马朝禄 张廷金 韩树强 刘民章

(1.西宁腾祥节能环保科技有限公司， 青海 西宁 810000；2.青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

0 前言

由于共晶型Al- Si合金具有较高的强度和耐磨性以及低热膨胀系数，因而在国民经济的各个领域得到了广泛应用。共晶型Al- Si合金不仅具有铸造铝合金的特点，而且也具有变形铝合金的特点，4032、AHS、4A11等是具有代表性的共晶型Al- Si合金。但是，合金中的硅含量较高，加之铸造凝固过程中的不平衡结晶，在其铸态组织中会存在共晶硅和初晶硅组织。共晶硅多呈粗大的针片状，初晶硅多呈多角形块状或板状。这些组织的存在会严重割裂合金的基体组织，导致合金性能严重下降，甚至失去使用价值[1]。因此，必须通过工艺过程控制来改善合金的铸态组织，以达到提高合金使用性能的目的。

1 优化控制化学成分

几种典型共晶Al- Si合金的化学成分见表1。

表1 几种典型共晶型Al- Si合金的化学成分 单位：%

由Al- Si二元相图可知，Al- Si二元合金的共晶硅含量为12.6%。由表1可知，3种合金中除AHS为亚共晶合金外，其余2种合金均属于共晶Al- Si合金。由于Al- Si合金随Si含量增加而具有良好的铸造性能，但铸态组织中会出现针片状共晶Si，而且当Si含量超过共晶成分后，组织中还会出现粗大的多角形板状初晶硅，在硅相的尖端和棱角处引起应力集中，合金很容易沿着晶粒边界或板状硅本身开裂处形成裂纹，使合金变脆，力学性能特别是延伸率显著降低[2]。因此，必须对其进行变质处理。由于这类合金组织中既存在初晶硅，又存在大量共晶硅，从而使得变质处理相对比较复杂，为了便于通过变质工艺控制合金组织，进而改善合金性能，对合金成分进行优化调整，以简化变质处理工艺。

成分优化主要针对合金的Si含量。共晶型4032和4A11合金中的Si含量上限为13.50%，已经超过了12.6%的共晶Si含量，在工业生产条件下，合金成分不可能是绝对均匀的，必然存在一定的浓度起伏。因此，为了避免合金中出现初晶硅组织，控制Si含量相对低一些比较合适(不超过共晶成分)，控制4032、4A11合金的硅含量分别为11.2%～12.5%和11.7%～12.6%[3]，AHS合金的硅含量不做调整。对合金化学成分进行优化调整后，其凝固组织为α(Al)+共晶体及少量初晶硅，因此，只要对共晶硅进行变质处理即可。

2 控制原材料质量

Al- Si合金熔炼时所使用的原材料通常有Al- Si中间合金、结晶硅、速溶硅及回炉料。

1)用Al- Si中间合金熔炼Al- Si合金。应选择硅含量小于共晶点的Al- Si中间合金，当Al- Si中间合金的Si含量超过13%时，其组织中含有大量的初晶硅，且初晶硅尺寸都比较大，直径通常为80～120 μm；而Si含量小于或等于13%的Al- Si中间合金，其组织中的初晶硅含量较少，且直径通常小于40 μm[4]。

2)用结晶硅和速溶硅熔炼Al- Si合金。结晶硅和速溶硅本身就是初晶硅，这些初晶硅必然会遗传到Al- Si合金中，只有通过温度加工才能消除初晶硅组织。

3)用回炉料熔炼Al- Si合金。应避免使用变质不良或过变质的Al- Si合金回炉料，因为这些回炉料中往往存在粗大的初晶硅和共晶硅组织。与Al- Cu、Al- Mg合金相比，Al- Si合金的组织遗传效应更为明显[5]。

3 控制熔炼工艺

3.1 控制加料顺序和加料方式

炉料种类不同，其加料顺序和方式也不同。

1)当用结晶硅和速溶硅熔炼Al- Si合金时，由于硅的密度(2.33 g/cm3)比铝低，如果添加顺序和方式不当，会在合金熔炼过程中使硅块上浮而进入浮渣，造成硅元素实收率低和多次加硅，延长熔炼时间，增加其他合金元素的烧损(尤其是Mg和Al)。因此，在熔炼前，先将结晶硅块破碎至30 mm左右，块度太小会造成合金熔体上部硅含量很高，而块度太大则会造成合金熔体硅含量很高，形成底部Si成分偏析。加入方式是先将预先破碎并经过预热的结晶硅块平铺于熔池底部，然后将重熔铝锭、工艺回炉料以及其他含有高熔点元素的中间合金放置于结晶硅块之上，防止熔炼过程中硅块上浮而造成硅元素损失。

2)用Al- Si中间合金熔炼Al- Si合金时，情况就变得相对简单得多。可以将Al- Si中间合金与重熔铝锭、工艺回炉料和其他中间合金一起加入到熔池中进行熔化即可。

3)此外，由于上述3种合金中均含有一定量的Mg元素，而Mg的化学性质远远比Al活泼的多，在熔炼过程中很容易因严重烧损而造成Mg元素含量波动，进而影响合金成分稳定性、合金组织和性能。因此，金属Mg锭的添加应放在其他炉料全部熔化后进行，而且在金属镁锭添加前，用纯铝铝箔材将其包裹后压入铝熔体中[6]。

3.2 控制熔炼温度

由于在Al- Si合金熔炼过程中使用Al- Si中间合金、结晶硅或速溶硅，而这些炉料中都含有不同数量的初晶硅组织，因此，必须选择相对高的熔炼温度才能加速Si元素的溶解和扩散；否则，会因为初晶硅得不到充分溶解和扩散而残留于Al- Si合金铸锭中。工业生产实践表明，共晶型Al- Si合金的熔炼温度应控制在780～800 ℃为宜[7]。这是因为要使Al- Si中间合金中的组织遗传性得到破坏，其合金化温度需要高于胶状颗粒发生不可逆破坏的临界温度范围[4]。如果在实际生产中，Al- Si合金的熔炼温度达不到该临界温度范围，即Al- Si中间合金的组织遗传性得不到完全破坏，那么，合金中的初晶硅、共晶硅组织形态必然会遗传到共晶型Al- Si合金制品中。这也是Al- Si合金需要以较高温度进行熔炼的主要原因。

3.3 Al- Si合金熔体的预精炼

共晶型Al- Si合金的变质多采用Al- Sr中间合金，而由于炉料原因，在Al- Si合金熔炼过程中，必然会将一些杂质元素带入Al- Si合金熔体中，如P、Sb、B、Ca、Bi、Na和RE(稀土元素)等，这些杂质元素的存在都会在不同程度上对Sr的变质效果产生不良影响[8]。为了消除上述元素对Sr元素变质的不良影响，合金熔体转炉前，应在熔炼炉内对合金熔体进行预精炼，以除去熔体中的Na、Ca、RE等杂质元素。

3.3.1 去除碱(土)金属和稀土元素

将用四氯化碳液浸泡的耐火砖分别放置在熔炼炉熔池内的不同部位，利用四氯化碳分解所产生的氯气与熔体中的Na、Ca、RE之间的反应，形成它们的氯化物浮渣而除去：

(1)

(2)

(3)

(4)

同时，氯气也能与铝产生反应，生成沸点较低(183 ℃)的AlCl3气体。氯气和氯化铝气体在上浮过程中形成气泡，并将熔体中的Al2O3和氯化物夹杂等吸附于气泡表面而带出液面，从而达到预精炼的目的。

利用电解铝液直接配料生产共晶型Al- Si合金时，最好在电解铝液进入熔炼炉之前，在抬包内对电解铝液进行预处理，除去其中的碱(土)金属Na、Ca等，不仅可以有效减少熔炼炉内的碱(土)金属含量，降低它们对Sr变质效果的影响，而且还可以减小K、Na等元素对熔炼炉耐火材料内衬的侵蚀，延长熔炼炉耐火材料内衬使用寿命[9]。

但是，应当注意的是，共晶型Al- Si合金中通常都含有一定量的Mg元素，而Mg元素也属于碱土金属，在熔体预处理和随后的精炼过程中必然会造成Mg元素含量损失。研究表明，使用氯气、六氯乙烷或四氯化碳对Al- Si合金进行精炼时的Mg元素烧损为0.03%～0.05%，而且随精炼次数的增多和保温时间的延长而增加[10-11]。因此，在共晶型Al- Si合金配料时，Mg含量应按合金成分给定范围的上限执行。

3.3.2 控制炉料中的P、Sb、Bi杂质元素

Al- Si合金熔体中的P、Sb和Bi杂质元素主要是通过回炉料带入的，而且这些杂质元素通常很难去除。因此，在Al- Si合金熔炼需要利用回炉料时，应清楚地了解回炉料的来源及其变质处理情况。当确定利用Al- Sr中间合金对共晶型Al- Si进行变质处理时，不宜采用P、Sb和Bi变质所产生的回炉料，原因如下：

1)当熔体中含有一定量的Sb时，Sb会与Sr形成密度较大的化合物Mg2Sb2Sr，并沉到熔体底部，从而减少Sr元素在Al- Si合金熔体中的浓度，毒化Sr元素的变质效果。故Sr变质Al- Si合金时应避免Sb的存在。

2)当合金熔体中存在P的情况下，用Sr变质时，会出现1～2 h的潜伏期(孕育期)。要消除P的毒化作用，熔体中必须有足够高的Sr含量。P含量越高，需要的Sr含量也越高。但是，一旦Sr含量掌握不当，就会出现过变质情况，反而使合金组织粗化。

3)Bi也会对Sr的变质效果产生毒化作用。当合金熔体中存在Bi时，要获得良好的Sr变质效果，必须控制Sr/ Bi>0.45。

4 控制熔体精炼与变质工艺

4.1 熔体精炼

Al- Si合金熔体导入保温炉中，进行必要的温度和化学成分调整后，用高纯氩气进行熔体精炼处理。通常将精炼温度控制在710 ℃左右。通过精炼可以除去Al- Si合金熔体中的溶解氢及Al2O3等非金属夹杂物，使合金熔体得到净化，应确保高纯氩气质量，其纯度应不低于99.999%(其中，CH4质量分数应小于10-6，O2、H2O、H2O和CO2的质量分数均应小于2×10-6)[12]。否则，会因为氩气质量差而导致Al- Si合金熔体中氢含量和夹杂物含量增加。

4.2 熔体变质处理

精炼后，用Al- Sr中间合金对Al- Si合金熔体进行变质处理。通常，Sr的加入量为0.03%～0.05%。考虑到各个工艺过程中Sr元素的烧损，按照0.05%Sr含量折合加入Al- Sr中间合金。为了减小Al- Sr中间合金块度对变质潜伏期的影响，加Sr前，在150 ℃温度下对Al- Sr中间合金进行烘烤干燥，时间不少于3 h，以彻底去除Al- Sr合金锭表面所吸附的水分。然后，将Al- Sr合金锭分切成5 mm×5 mm×5 mm的小块，并用铝箔包裹好，用涂有TiB2的钟罩压入合金熔体底部，以加速Al- Sr合金的熔化[13]。待其完全熔化后，对熔体进行搅拌，搅拌时间控制在10～15 min，以促进Sr原子在熔体中均匀分布。由于在730 ℃温度下，Sr的蒸气压只有10-4Pa，其蒸发速度很低[14]，因此，应控制变质温度在730 ℃左右

为防止由于Sr的氧化或蒸发造成Sr变质作用的衰退，在合金化学成分允许的条件下，可以向熔体中加入铍(Be)元素，通过熔体表面上致密BeO保护性氧化膜的形成，有效防止Sr元素的氧化和蒸发，防止Sr变质效果衰退。由于Be具有毒性，因此不宜多加，通常其加入量应控制在0.005%～0.05%[15]。

4.3 熔体二次精炼

变质处理后，对合金熔体进行第二次精炼，除气和除渣。其方法与第一次精炼过程相同。扒渣完毕后，进行调温，当熔体温度达到750 ℃左右时，静置保温约15 min，即可进行放流铸造。

5 控制铸造工艺

5.1 铸造工艺流程的控制

亚共晶型变形Al- Si合金的铸造，无论是圆铸锭还是扁锭，均采用半连续铸造方式，只不过圆铸锭多采用热顶铸造工艺。

1)纯铝铺底作业。在铝合金熔炼和变质处理过程中，也可能存在极少量变质不良的初晶硅，而这些初晶硅的出现，尤其是在铸造开始阶段，很可能在较大的冷却强度下产生应力集中现象，从而引发铸造裂纹，导致铸锭开裂。因此，在放流铸造前，必须进行纯铝铺底作业。铺底铝液纯度不低于99.70%，铺底铝液温度为700～720 ℃，铺底铝液厚度大于50 mm，并在铺底后及时进行放流铸造，以防时间过长铺底铝液凝固失去铺底的作用[16]。

2)晶粒细化。放流铸造后，当铝液流经在线除气装置入口位置时，采用在线加入方式将Φ9 mm 的Al- 5Ti- 1B线杆加入到溜槽中，以期实现对铝基体的晶粒细化。虽然用Al- Sr中间合金进行变质处理时，对铝基体有一定的细化作用，但其主要作用是细化共晶硅，因此，仍需通过Al- 5Ti- 1B中间合金的加入进行细化处理，考虑到B会削弱Sr的变质效果，晶粒细化剂的添加应控制在Sr/B>0.14。

3)在线除气。采用双石墨转子在线除气装置进行在线除气，除气介质为高纯氩气(纯度不低于99.999%)；控制石墨转子的转速在250 r/min左右；根据生产现场实际情况(除气箱内铝熔体表面不产生翻腾或翻腾极小)，控制氩气流量为1.5～6.5 m3/h[17]。如果能将高纯氩气预热到一定温度后再通入除气箱，将会得到更好的除气效果[18]。

4)在线过滤。采用30ppi/50ppi配置的双级陶瓷泡沫过滤板对Al- Si合金熔体进行在线过滤。

5.2 铸造工艺参数的控制

铸造工艺参数应根据铸锭的规格和形状(圆铸锭或扁铸锭)进行设置与控制，大体原则是通过铸造温度、铸造速度及冷却强度三者的合理搭配，获得内在质量与外观质量优良的铸锭。当然，铸造工艺参数的设置还与所使用的铸造工艺装备有很大关系。因此，铸造工艺参数的设置与控制应视实际情况而定，不可一概而论[19]。

6 结束语

亚共晶型变形Al- Si合金是铝加工工业生产中应用最为广泛、生产量最大的铝合金，同时也是熔铸工艺较为复杂的铝合金。要生产出高品质的亚共晶型变形Al- Si合金铸锭，涉及的影响因素很多，但是，只要了解掌握Al- Si合金的主要特性，根据不同的铸造工艺装备和铸锭规格，设置合理的铸造工艺参数，并抓住熔铸工艺过程控制的主要环节，就能够生产出符合下游工序加工要求的Al- Si合金铸锭。