì)結(jié)晶核種，細(xì)化晶粒的效果很好，有效持續(xù)孕育時(shí)間也長(zhǎng)，但它會(huì)與Na、Sr、Sb形成化合物，降低它們對(duì)共晶硅結(jié)晶的細(xì)化效果，所以，已經(jīng)使用NaSr、Sb作過(guò)變質(zhì)處理的鋁合金，不要再加P來(lái)作變質(zhì)處理。(6) 鋁銀中間合金變質(zhì)劑：這是利用1-4%Ba-Al中間合金或銀鹽來(lái)對(duì)鋁合金液進(jìn)行變質(zhì)處理的方法。其優(yōu)點(diǎn)是變質(zhì)過(guò)程中無(wú)吸氣傾向，合金經(jīng)變質(zhì)處理強(qiáng)度高，不腐蝕增蝸，也不污染環(huán)境。缺點(diǎn)是變質(zhì)效果不如鈉，變

7、質(zhì)效果受冷卻速度的影響大，變質(zhì)后合金的延伸率提高不多。除了以上幾種常用的變質(zhì)劑，關(guān)于細(xì)化晶粒的變質(zhì)劑的研究正在不斷進(jìn)行中。鋁鈦硼絲細(xì)化法是一種最先進(jìn)的細(xì)化晶粒的現(xiàn)代科技方法。其優(yōu)點(diǎn)是：細(xì)化效果好，細(xì)化劑實(shí)際利用率高，使用量大大節(jié)省；由于細(xì)化劑均勻地進(jìn)入所有待細(xì)化的鋁合金液，故細(xì)化后的組織均勻，無(wú)粗細(xì)晶粒交錯(cuò)的混晶區(qū)，從而大大提高了合金的強(qiáng)度和延伸率，減少了裂紋等廢品；避免了上述TiAl3和TiB2的沉降，凝集所引起的夾雜和熔爐的結(jié)瘤，減少了清爐和洗爐的工作量；很適合長(zhǎng)時(shí)間大批量的連續(xù)鑄造；實(shí)現(xiàn)了細(xì)化處理自動(dòng)化無(wú)人化，省人省事；使細(xì)化處理和合金液凝固時(shí)間大為縮短，提高了生產(chǎn)效率；因無(wú)TiAl3和

8、TiB2等夾雜物的沉降、凝集，使產(chǎn)品在陽(yáng)極氧化處理后的表面質(zhì)量好，特別是箔材、印刷板、激光全息膜、飲料罐和食品罐等薄或超薄鋁材的最理想的細(xì)化劑。很適用作變形鋁合金的晶粒細(xì)化處理。稀土變質(zhì)法利用Al-RE中間合金的稀土變質(zhì)法，是在鋁合金液溫度為720-760C時(shí)，加入占爐料總重量的0.2-1.0%的Al-RE中間合金。其優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)a(Al)及共晶組織均有明顯的細(xì)化效果，還兼有較好的精煉凈化作用，可顯著提高合金的機(jī)械性能，變質(zhì)有效時(shí)間也長(zhǎng)。缺點(diǎn)是當(dāng)操作不當(dāng)時(shí)，會(huì)使稀土氧化，燒損也較大，還可能產(chǎn)生高熔點(diǎn)的偏聚物沉降。結(jié)語(yǔ)要想制備優(yōu)質(zhì)的鋁合金，變質(zhì)處理就必不可少。當(dāng)今使用的變質(zhì)劑已經(jīng)品種繁多，生產(chǎn)者可以根據(jù)成品的性能需求來(lái)選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的變質(zhì)劑。然而，人類(lèi)