魏长传

(中国铝业西北铝加工分公司，甘肃 陇西748111)

运输行业中，为了减轻自重、减少能耗而采用铝合金代替钢铁，已越来越为人们所公认。随着我国铁路运输业的发展，铝硅系合金在内燃机车活塞中得到广泛应用。活塞是发动机、空压机、液压马达中传递能量和介质的重要部件。对活塞的要求应满足下列条件：密度和热膨胀系数小，尺寸稳定，抗咬合性和耐磨性能好，并具有满足使用要求的力学性能等。目前4032变形铝合金是制造内燃机车活塞裙锻件的理想材料。4032合金中Si含量较高，其组织处于初晶硅和共晶硅之间，通过选用不同类型的变质剂，查找变质剂与初晶硅、共晶硅之间的关系，从而得到4032合金铸锭无初晶硅，共晶硅细小均匀的组织，满足用户需求，组织、性能和国外先进水平相当。

1 4032合金的技术要求

1.1 4032合金化学成分见表1所示

表1 4032铝合金化学成分

1.2 组织要求

YS/T493-2005《活塞用4A11、4032合金挤压棒材》标准要求：成品棒材的低倍试片上不允许有偏析聚集、非金属夹渣、粗晶、裂纹、缩尾等缺陷，晶粒度不大于2级。棒材的显微组织允许有少量初晶硅存在，但分布应均匀，不得成簇分布，初晶硅最大尺寸不大于0.08mm。

2 试验方法

2.1 熔铸方法

试验中采用电阻炉进行加热，按照合金成分，添加纯铝锭、铝硅中间合金、铝铁中间合金、纯镁等元素进行熔化。通过精炼、扒渣、变质处理后，采用半连续铸造方式铸造成直径500mm的铸锭。

2.2 均匀化处理

对铸锭进行均匀化处理，消除晶内偏析，同时降低铸锭因急剧冷却造成的内应力，防止机械加工过程中造成开裂。对均匀化处理后的铸锭，按照工艺要求切成1000mm定尺，对表面进行车皮处理。

2.3 铸锭低倍检查

经均匀化处理的铸锭，在铸锭的两端切取30mm厚度的低倍试样，经车削加工后，在酸液、碱液中进行表面处理，对处理后的铸锭试片进行低倍检查，检测其夹渣、疏松、化合物等缺陷，并判断是否符合铸锭低倍组织要求。

3 试验结果与分析

3.1 变质剂的选用

4032合金属于Al—Si系铝合金，含Si量为11.0～12.5%，其晶体组织属于共晶硅和初晶硅共存的状态，在铸态下未经变质处理时，合金中共晶硅和初晶硅呈粗大的片状或针状，粗大的共晶硅相和初晶硅相硬而脆，容易在变形过程中产生微裂纹，明显降低了合金的力学性能，尤其是塑性指标下降较多。图1所示为Al-20%Si铸锭未经过变质处理的金相组织。当Al—Si系合金中的硅含量超过8%时，必须进行变质处理，以改变硅相形态，减小共晶硅和初晶硅的尺寸，从而提高合金性能。

图1 Al-20%Si 铸锭未经变质处理 80×

近几十年国内对Al—Si系铝合金的研究较少，特别是半连续铸造方式生产的铸锭，没有成功的变质经验。由于硅含量的不同，试验的方法及工艺条件的不同，选用的变质剂取得的效果也不同，目前选用的变质剂主要有钠盐、磷盐、Sr变质剂、P-Cu、稀土等变质剂。钠盐变质剂在生产中多采用含 NaF的三元或四元盐类混合物，根据不同的含量，分为1#钠盐、2#钠盐、4#钠盐、5#钠盐。本次试验选用1#钠盐、2#钠盐、4#钠盐、5#钠盐及磷盐、Sr变质剂进行对比试验，通过最终产品的试验结果，从中选出效果较好的变质剂。

3.2 不同变质剂对4032合金φ500mm铸锭变质处理的结果

采用不同的变质剂进行变质处理，通过切取试片进行检测，其试验结果如表2所示。

表2中的数据反映出不同的变质剂对4032合金有不同的变质处理效果。从试验结果来看，使用磷盐变质剂的变质效果最差，初晶硅和共晶硅的尺寸偏大，Sr变质剂的变质效果次之，最好的是钠盐变质剂，主要是不同变质剂其变质机理不同，铸造的方式不同，产生的结果也不同。磷盐变质机理一般认为是异质核心作用。P与Al生成AlP，AlP的熔点在1000℃以上，其晶格常数为5.45A，Si的晶格常数为5.42，两者晶格常数相近，且都是金刚石型晶格常数，所以AlP可以起到异质晶核作用，由于晶核数目增加而使初晶硅细化。钠盐变质的原理普遍认为是加入钠盐可降低Al-Si合金的共晶温度,在过冷的条件下,使形核率升高,共晶组织变细。铸锭在过冷的条件下结晶，有利于钠盐变质，其晶粒相对细一些。另外，从铸锭的低倍组织来看，采用锶变质方式，其铸锭的低倍组织较差，气孔、疏松较多，主要是锶在熔体中具有助长熔体吸气的作用，合金易产生疏松，使致密性下降。

表2 不同变质剂对 4032合金变质处理的结果

对4种钠盐的变质效果进行比较，从表2的数据可以看出，采用4#钠盐变质得到的铸锭边部组织和中心部位组织均无初晶硅相，而共晶硅相呈粒状分布，α枝晶间距小。从图2、图3可以看出，铸锭的边部枝晶网比铸锭的1/2半径部位的枝晶网要细，主要是铸锭的边部由于冷却速度快，枝晶在铝液中的生长速度受到限制，枝晶网较细；在1/2半径处，由于冷却速度比边部要慢，铝液凝固的时间长，使枝晶获得较长的生长时间，造成枝晶较发达；在铸锭的中心部位由于冷却速度最慢，枝晶有充分的时间生长，使枝晶网粗大。铸锭中心部位共晶硅相对于铸锭的边部和1/2半径处较大，共晶硅在枝晶的周边分布，共晶硅尺寸由边部到中心逐渐增大，粗大枝晶网的中部属于α.Al,会降低材料的最终强度。图4为铸锭均匀化后的组织,经均匀化后共晶硅变为圆形的粒状，降低了对材料的不利影响。通过均匀化消除了部分晶内及枝晶网偏析，枝晶网断开成为圆形的颗粒状。

4032合金采用4#钠盐变质剂进行变质处理，一般无初晶硅出现，而且共晶硅组织也比较细，主要是钠盐变质剂中的NaF与Al反应生成Na和AlF3，被还原出来的钠进入铝熔体中，对共晶硅起到了良好的变质作用。但在使用钠盐变质过程中，合金的粘度加大，流动性下降，使气体上升的速度降低，极易出现气孔及少量的夹渣物。其夹渣物来源主要是由变质过程中形成的Na的氧化物、C、Ca等组成。4032合金φ500mm铸锭中心部位由于冷却强度降低,常形成粗大晶粒及发达的树枝状晶,α枝晶尺寸较大,形成硅的贫乏区,对材料经挤压、淬火、时效后的机械性能造成较大影响。

对挤压后的棒材切取低倍试片进行检测分析，没有偏析聚集物及非金属夹渣等缺陷，晶粒度在2级以内。从显微组织中看到，棒材组织均匀，晶粒以弥散状分布，没有成簇分布现象，无初晶硅组织。

图2 4032合金铸造边部组织200×

图3 4032合金铸造1/2半径处组织 200×

图4 4032合金铸锭均匀化1/2半径处组织200×

3.3 精炼剂及结晶器对4032合金组织的影响

在试验过程中，根据生产工艺流程，在变质前对静止炉中的熔体采用高纯氮气、高纯氩气作为精炼气体进行精炼，为保证精炼效果，其精炼时间一般控制在15分钟以上。同时，在流槽中采用透气砖和泡沫陶瓷过滤板两种方式进行在线除气除渣。从铸锭的低倍组织来看，选用高纯氮气或高纯氩气作为精炼剂，其精炼效果较好，铸锭中没有气孔产生，两者的效果相当。主要是选用的氮气及氩气与铝熔体中的铝及变质剂不发生反应，对变质剂的变质效果不影响。另外，在流槽中通入高纯氮气或高纯氩气，气体通过透气砖后形成微小的气泡充满整个流槽，对因变质中添加的变质剂量较大，熔体中的含渣量较多的问题，能通过气体上浮带走部分夹渣，提高了除气除渣的效果。同时采用泡沫陶瓷过滤板，通过过滤板上的孔洞进行过滤，可有效消除夹渣缺陷，提高金属的纯净度。

铸造方法采用铝结晶器铸造和带有隔热膜的铝结晶器铸造。从铸造结果来看，采用铝结晶器铸造的铸锭组织比带有隔热膜的铝结晶器铸造的铸锭组织粗大，主要是带有隔热膜的铝结晶器一次冷却距离较短，铸造时的冷却强度大于铝结晶器铸造的冷却强度所致，在大冷却强度条件下，初生硅和共晶硅还没有来得及聚集和长大就已经被凝固，从而减小了晶粒的尺寸。因此，在后续试验中均采用带有隔热膜的铝结晶器铸造。

3.4 变质剂用量和气孔之间的关系

对铸锭低倍组织进行金相检验，从低倍试片上看出，低倍试片上均有不同程度的气孔，其中使用锶变质剂生产的铸锭存在有疏松缺陷，其他的铸锭没有发现疏松缺陷。主要是锶变质剂可以使铝熔体吸气能力加强，加重了疏松及气孔缺陷的产生。低倍试片中气孔较少的是采用2#、4#钠盐进行变质处理的铸锭。变质剂使用量的多少，影响着铸锭含气量的多少，选用同一种变质剂，调整不同使用量，其变质剂用量和气孔对应趋势示意图如图5所示。

图5 变质剂用量和气孔的关系

从图5中可以看出，随着变质剂加入量的增多，产生气孔的程度也相应的增加，当变质剂用量超过一定量时，产生气孔的程度将随之大幅度上升。所以要减少气孔的产生，在保证变质剂用量的前提下，应尽量少加，否则将产生过变质，影响到铸锭质量。

4 结论

经过多次变质试验和工艺改进， 4032合金的组织和性能完全能满足客户需求。

1) 采用带有隔热膜的铝结晶器进行铸造，可提高铸锭的冷却速度，有利于金属的结晶及组织细化；

2) 选用4#钠盐作为变质剂，其变质效果最好，其组织无初晶硅，共晶硅组织较细小；

3) 变质前在静置炉内用纯N2气体精炼15分钟以上，以提高熔体的纯净度；

4) 流槽内采用透气砖，通入纯N2气体实现在线精炼，有利于减少气体含量及夹渣。

[1] 肖亚庆，铝加工技术实用手册，北京：冶金工业出版社，2004

[2]周家荣，铝合金熔铸生产技术问答，北京：冶金工业出版社，2007

[3] 耿浩然等，Al-Si合金变质技术的应用现状与进展，机械工程材料，1995(5)

[4] 李顺朴等，Al-Si合金的共晶共生区及组织形成规律，金属学报，1995(2)