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[铝合金] 冶造含有铝硅合金材改性整治的情况及进境走势

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发表于 2019-12-7 10:56:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
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 Na加入方式有金属Na、Na盐、Na碱三种。由于金属Na的沸点低(883℃),与Na变质温度(740~780℃)接近,变质处理时易引起铝液的沸腾和飞溅,操作不安全;且Na的密度小,密集在铝液表面,使上部铝液变质过度,底部变质不足,变质效果不稳定,加之金属Na成本高,不易保存。因为这些缺点,目前金属钠在生产中应用很少。生产上广泛应用的是三元或四元含NaF的盐类变质剂。Na盐变质处理工艺为:在铝液精炼处理后加入变质剂,加入量w为1.5%~3.0%,有效变质时间为30min.Na盐加入铝液后发生反应:6NaF+Al=Na3AlF6+3Na生成的Na进入铝液起变质作用。金属Na、Na盐变质的有效时间短,变质经过30~60min后衰退,重熔即失效,且对坩埚腐蚀严重,变质处理不当易产生气孔、过变质或变质不足等问题。尽管如此,Na盐变质还是国内生产上最普遍采用的变质方法。

  用Na盐变质会分解出有害气体和盐的蒸气,故发展出无公害的Na碱变质剂:采用Na2CO3作变质剂,它在高温下与Mg反应还原出Na起变质作用,反应如下:Na2CO3+3Mg=2Na+3MgO+C此反应在反应过程中和反应产物都是无公害的,主要问题是Mg粉价贵,工艺不当容易产生气孔夹杂。



 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:22 | 显示全部楼层
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Sr(锶)变质1966年,Thiel通过试验指出Sr对Al-Si共晶合金的变质作用。80年代初,美国、日本等国先后采用Sr及其盐类作为铸造铝合金的变质剂,在工业上得到很普遍的应用。近年,我国也开始采用Sr及其盐类作变质剂。Sr变质作用、变质机理与Na类似,它吸附在Si相表面,影响共晶Si的长大,以达到细化共晶Si的效果。加入0.02%~0.06%Sr可获得良好的变质效果,Sr量过多出现新的脆性相会使合金性能变坏。Sr变质有效时间长达6~8h,重熔尚可保持1h,无腐蚀作用,是一种应用前景较好的长效变质剂。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:27 | 显示全部楼层
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 Sr可用纯Sr或Al-Sr中间合金加入,纯Sr价格较贵,应用推广受限制,中间合金Sr含量一般为3%~10%,加入量按0.02%~0.06%Sr,含Si量高时偏上限。长春汽车厂用Al-Sr中间合金变质成功生产了ZL104合金缸体和缸盖。Sr也可以Sr盐的形式加入,例如国内已研制成功的SrCl2与NaF按1:1配置的混合盐,加入1%相当于0.3%Sr的加入量,变质效果良好。哈尔滨工业大学和159厂试验了用Sr对ZLAlSi6Cu2Mg变质处理,加Al-4%Sr(按0.06%Sr)静置40min,可获得满意的变质效果。407厂研制的SR810锶盐变质剂,加入量为2%~3%,变质温度720℃~750℃,10~15min即可充分变质。Sr变质的潜伏期较长,吸气倾向严重,使致密性下降,此外,由于Sr的氯化反应使Sr烧损严重,所以Sr变质后,不宜用氯质氟质浮游法精练,最好通氩气、氮气。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:32 | 显示全部楼层
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 P(磷)变质P类变质剂是过共晶合金中初生Si最有效最常用的变质元素。加P与Na效果相反,本为共晶成分的合金,获得过共晶组织,使块状Si增多,提高耐磨性。生产活塞的共晶类型铸造铝合金应该用P变质处理。P细化初晶Si的机理是:P在合金中与Al形成熔点在1000℃以上的AlP质点,它和Si晶型相同,均为金刚石型点阵,晶格常数(Si为0.543nm,AlP为0.546nm),因此AlP可以起到异质核心的作用,促进Si相形核,细化初晶Si.

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:38 | 显示全部楼层
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 最早使用的P类变质剂是赤磷,虽有较好的细化作用,但变质处理时燃烧激烈,产生大量的有毒P2O5烟雾,污染环境;而且赤磷燃点低(240℃),储运不安全,因此赤磷多与其它化合物混合使用,已先后发展出了20%P+70%KCl+10%K2TiF6(或K2ZrF6)、10%P+84.5%KCl+5.5%C2Cl6等许多含赤磷的混合变质剂。也可采用含P的中间合金作为变质剂,如含Cu的活塞合金常采用Cu-P中间合金(也称磷铜)变质,磷铜通常含8%~12%的P,熔点约为730℃~930℃,变质时磷铜加入量约为合金质量的10%左右。近年来国外有报道称,用粉末冶金方法压制成型的Al-P-Cu中间合金变质效果明显优于Cu-P中间合金,缺点是该中间合金的制备工艺复杂、成本高。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:42 | 显示全部楼层
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此外还可用P的化合物、磷酸盐来变质初晶Si,如早期前苏联、西欧等国采用的PCl5、PCl3、PNCl2等,但这些变质剂或有毒性或反应后生成有毒气体,现已很少使用。日本曾报道用磷酸盐(0.3%P2O5+1%AlPO4)处理Al-25%Si,变质温度为900℃,变质时间为10~30min,可使初晶Si细化。但制备混合盐工艺繁琐。总的看来,目前P类变质剂仍以P-Cu中间合金为主。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:48 | 显示全部楼层
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 合金变质有效的P量为0.001%~0.05%,处理温度为800℃~850℃。P变质时间长、重熔性好,使合金有低的膨胀系数和良好的耐磨性,但变质温度较高,氧化量较大,变质时产生较多的烟雾,污染环境。
  Sb(锑)变质1960年,法国铸造技术中心MoMascre研究证明,Sb对亚共晶Al-Si合金有长效变质作用。试验证明,在亚共晶和共晶Al-Si合金中加入Sb能有效地使共晶Si片细化,分枝增多,但形貌未改变,它还使树枝状α基体条杆变细,分布均匀。Sb变质往往在经过热处理后,Si片发生粒化,才表现出良好的变质作用,合金机械性能特别是塑性才显著提高。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:56:54 | 显示全部楼层
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 Sb是一种长效变质剂,能保持变质有效时间100h以上。此外,用Sb变质重熔性好,没有变质潜伏期,对坩埚也没有腐蚀性,不产生公害,而且Sb资源丰富,价格便宜。但Sb变质对冷却速度很敏感,一般只在金属型铸造中使用,不适用于砂型或厚壁铸件,Sb也不能与Na、Sr变质合金旧料混用,因为Sb和Na、Sr会互相抵消和削弱变质效果。
  Sb熔点为630℃,密度为6.67g/cm3,直接加入铝液中将生成熔点高达1000℃的AlSb冻结在坩埚底部,故通常是以含Sb为4%~8%的Al-Sb中间合金形式加入,Sb的加入量为0.2%~0.4%,变质温度为720℃~740℃,变质时应注意搅拌,防止产生比重偏析。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:57:00 | 显示全部楼层
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 Te(碲)变质Te为类金属,六方晶型,熔点449.5℃,密度6.24g/cm3。Te变质机理与Sb相似,既不能促进Si相形核,也不能使共晶Si的针片状转变为纤维状,而只是使Si相以片状分枝方式使其细化。Te也是一种长效变质剂,变质有效期在8h以上,从变质效果上看要强于Sb.Te变质对冷却速度也有一定的敏感性,但在砂型铸造时还是可以使共晶体得到一定的细化,而在金属型或压力铸造时变质效果良好。
  Te化学活泼性比铝低,变质处理时可以以纯Te方式(按0.1%Te)用钟罩压入铝液,变质温度为730℃~750℃,有约40min的变质潜伏期。Te变质工艺简单,使用时不产生烟、无味、无公害,不腐蚀坩埚、设备,重熔性也较好,但由于Te的资源紧缺,价格较贵,因而应用远没有Sb变质广泛。Te与Sb变质效果能够互相加强,但会与Na、Sr、P等元素互相抵消和削弱变质效果。
  Na与Ba复合变质用Na盐和Ba盐组成的复合变质剂,具有变质效果好、见效快、长效的特点,江苏工学院研究了Na盐、Ba盐复合长效变质剂,解决了Na盐变质易衰退及Ba变质剂存在潜伏期的问题。它适用于金属型铸造,在2~4h内亦适于砂型铸造。对于技术研究Zl104合金,在720℃~740℃用0.6%C2Cl6精炼,在740℃~760℃加入1.7%复合长效变质剂进行变质处理。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:57:05 | 显示全部楼层
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 Sr与RE复合变质Sr与RE一起变质时,可克服单独使用RE变质剂用量大的缺点。用Sr与RE一起变质ZL101A合金,其综合性能均优于其它变质方法,据南昌航空学院研究,RE-Sr协同变质可以使RE和Sr的作用互补。山东科技大学用稀土氧化物加Sr盐对Zl104进行变质处理,取得良好的变质效果,合金抗拉强度、硬度大幅提高,伸长率略有下降。
  P与C复合变质P和C复合变质对共晶Al-Si合金及过共晶Al-Si合金有良好的变质效果,其抗拉强度比现有的其它方法变质提高10%~15%,伸长率提高40%~50%。亚共晶型Al-Si合金也可以采用P、C复合变质Zl101A合金,其综合性能均优于其它变质方法,而且成本也低于其它变质方法。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:57:11 | 显示全部楼层
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 RE、S与P复合变质RE、S与P复合不会产生相互干扰现象,且RE、S本身又有双重变质效果,RE、S、与P构成的复合变质剂具有较好的双重变质效果。湖北汽车工业学院用0.5%的P-Cu与1%的RE复合对Al-18%Si合金进行变质,变质温度为820℃~840℃,变质后初晶Si尺寸可降至20~30μm,抗拉强度达到180~190Mpa.成都内燃机配件厂配制的S、P复合变质剂用于生产多种过共晶Al-Si合金活塞,能满足批量生产的要求,效果良好。湖南大学研制的SR-813强效S、P变质剂,加入量1%左右,变质温度为液相线以上150℃,是一种变质效果稳定、操作方便的双重变质剂。最近上海交大采用La、Y稀土变质Al-22.8%Si合金,发现仅仅加入La、Y不能细化初晶Si,但在P细化初晶Si的基础上,La、Y可进一步细化初晶Si,并实现初晶Si、共晶Si的双重变质。

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 楼主| 发表于 2019-12-7 10:57:16 | 显示全部楼层
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 结束语随着现代生产的进一步发展和人们对铸造质量的要求的不断提高,Al-Si合金的变质处理研究将越来越引起人们的重视。今后广大科研工作者不仅要研究新的变质处理的工艺方法,也要加大对Al-Si合金的变质机理、变质能力、各变质元素之间的相互作用及显微组织和力学性能之间关系的研究等。在基础研究的指导下,选择低成本、效果好、无污染的长效变质剂和研究合理的变质工艺。含稀土元素的变质和复合变质是今后研究Al-Si合金变质处理的重点。

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