铝硅合金细化处理的研究进展

铝合金细化剂的研究现状及其中共晶硅的变质研究现状目前人们已经对铝合金有了较多的认识甚至是较深入的了解，通常人们为了提高铝合金的力学性能，通常要对铸铝中的初生硅相经行处理，晶粒细化剂是铝合金生产中常用的添加剂之一能显著提高铝合金的力学性能和机械加工性能对铝合金的生产具有十分重要的意义。

根据Hall-Petch公式可知材料的屈服强度和材料的晶粒大小成反比，细小的晶粒尺寸可以有效地提高材料的强度和韧性，同时改善合金的机械加工性能对于铝在各行业的应用均具有重要的意义。

目前，细化铝合金晶粒的方法主要包括以下4种方法：1、控制金属凝固时的冷却速度; 2、机械物理细化法包括机械振动机械搅拌等物理场细化法; 3、如电场磁场超声波处理等; 4、化学细化法,向合金中加入各种晶粒细化剂促进铝及合金的形核或抑制晶核长大。

在工业生产中细化晶粒尺寸最常用的方法是化学细化法即在熔融的铝液中加入晶粒细化剂起到异质形核的作用进而细化晶粒尺寸。

20世纪四五十年代，晶粒细化剂起源于英国的Cibula金属研究协会，这时的细化剂主要是Ti、B盐块剂。

20世纪60年代由于无芯感应炉的应用中间合金的生产及应用取得飞速发展相继出现了Al-Ti-B锭华夫锭等相关产品，20世纪70年代是铝合金晶粒细化剂Al-Ti-B丝有效提高了晶粒细化效果降低了细化剂的加入量，同时改善了TiB2在炉内的团聚现象。

在20世纪七八十年代晶粒细化剂生产工业的研究方向主要是通过改善Ti/B配比优化细化效果。

20世纪90年代细化剂的生产开始采用ISO9002为基准的技术措施大大提高了Al-Ti-B的细化效果，同时由于硼化物仍然存在一定的团聚现象，影响细化剂的使用效果，从而采用一定量的石墨代替细化剂中的B制得的Al-Ti-B中间合金不仅具有较好的细化效果同时避免了硼元素的团聚现象。

现在常用的细化剂有Al-Ti-B中间合金、Al-Ti-B-RE、Al-5Ti-1C中间合金。

目前工业生产中使用的晶粒细化剂主要为Al-Ti-B，这种细化剂制备工艺较为成熟质量日益提高具有较好的细化效果，但存在TiB2团聚等问题仍需要不断改进作为改善Al-Ti-B细化效果，作为改善Al-Ti-B细化效果的Al-Ti-C和Al-Ti-B-RE细化剂也逐渐进入铝合金生产企业的视野，但是Al-Ti-C的制备过程复杂成本较高在现有条件下并不适合大规模工业生产，而Al-Ti-B-RE中由于加入了RE 元素导致其细化机理和工艺复杂化。

上大《ActaMater》搞清楚了！铝硅合金晶粒难以细化的根源导读：细晶强化可同时提高合金强度和塑性，铸铝行业通过添加细化剂来提高铸件的品质和性能已成为常规工序。

然而，传统Al-5Ti-B细化剂易被硅元素毒化，使铸造Al-Si合金难以被有效细化，这是铸铝行业的老难题。

本文采用多尺度（Å~mm）的表征及计算手段，详细研究了Al-10Si/Al-5Ti-B铸锭中形核质点与铝基体间的界面特征，考察了凝固过程中细化相组成的演变规律，提出了与传统认识不同的新机理，即硅毒化的根源是溶质Si向TiB2颗粒表层的偏聚，并非硅化物的析出与包覆。

这为解决Al-Si合金细化难的工程问题奠定了理论基础。

Al-Si系合金是种类最多、使用量最大的一类铸造铝合金，被广泛用于制造汽车车身薄壁件、发动机部件、传动系统部件、复杂外形的散热器、油路管道等。

然而，若不做任何处理，Al-Si合金中粗大的α-Al树枝晶及大量脆性Al-Si共晶组织会极大削弱合金的强度与塑性。

通过添加含有形核质点的细化剂合金来调控凝固过程中α-Al的形核与长大，细化凝固组织来提高材料强度和塑性，已成为铸铝工业中的常规工序。

然而，Al-Si系合金至今仍是一类较难被细化的铝合金。

当Si浓度大于5 wt.%时，传统Al-Ti-B细化剂的细晶效能被显著削弱，该现象为硅毒化效应（Si poisoning effect）。

60多年来，人们始终未能弄清硅毒化效应的发生根源和机理，极大制约了新型抗毒化铝硅合金细晶剂的开发，限制了铸造铝硅合金强度和塑性的进一步提升。

上海大学李谦教授团队与通用汽车中国研究院胡斌博士、燕山大学聂安民教授合作，采用球差透射电镜表征Al-10Si/Al-5Ti-B铸锭中形核质点（TiB2）和α-Al间界面的原子结构与元素分布，首次发现了Si原子在TiB2/α-Al界面的偏聚现象。

结合相图热力学计算（CALPHAD）、第一性原理计算，详细评估了形核界面处硅化物形成的可能性，并深入考察了Si偏聚对形核基底原子有序性及α-Al外延形核难易程度的影响。

1．实验目的1)熟悉铸造铝硅合金的熔炼、精炼、细化和变质处理的过程；2)掌握铸造铝硅合金精炼、细化和编制处理的基本原理及方法；3)掌握细化剂和变质剂对铸造铝硅合金的影响。

2．实验内容1)对熔融的Al-7Si合金进行细化处理；2)对熔融的Al-7Si合金进行变质处理；3)在光学显微镜下观察，评价合金的细化和变质处理效果。

3．实验原理3.1 铝硅合金晶粒细化技术及其机理铸造铝合金铸态时通常呈现三种不同的晶粒状态：等轴晶、柱状晶和枝状晶。

有目的地一直柱状晶和枝状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫做晶粒细化处理。

晶粒细化是通过控制晶体的形核和长大来实现的。

细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。

而形核质点主要有两种来源：一是包括快速凝固法、动力学方法和成分过冷法等的内生形核质点，二是向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。

目前，添加细化剂成为生产过程中最有效、最实用的方法。

对于铝硅合金，通常将细化元素Ti、B以中间合金的形式加入熔体来实现晶粒的细化。

3.2 铝硅合金变质处理技术及其机理铝硅合金中，由于Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，严重的割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而必须采用变质处理工艺，使共晶硅形貌发生变化，提高合金性能。

4．实验步骤1)在两个Al2O3坩埚中分别加入1000g的铝硅合金原料，在电阻炉中升温至720℃，溶化后保温1小时以促进成分的均匀化；2)对精炼处理后的Al-7Si合金教主一组试样；3)向一个坩埚中加入0.03%的B进行晶粒细化处理；4)向另一个坩埚中加入0.03%的Sr进行变质处理；5)1-2人为一组，每个20-30分钟以组为单位浇注试样，为充分观察细化和变质处理的孕育期和衰退期，应至少浇注4组试样；6)对各组试样进行处理，在光学显微镜下观察，评价合金的变质效果，观察晶粒尺寸。

5．实验结果分析5.1 晶粒细化效果分析将实验分成三个实验组，第1组为未加细化剂处理的原料铸型，第2组为加入细化剂处理20min后的原料铸型，第3组为加入细化剂处理40min后的原料铸型。

研究与开发收稿日期:2001-07-18收到初稿,2001-11-07收到修订稿。

作者简介:叶春生(1970-),男,江苏泰兴人,硕士,主要研究方向是注塑模具结构设计和CNC 编程。

不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化的研究叶春生1,宋俊杰2,张新平3,潘 冶4(11康佳集团股份有限公司,广东深圳518053;21洛阳自来水公司洛南水源,河南洛阳471023;31吉林大学南岭校区材料科学与工程学院,吉林长春130025;41东南大学机械工程系,江苏南京210096)摘要:研究了高温过共晶A-l Si 合金熔体和低温亚共晶A-l Si 合金熔体混合后对微观组织的影响。

结果表明:熔体混合并迅速搅拌后的初晶硅大大细化,在2min 内浇注,可以获得分布均匀且尺寸小于25L m 的初晶硅;随着熔体保持时间的延长,初晶硅的尺寸有增大的趋势。

探讨了对硅相的细化机理。

关键词:过共晶A-l Si 合金;熔体混合;硅相细化;保持时间中图分类号:T G113112 文献标识码:A 文章编号:1001-4977(2002)03-0145-03Investigation on Refining Granules of Prim ary Si Phase byMelt Mixing with Different Components of A -l Si AlloysYE Chun -sheng 1,SON G Ju n -jie 2,ZH AN G Xin -ping 3,PAN Ye 4(11Kon ka Group Co.Ltd.,Shenzhen 518053,Guangdong,China;21Luoyan g water supply compan y (Luonan fou ntain),Luoyang 471023,Henan,China;31College of Materials Science an dEngineering,Jilin U niversity (Nanling Campus),C han gchu n 130025,Jilin ,Chin a;41Departm ent of Mechanical Engineering,Southeast University,N anjin g 210096,Jiangsu,China)Abstract:Effect of melt treatment by m ixing the high tem perature hypereutectic A -l Si alloy melt and thelow tem perature hypoeutectic A -l Si alloy m elt on microstructure is investigated in this paper.It is fou ndthat primary Si granules have been greatly refin ed in the optimum m elt mixing condition.Primary Si part-icle size is reduced to 25L m poured in two min utes,the alloy microstructure has been obviously improved.With the exten ding of holding tim es,Primary Si particle size has a tendency of grain growing.The mecha -nism of refinin g gran ules of prim ary Si phase is also studied.Keywords:hypereutectic A-l Si alloy;melt mixing;refin ing of si phase;holding time 过共晶A-l Si 合金的导热性好,热膨胀系数小,尺寸稳定性和耐磨耐蚀性好,有足够的高温强度和弹性模量,是制造汽车发动机活塞的理想材料,日本已应用在载重汽车和小轿车上,有逐渐取代灰铸铁的趋势112。

过共晶铝硅合金中硅相细化的研究进展
董天顺;马庆亮;付彬国;李晶琨;李国禄;陆鹏炜
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】过共晶铝硅合金因其耐磨性能良好而受到关注,但组织中含有粗大的初晶硅和针状的共晶硅,限制了其进一步广泛使用。

本文综述了当前过共晶铝硅合金中硅相细化的一些方法,如合金化、变质处理和改进制备工艺等。

其中重点介绍了合金化对过共晶铝硅合金中组织的作用;然后对各种变质剂的细化效果进行了对比分析;并讨论了改进制备工艺对硅相尺寸和形貌的影响;最后指出未来的研究方向应集中开发出适用于广泛使用的新型复合变质剂,并通过变质和改进制备工艺相结合,获得性能更加优异的过共晶铝硅合金。

【总页数】7页(P1-6)
【作者】董天顺;马庆亮;付彬国;李晶琨;李国禄;陆鹏炜
【作者单位】河北工业大学材料科学与工程学院;河北省新型功能材料重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TG243;TG292
【相关文献】
1.过共晶铝硅合金中初生相细化的研究进展
2.钠盐变质铝硅合金中的共晶硅相
3.过共晶铝硅合金中初晶硅复合异质形核的研究
4.过共晶铝硅合金中铝硅共晶相取向关系
5.过共晶铝硅合金中初晶硅的变质机理探讨
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铝硅合金的晶粒细化与组织变质处理结题报告项目成员：朱荣升，黄泽华，黄文强院（系）：材料科学与工程学院【摘要】：晶粒细化是通过控制晶粒的形核和长大来实现的。

细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。

铝硅合金的变质处理使共晶硅由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而改善合金性能。

【关键词】：铝硅合金、细化、硬度、金相图、锶、硼、钛。

引言：铝硅合金具有优良的铸造性能，是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。

一般地，铸造铝硅合金中有α（Al）、共晶硅及初晶硅，其中α（Al）呈树枝状，共晶硅呈片状，初晶硅呈多角形状和板状。

经过细化变质处理后的Al-Si合金具有良好的机械性能和切削加工性能，近年来，世界各国研究者就Al-Si合金基体细化元素，初晶硅和共晶硅的变质元素及其细化、变质机理方面的进行了深入研究，并对双重变质、复合变质进行了探索和研究。

随着金屑型铸造和压铸工艺的发展，铝硅合金得到广泛应用。

近年来，在铸造领域应用的铝合金，除了铝硅系列合金之外，还有铝锅系列、铝镁系列、铝锌系列和其他系列的铝合金。

在这些系列的合金中，除了少数的二元合金外，大多数都是添加多种合金元素的多元合金。

本项目主要内容为铝硅合金的晶粒细化处理。

晶粒细化是通过控制晶粒的形核和长大来实现的。

细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。

一、实验原理本项目主要内容为铝硅合金的晶粒细化与组织变质处理。

晶粒细化是通过控制晶粒的形核和长大来实现的。

细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。

铝硅合金的变质处理使共晶硅由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而改善合金性能。

二、试验方法2.1 试验合金的制备第一步：试验合金在箱式电阻炉内用石墨坩埚进行熔制。

原料为Al-7Si合金，设置一组对照组和三组实验组，实验组分别加入微量元素锶、硼、钛，所加微量元素的质量均为原料的百分之一，用不同的温度对其熔制并保温（见表1）表1 微量元素含量及合金熔制时间、保温时间：微量元素Sr B Ti质量/g 0.1994 0.1769 0.1800温度700℃-720℃700℃-720℃8500℃-900℃保温时间/h 2 2 3第二步：将熔制好的试样用金相实验切割机进行切割处理；第三步：用不同型号的砂纸对切割好的试样进行初步抛光；第四步：用布氏硬度计测量其硬度，为了使实验结果更加准确，因此在每块试样上取两点测量其硬度，最后取平均值，记录数据（见表2）表2 加入不同微量元素测得合金硬度：合金成分Al-Si合金Al-Si合金+Sr Al-Si合金+B Al-Si合金+Ti布氏硬度/HBW 33.8 39.75 33.0 33.7 未加入微量元素时，测得Al-Si合金的布氏硬度为33.8HBW；加入微量元素B后，布氏硬度变为33.0HBW，与对照组相比有少量下降；加入微量元素Sr后，硬度变为39.75HBW，相比对照组硬度有较大的增强；加入微量元素Ti后，布氏硬度变为33.7HBW，与对照组基本相同。

工 程 技 术73科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/j.c n k i.1672-3791.2017.29.073强磁场对Al-Si合金凝固组织的细化研究意义林东来(福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350000)摘 要:Al-Si合金是目前使用较为广泛的工程材料，其具有良好的耐磨和耐热等性能及易于铸造和流动性好等一系列优良特点，它主要应用于汽车、摩托车等发动机活塞材料。

当前采用强磁场对Al-Si合金的晶粒进行细化，提高铝硅合金的性能和质量的意义深远。

本文概括当前在强磁场下制备Al-Si合金的工艺研究并综合分析强磁场对Al-Si合金性能的影响。

关键词:Al-Si合金 强磁场 细化中图分类号:TG146文献标识码:A文章编号:1672-3791(2017)10(b)-0073-02如今我国经济已经进入快速发展阶段，节约资源、创新技术与发展绿色循环经济已成为人们关注的热点。

随着工业、制造业的发展，材料科学也迅速发展，特别是生产领域上工程材料的广范运用，工程材料的性能(硬度、耐磨性、韧性等)也越来越受到人们的关注与研究。

A l-S i合金，它是一种轻质金属材料，因其具备良好的耐磨和耐热等性能及易于铸造和流动性好等特点被人们所关注。

为了获得更好的共晶合金材料，对细化合金的凝固组织进行研究是有必要的。

近些年来研究发现，在磁场下由于磁化力和洛伦兹力的作用对合金的凝固组织产生影响，将强磁场作为一种A l-Si合金改性手段，其性能得到了显著提高。

1 强磁场对Al-Si合金细化处理的特点随着研究对A l-S i合金变质细化处理的不断深入，人们正努力寻找可以细化铝硅合金的方法。

恰巧在研究材料电磁过程中发展了强磁场材料科学，便有研究人员尝试在A l-Si合金的凝固过程中使用磁场的方法[1]，通过对材料处理过程中增加电磁场的手段，达到细化合金凝固组织。

铝合金晶粒细化的研究进展与发展趋势铝合金晶粒细化是一项重要的研究领域，对于提高铝合金的力学性能和抗腐蚀性能具有重要意义。

随着材料科学和工程技术的发展，铝合金晶粒细化技术也在不断发展和完善，取得了一系列研究进展。

本文将以铝合金晶粒细化的研究进展与发展趋势为主题，探讨目前的研究状况和未来的发展方向。

一、研究进展1.1 传统晶粒细化方法传统的晶粒细化方法主要包括热处理、变形加工和添加合金元素等。

热处理可以通过控制铝合金的退火温度和时间来实现晶粒细化。

变形加工可以通过压力变形或拉伸变形等方式，使晶粒发生塑性变形，从而实现晶粒细化。

添加合金元素可以通过改变铝合金的化学成分，促使晶粒细化。

然而，这些传统方法存在一定的局限性，无法满足对铝合金晶粒细化的精确控制需求。

1.2 新型晶粒细化方法近年来，随着纳米技术和材料科学的不断发展，一些新型的晶粒细化方法被提出并逐渐应用于铝合金的研究中。

例如，激光冲击处理可以通过激光脉冲的作用，使铝合金表面产生高温、高压等条件，从而实现晶粒细化。

超声波处理可以利用超声波的振动作用，促进晶粒的再结晶和细化。

电磁场处理可以通过外加电磁场的作用，改变铝合金的晶界能量和晶界迁移速率，从而实现晶粒细化。

这些新型晶粒细化方法在提高铝合金的力学性能和抗腐蚀性能方面具有潜力。

1.3 晶粒细化机理研究晶粒细化机理的研究是铝合金晶粒细化研究的关键。

目前，晶粒细化机理研究主要集中在动力学和热力学两个方面。

动力学研究主要探讨晶粒的再结晶和晶界迁移等过程，通过实验和模拟方法分析晶粒细化过程中的相变行为和晶界迁移速率等参数。

热力学研究主要探讨晶粒细化过程中的相变行为和晶界能量等参数，通过理论计算和实验测量等方法分析晶粒细化的驱动力和限制因素。

晶粒细化机理的深入研究可以为铝合金晶粒细化技术的发展提供理论基础和指导。

二、发展趋势2.1 精确控制晶粒细化随着材料科学和工程技术的发展，精确控制晶粒细化是铝合金晶粒细化技术的发展方向之一。

A356铝合金晶粒细化的研究介绍了A356铝合金几种常见晶粒细化的方法，包括物理晶粒细化法和化学晶粒细化法，分析了细化机理，着重介绍几种晶粒细化剂和变质剂对铝合金组织和性能的影响。

细化晶粒组织是提高铝合金材料力学性能的有效途径之一，对开发优质铝合金材料有重要的意义。

标签：铝合金；晶粒细化；细化机理1 前言A356为常用的铸造铝-硅-镁系合金，因其具有流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小等特点，经过晶粒细化和热处理后，抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等各方面的性能得到相应的改善，被广泛于工业、交通、农业等部门，尤其是应用在汽车零配件中[1]。

铝合金的机械性能与其显微组织中的晶粒大小和共晶硅形态紧密相关[2]。

铝合金的晶粒尺寸和形态特征决定着铝合金的性能，细小、均匀的晶粒组织，可以有效地提高材料的强度和韧性，同时改善合金的机械加工性能，是获得良好的综合性能的保证。

在铸造A356铝合金的过程中，由于铸造温度高，α-Al基体晶粒显得粗大，硅的形态呈粗大的片状结构，容易生成粗大的针片状或板状共晶硅，铝合金基体容易被割裂，成分偏析且各相之间分布极不均匀，造成局部区域的应力集中，产生裂纹源，使铸造合金的力学性能和加工性能恶化[3]。

没有添加任何晶粒细化处理和变质剂的A356铝合金，基体组织晶粒比较粗大，整体力学性能较差。

因此，对铝合金进行晶粒细化，是获得优良的铝合金材料的重要保证。

2 铝合金晶粒细化的主要方法2.1 铝合金晶粒细化的本质晶粒细化的本质是抑制铝合金晶粒组织的长大过程。

在铸造过程中，细化晶粒方法有很多，大致可以分为两大类：通过物理方法细化、通过化学方法细化。

其中物理晶粒细化法是借助电磁搅拌或者快速凝固等技术来增加合金本身晶核的数量或抑制晶体长大；化学晶粒细化法是在铝合金熔炼过程中，往铝液中加入各种中间合金细化剂，在溶体中生成大量异质形核核心，可使铝合金具有细小等轴晶粒，各方向的力学性能差异小，可以改善其力学性能和加工性能，达到细化铝合金晶粒的作用，这种方法所需的生产设备和工艺比较简单，是工业上最为常用的细化方法[4]。

铝合金晶粒细化的研究进展与发展趋势铝合金晶粒细化是一种重要的材料加工技术，其可以显著提高铝合金的力学性能、耐腐蚀性能和成形性能。

本文综述了目前铝合金晶粒细化的研究进展和发展趋势，主要包括以下几个方面：
1. 传统晶粒细化方法：包括挤压、拉伸、等通道转角挤压、旋转挤压等方法，这些方法可以有效地细化铝合金的晶粒，但同时也存在一些问题，例如难以控制晶粒细化程度、机械性能受到限制等。

2. 新型晶粒细化方法：包括高能球磨、电极化学加工、爆炸冲击等方法，这些方法具有细化效果好、可控性强等优点，但也存在一些问题，例如成本高、难以大规模生产等。

3. 多尺度晶粒细化方法：包括多道次热变形、细晶化等方法，这些方法可以在多个尺度上同时细化晶粒，具有优异的综合性能，但也需要进一步的研究和探索。

4. 人工智能在晶粒细化中的应用：近年来，随着人工智能技术的发展，人工智能在晶粒细化中的应用也逐渐受到关注，例如利用机器学习等技术进行晶粒定量分析、预测材料性能等方面的研究。

5. 晶粒细化的发展趋势：未来晶粒细化技术的发展趋势主要包括以下几个方面：一是多尺度晶粒细化技术的深入研究和应用；二是晶粒细化与其他材料加工技术的结合，例如利用晶粒细化来改善3D 打印件的性能；三是人工智能在晶粒细化中的应用的推广和深化。

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