结题报告——铝硅合金的晶粒细化与组织变质处理-

铝合金的变质处理铝合金的变质处理铸锭组织的不均匀性集中的影响到铸锭的性能，用于锻造、轧制和挤压的铸锭特别不希望降低合金工艺塑性的柱状组织。

通常，具有细小晶粒组织、细微的晶粒内部结构和过剩相均匀分布的合金具有最好的铸态性能和最高的压力加工塑性。

采用增大冷却速度、低温浇注、超声波振荡铸造、电磁铸造等措施均有利于获得上述理想组织，但这些办法均有局限性，只有对合金采取变质处理才是调整铸锭组织的根本手段。

一、变质处理概述所谓变质处理就是在少量的专门添加剂（变质剂）的作用下改变铸态合金组织，使金属或合金的组织分散度提高的过程。

目前，这种处理方法的技术术语很不统一，有的叫细化处理，还有的叫孕育处理。

变质处理的分类也各不一样。

有人根据金属及合金的最终组织变化特征将变质处理分为三类：把改变初生树枝晶和其他初生晶尺寸的处理叫第一类变质处理，把改变初生树枝晶内部结构的处理叫第二类变质处理，把改变共晶组织的处理叫第三类变质处理。

也有人根据变质剂的作用特性，把变质处理分为三类四组（见表2—5—3）。

还有人按对结晶着的合金的物理作用和冶金作用来分类。

显然，这些概念之间的界限是很难区分的。

本手册把变质处理理解为金属及合金铸锭组织弥散度的提高。

表2—5—3变质剂的类别及其作用特性类别变质剂组别作用性质可能的变质机构I晶核变质剂l不起化学作用，但结构上具有共格性起晶核或生核基底作用，如铝中的TiC及其他高熔点夹杂物2起化学作用且有结构上的共格性包晶反应产生晶核质点，并改变周围液相的成分浓度，如钛和铝作用生成的TiAl，Ⅱ吸附变质剂3活性吸附或物理吸附吸附在晶面上，阻碍晶粒成长，促使过冷增核，如铝硅合金中加钠Ⅲ改变结构不匀性变质剂4起机械或物化作用，改变液相结构及分布状况均匀液相成分和温度，改变晶核质点的活性目前，有各种说明变质处理过程的理论，其中，比较著名的有晶核形成论、碳化物论、包晶反应论、原子结构论等，但其中没有一种理论可以全面地说明这种过程。

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库《铝合金铸件铸造技术》课程教案铝合金液熔体处理—晶粒细化与变质处理制作人：张保林陕西工业职业技术学院铝合金液熔体处理——晶粒细化与变质处理一、概述对铝合金熔体进行细化、变质处理，以控制铝铸件的铸态组织是铸造铝合金熔炼的重要一环，也是获得高品质铝铸件的基本条件。

对于A1-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等固溶体型合金，为防止产生铸造裂纹，提高力学性能，一般都需要进行细化处理，以使α(A1)固溶体的晶粒细化；对A1-Si系合金一般也常对其进行α(A1)晶粒细化处理。

二、晶粒细化α(A1)晶粒细化处理。

常用的晶粒细化剂有钛、硼、锆及稀土金属等，以中间合金或盐类形式加入铝液。

（1）中间合金形式加入常用细化剂主要有Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B和Al-Ti-C等中间合金。

这些细化剂加入铝液后产生大量的TiAl3、AlB2、TiB2、TiC等微粒，它们熔点都较高，且晶格常数与α(A1)固溶体的很相近，所以作为异质核心抑制树枝状初生α(A1)晶粒的长大。

不同的细化剂细化效果和衰退特性是有区别的。

常用的Al-5％Ti、Al-5％Ti-1％B和A1-4％B细化剂对A356合金(与ZLSi7Mg相近)晶粒作用效果比较见图1。

图1 A356合金晶粒细化效果比较细化剂的加入量和合金种类、成分、加入工艺、熔炼温度、浇注时间等有关，细化剂的加入温度一般为710～730℃，加入量占合金的0.4％～0.6％。

添加Ti、B元素细化处理的铝液中，如果存在Zr、Cr、Mn等元素，将减弱细化效果，甚至出现“中毒”而失去细化效果。

其原因有些研究者认为是由于Zr、Cr、Mn等元素与TiAl3、TiB2、TiC微粒之间发生作用，形成了新相改变了原有的点阵常数，因而失去了异质核心作用所造成的。

（2）盐类形式加入。

含有很强晶粒细化作用的Ti、B、Zr等元素的氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟锆酸钾等盐类物质。

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。

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。

铝硅合金熔铸及组织分析（一、二）一、实验目的：1、了解及学习合金的熔铸全过程；2、掌握铝硅合金的变质处理；3、学会分析铝硅合金变质前后显微组织特征及性能；二、实验说明：在铸造合金中，以Ai—Si共晶为基的合金是最常用的，这主要是因为铸造性能好，硅在结晶时象石墨一样体积是膨胀的，收缩小，降低了铸件的热裂倾向，此外线膨胀系数很低，导热性好，广泛用于制造内燃机和压缩机的活塞。

并且经过变质处理以后，可以提高强度和韧性。

三、实验内容：铝硅合金是应用最广泛的一种铸造合金，常称为硅铝明，典型牌号为ZL102、含硅11—13％，从Ai—Si合金相图可知，其成分在共晶点附近，而具有良好的铸造性能。

当硅含量大于共晶成分时，铸造后得到的组织为粗大的针状硅和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体组成。

粗大的硅晶体极脆，严重地降低了合金的塑性，为了改善合金的性能，可采用变质处理。

即在浇注前加入占合金总量2—3％变质剂（常用的变质剂为2∕3NaF+1∕3NaCl的混合物）。

由于钠能促进硅晶体的形核，并能吸附在硅的周围阻碍硅晶体的长大，使合金组织细化。

同时使合金的共晶点右移，而使原成分合金变为亚共晶，使变质后的合金组织成为初生α固溶体和细密共晶体（α+Si）组成。

由于共晶体中硅的细化，而使合金的强度与塑性显著改变。

四、实验程序加入金属硅↘1、配料→熔化金属铝→700—750℃→待硅熔化后进行搅拌→静置5分钟后→进行浇注。

加入金属硅加入变质剂↘↘2、配料→熔化金属铝→700—750℃→待硅熔化后→进行搅拌→静置5分钟后→进行浇注。

3、磨制金相试样，观察及分析金相组织；（1）、未经变质处理的组织：粗大的针状硅和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体。

即（α+Si针状）共晶体+Si块。

（2）、经变质处理的组织：初生α固溶体和细密共晶体，即α+（α+Si点状）共晶体（3）分别测定变质前后两种合金的布氏硬度值。

在本实验中，熔铸部分为前半部分（一），金相样品的制备和组织分析为后半部分（二）五、实验任务与要求：1、说明合金实验方案及成分设计的要求。

一、选题的目的、意义和研究现状1. 选题的目的及意义铝占地壳总量的8.13%，是蕴藏量最丰富的金属元素之一。

铝及其铝合金也是有色金属中用途较广的轻金属。

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。

硅具有改善合金的流动性，减小疏松，降低热裂倾向，提高气密性等作用。

因此在铝中加入硅，形成的Al-Si合金成为铸造铝合金中品种最多用途最广的一类合金。

在含硅量超过Al-Si共晶点（硅11.7%）的过共晶铝硅合金中，硅的颗粒可明显提高合金的耐磨性，组成一类用途很广的耐磨合金，综合力学性能等到改善，广泛应用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。

同时过共晶铝硅合金以其质轻、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。

由于具有高强、轻质、耐磨、耐热及较低的热膨胀性等优点，过共晶铝硅合金逐渐引起人们的关注。

特别是进入21世纪后，面临着能源、环境的问题，社会对节能节材的要求不但提高，一些行业特别是汽车业对改变零部件所采用的材料，减轻自重，提高功率质量比一直在研究，而过共晶铝硅合金就是很好的选择。

因此，各国材料科学工作者逐渐将过共晶铝硅合金作为新型材料的重点研究对象。

过共晶铝硅合金具有线膨胀系数小、尺寸稳定性高、耐磨、耐蚀性能好、铸造性能好等一系列优良性能，是一种理想的新型活塞用合金，在这种材料中随合金中硅含量的增加．初晶硅与共晶硅变得愈粗大．特别是呈现粗大块状的初晶硅和长针状共晶硅组织，严重割裂合金基体。

并且硅相尖端和棱角部位会引起应力集中．从而明显降低了这种合金的力学性能，尤其是影响其塑性及耐磨性的提高，还会使合金的切削加工性能变坏。

为改善铝硅合金的加工性,提高其机械性能在铸造中通常需进行变质处理。

经过变质处理后的铝硅合金具有良好的机械性能和切削加工性能,是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。

而铝硅合金经过变质处理后初晶硅和共晶硅都得到明显细化，随着硅相的细化和分布均匀化合金的力学性能得到明显改善。