[科普中国]-铝硅合金

简介

Al-Si合金是很重要的一种工业合金，广泛地应用于航空、交通、建筑、汽车等重要行业，也用于制造低中强度的形状复杂的铸件，如盖板、电机壳、托架等，也用作钎焊焊料。该合金是一种典型的共晶型合金，相图简单，没有中间化合物产生。它具有铸造性能好，比强度高，价格不高等优点。铝是第三主族元素，而硅是半导体元素，两者相互间的固溶度很小。2

性能及用途硅含量较低时（比如0.7），铝硅合金的延展性较好，常用来做变形合金；硅含量较高时（比如7%），铝硅合金熔体的填充性较好，常用来做铸造合金。在含硅量超过Al-Si共晶点（硅含量为12.6%）的铝硅合金中，硅的颗粒含量高达14.5%～25%时，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其综合力学性能。它们可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。用作汽缸的铝硅合金，可经过电化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点，其抗擦伤能力和抗磨损性以明显改善。其中含硅量11%～13%的合金以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。

电热法生产电热法生产铝硅合金的冶金温度大约在2000℃左右；在冶金过程中，氧化铝和氧化硅呈液态，一般用炭质还原剂进行还原；矿热炉一般能达到的最高温度大约在1350~2200℃左右。

铝硅合金的成分、组织、性能铝硅二元合金具有简单的共晶型相图，如图，室温下只有α（Al）和p（Si）两种相，α（Al）的性能和纯铝相似，β（Si）的性能和纯硅相似。共晶合金的Si含量为12.6%，亚共晶合金的组织由α（Al）+共晶体（α+p）所组成，过共晶合金的组织由β（Si）+共晶体（α+β）所组成。由于结晶硅带入微量磷，即使10ppm的磷生成AlP就足以使Si含量为9%的亚共晶合金中出现初晶硅，并使共晶硅形成粗大的板片状。

随硅量的增加，结晶温度区间变小，共晶体增加，流动性随之提高。硅的收缩率很小，合金的线收缩率也随之降低，热裂倾向相应减少；硅的结晶潜热大，直至Si含量为20%处，流动性仍比共晶成分的合金高。含Si量为16%～18%时有流动性的峰值。

共晶型AI-Si二元合金虽有优良的铸造性能，但由于力学性能不高，故只能用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法；对于砂型铸造，石膏型铸造等冷却速度慢的铸造方法，必须进行变质处理，细化共晶硅，以获得足够的力学性能。

细化共晶硅的变质处理不能同时细化初晶硅，对于有大量初晶硅的过共晶合金，必须采用加磷细化初晶硅，提高力学性能。

含硅量对Al-Si二元合金耐磨、耐蚀、线膨胀系数，密度、电导率等有影响。随硅量的增加，磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度、电导率均直线下降。

铝的塑性大，切削时需消耗很大的功，随硅量增加，共晶体增多，切削功可减小，但共晶硅硬度高，易磨损刀具，尤其是有粗大初晶硅的过共晶合金，刀具磨损更严重，被加工的表面很毛糙。为改善切削加工性能，除进行相应的变质处理，细化共晶硅、初晶硅外，可加入铋、铅等易切削元素；对过共晶合金可采用镶嵌钻石刀具，选择最佳切削速度和合适的切削液等，也能获得光洁的加工表面。

综上所述，为了兼顾合金的各种服役性能和工艺性能，铝硅类合金的含硅量一般为7%～12%。

Al-Si二元合金的代表是ZL102合金，成分为Si含量10%～13%，剩下的为铝，金相组织为α（Al）+共晶体（α+β）及少量初晶硅。ZL102合金具有如下特点。

1）热处理强化效果小，力学性能不高

577℃时硅在α（Al）固溶体中的溶解度为1.65%，室温下降至0.05%。但热处理强化效果不大，固溶处理后人工时效只能使合金强度提高10%～20%，因为硅的沉淀和集聚速度很快，甚至固溶处理时都可能发生固溶体分解，析出硅质点，不形成共格或半共格的过渡相，因此一般只进行退火消除内应力。ZL102的力学性能不高。

2）铸造性能优良

近共晶的Al-Si二元合金的结晶温度区间小，硅的结晶潜热大，故流动性能为铸铝合金中之冠，集中缩孔倾向大，应设置合理的冒口，能获得致密的铸件，直至破坏前不会引起渗漏，硅降低氢在铝液凝固后的溶解度，如精炼不当，容易产生针孔。

3）耐磨性，抗蚀性，耐热性好

Al-Si二元合金具有软相α（Al）和硬相硅，是典型的耐磨组织，耐磨性好；α（Al）和共晶硅的电子电位相差不大，表面一层Al2O3，组织致密，对基体具有保护作用，因此耐蚀性好；ZL102合金的共晶温度为577℃，高于其余铸铝合金，温度升高时没有强化相溶解或聚集现象，因此耐热性最好。

4）必须进行变质处理，提高力学性能

变质前的力学性能低，切削加工性能差，必须进行变质处理，使板片状的共晶硅转变为纤维状，并消除初晶硅，大幅度提高力学性能。

综上所述，ZL102合金适用于压铸件或要求耐蚀、耐磨；承受中小载荷的薄壁、复杂铸件如各种仪表的框架、亮体、基座等。3

铝硅合金的变质处理变质处理的意义铸造铝硅合金因具有密度低、强度高、耐磨耐热性好、热膨胀系数小等优点，是铸造铝合金中应用范围最广、产量最大的一类合金。铝硅二元相图为典型的共晶型相图，共晶点硅的质量分数为11.7%，共晶温度为577℃。硅在铝中最大固溶度为1.65%，室温时固溶度约为0.05%，共晶反应为：，根据硅含量的高低，将铝硅合金分为亚共晶型、共晶型和过共晶型合金。在常规铸造铝硅合金的组织中，存在针状的共晶硅和粗大的形状复杂的初晶硅，恶化了合金的性能。在工业上采用变质处理来改变硅相的形貌，使其以有利的形状、较小的尺寸均匀分布在基体中，对于提高铸造铝硅合金的性能具有很好的效果。4

变质的方法及效果能对铝硅合金中共晶硅起到变质作用的元素有多种，如Na、Sr、Ba、Bi、Sb和稀土元素Ce等。其中变质作用最为显著、在生产上应用最广泛的是Na，近年来Sr变质也逐渐在生产上得到应用。

当用含有氟化钠成分的复合盐类变质剂（例如成分为ωN▪F=45%，ωN▪Cl=40%，ωKCl=15%）对铝液进行处理，或往铝液中加入AI-Sr合金，以使铝液中含有残留Na为ωNa0.001~0.003%或残留Sr为ωSr=0.01～0.03%时， 能得到良好的变质效果，使合 金组织中的共晶硅变成纤维状从而显著提高合金的强度和塑性。

变质处理除了改变硅晶体结构外，还使合金的共晶程度有所改变。用Na进行变质处理，会使共晶点右移，即使共晶含硅量增高，因此当处理前合金为共晶成分时，经过处理后即变为亚共晶成分。

变质处理在铸造铝合金生产上应用非常普遍，实际上对ωSi=5~11%的铝硅合金都实行晶成分范围内，随合金含硅量的提高，变质的效果越显著，前且变质处理在提高合金塑性方面的效果比在提高强度方面更为显著。

变质处理的效果还与合金的结晶过冷度（铸件的冷却速度）有关，铸件壁愈厚，即冷却愈缓慢时，变质处理的效果愈小。这称为变质处理的壁厚敏感性。同理，变质处理在金属型铸造条件下的效果比砂型铸造更显著。不同变质元素的壁厚敏感性大小不同。用Na或Sr进行变质时，壁厚敏感性较小，而用Sb或Bi进行变质时，壁厚敏感性较大，即只有在较薄壁铸件或在金属型铸造条件下，才有显著的变质效果。

铝硅合金的变质处理也有衰退的现象，即变质的效果随着处理后时间的延长而逐渐消失。这一点与铸铁中孕育衰退的现象是相似的。变质效果的衰退是由于合金中变质元素的残留量随时间的延长而逐渐降低引起的。在铝液的温度下，合金中所含的Na或Sr或被氧化，或与型砂中的水分起作用而消失，而消失的速度则在一定程度上与变质元素的化学活泼性有关。此外，变质元素的熔点及相对密度也对消失速度有影响。从变质作用有效时间来看，Na的变质有效时间最短，只有30~60min，Sr为6~7h，Ba在5h以上，Sb的有效时间长达100h以上，而Te则几乎能无限长地保持其变质作用，而且即使合金经过重熔，也不发生变质衰退的现象。

虽然钠的变质有效时间短，会给生产带来不便，但它的变质效果最强，因此在生产上仍被普遍采用。Sr有较强的变质作用，同时又有足够长的变质；有效时间，但Sr价贵，且Sr变质会使合金增加吸气，故目前还不能取代Na。5