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鋁硅合金
應(yīng)用于建筑等行業(yè)的工業(yè)合金
基本信息
| 中文名 | 鋁硅合金 |
| 外文名 | aluminium silicon alloy |
| 主要成分 | 鋁、硅 |
| 沖擊值 | 約為7～8.5J |
| 導(dǎo)熱系數(shù) | 約為101～126W/(m·℃) |
| 密度 | 約2.6～2.7g/cm3 |
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介紹
性能及用途
硅含量較低時（比如0.7），鋁硅合金的延展性較好，常用來做變形合金；硅含量較高時（比如7%），鋁硅合金熔體的填充性較好，常用來做鑄造合金。在含硅量超過Al-Si共晶點（硅含量為12.6%）的鋁硅合金中，硅的顆粒含量高達14.5%～25%時，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其綜合力學(xué)性能。它們可用于汽車發(fā)動機中代替鑄鐵汽缸而明顯減輕重量。用作汽缸的鋁硅合金，可經(jīng)過電化學(xué)處理以浸蝕表層鋁而在缸內(nèi)壁保留鑲嵌于基體的初生硅質(zhì)點，其抗擦傷能力和抗磨損性以明顯改善。其中含硅量11%～13%的合金以其質(zhì)輕、低膨脹系數(shù)和高耐蝕性能等特點而成為最佳的活塞材料之一。
成分和組織
鋁硅二元合金具有簡單的共晶型相圖，如圖，室溫下只有α（Al）和p（Si）兩種相，α（Al）的性能和純鋁相似，β（Si）的性能和純硅相似。共晶合金的Si含量為12.6%，亞共晶合金的組織由α（Al）+共晶體（
）所組成，過共晶合金的組織由β（Si）+共晶體（
）所組成。由于結(jié)晶硅帶入微量磷，即使10ppm的磷生成AlP就足以使Si含量為9%的亞共晶合金中出現(xiàn)初晶硅，并使共晶硅形成粗大的板片狀。
Al+Si二元相圖
共晶型AI-Si二元合金雖有優(yōu)良的鑄造性能，但由于力學(xué)性能不高，故只能用于壓鑄、擠壓鑄造等高速冷卻的鑄造方法；對于砂型鑄造，石膏型鑄造等冷卻速度慢的鑄造方法，必須進行變質(zhì)處理，細化共晶硅，以獲得足夠的力學(xué)性能。
細化共晶硅的變質(zhì)處理不能同時細化初晶硅，對于有大量初晶硅的過共晶合金，必須采用加磷細化初晶硅，提高力學(xué)性能。
鋁的塑性大，切削時需消耗很大的功，隨硅量增加，共晶體增多，切削功可減小，但共晶硅硬度高，易磨損刀具，尤其是有粗大初晶硅的過共晶合金，刀具磨損更嚴重，被加工的表面很毛糙。為改善切削加工性能，除進行相應(yīng)的變質(zhì)處理，細化共晶硅、初晶硅外，可加入鉍、鉛等易切削元素；對過共晶合金可采用鑲嵌鉆石刀具，選擇最佳切削速度和合適的切削液等，也能獲得光潔的加工表面。
綜上所述，為了兼顧合金的各種服役性能和工藝性能，鋁硅類合金的含硅量一般為7%～12%。
1）熱處理強化效果小，力學(xué)性能不高
577℃時硅在α（Al）固溶體中的溶解度為1.65%，室溫下降至0.05%。但熱處理強化效果不大，固溶處理后人工時效只能使合金強度提高10%～20%，因為硅的沉淀和集聚速度很快，甚至固溶處理時都可能發(fā)生固溶體分解，析出硅質(zhì)點，不形成共格或半共格的過渡相，因此一般只進行退火消除內(nèi)應(yīng)力。ZL102的力學(xué)性能不高。
2）鑄造性能優(yōu)良
近共晶的Al-Si二元合金的結(jié)晶溫度區(qū)間小，硅的結(jié)晶潛熱大，故流動性能為鑄鋁合金中之冠，集中縮孔傾向大，應(yīng)設(shè)置合理的冒口，能獲得致密的鑄件，直至破壞前不會引起滲漏，硅降低氫在鋁液凝固后的溶解度，如精煉不當，容易產(chǎn)生針孔。
3）耐磨性，抗蝕性，耐熱性好
Al-Si二元合金具有軟相α（Al）和硬相硅，是典型的耐磨組織，耐磨性好；α（Al）和共晶硅的電子電位相差不大，表面一層AlO，組織致密，對基體具有保護作用，因此耐蝕性好；ZL102合金的共晶溫度為577℃，高于其余鑄鋁合金，溫度升高時沒有強化相溶解或聚集現(xiàn)象，因此耐熱性最好。
4）必須進行變質(zhì)處理，提高力學(xué)性能
變質(zhì)前的力學(xué)性能低，切削加工性能差，必須進行變質(zhì)處理，使板片狀的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀，并消除初晶硅，大幅度提高力學(xué)性能。
綜上所述，ZL102合金適用于壓鑄件或要求耐蝕、耐磨；承受中小載荷的薄壁、復(fù)雜鑄件如各種儀表的框架、亮體、基座等。
變質(zhì)處理
變質(zhì)處理的意義
鑄造鋁硅合金因具有密度低、強度高、耐磨耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，是鑄造鋁合金中應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)量最大的一類合金。鋁硅二元相圖為典型的共晶型相圖，共晶點硅的質(zhì)量分數(shù)為11.7%，共晶溫度為577℃。硅在鋁中最大固溶度為1.65%，室溫時固溶度約為0.05%，共晶反應(yīng)為：
根據(jù)硅含量的高低，將鋁硅合金分為亞共晶型、共晶型和過共晶型合金。在常規(guī)鑄造鋁硅合金的組織中，存在針狀的共晶硅和粗大的形狀復(fù)雜的初晶硅，惡化了合金的性能。在工業(yè)上采用變質(zhì)處理來改變硅相的形貌，使其以有利的形狀、較小的尺寸均勻分布在基體中，對于提高鑄造鋁硅合金的性能具有很好的效果。
變質(zhì)的方法及效果
能對鋁硅合金中共晶硅起到變質(zhì)作用的元素有多種，如
和稀土元素
等。其中變質(zhì)作用最為顯著、在生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的是Na，近年來Sr變質(zhì)也逐漸在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。
當用含有氟化鈉成分的復(fù)合鹽類變質(zhì)劑（例如成分為
，
，
）對鋁液進行處理，或往鋁液中加入AI-Sr合金，以使鋁液中含有殘留Na為ω0.001~0.003%或殘留Sr為
時，能得到良好的變質(zhì)效果，使合金組織中的共晶硅變成纖維狀從而顯著提高合金的強度和塑性。
變質(zhì)處理除了改變硅晶體結(jié)構(gòu)外，還使合金的共晶程度有所改變。用Na進行變質(zhì)處理，會使共晶點右移，即使共晶含硅量增高，因此當處理前合金為共晶成分時，經(jīng)過處理后即變?yōu)閬喒簿С煞帧?/span>
變質(zhì)處理在鑄造鋁合金生產(chǎn)上應(yīng)用非常普遍，實際上對
的鋁硅合金都實行晶成分范圍內(nèi)，隨合金含硅量的提高，變質(zhì)的效果越顯著，前且變質(zhì)處理在提高合金塑性方面的效果比在提高強度方面更為顯著。
變質(zhì)處理的效果還與合金的結(jié)晶過冷度（鑄件的冷卻速度）有關(guān)，鑄件壁愈厚，即冷卻愈緩慢時，變質(zhì)處理的效果愈小。這稱為變質(zhì)處理的壁厚敏感性。同理，變質(zhì)處理在金屬型鑄造條件下的效果比砂型鑄造更顯著。不同變質(zhì)元素的壁厚敏感性大小不同。用Na或Sr進行變質(zhì)時，壁厚敏感性較小，而用Sb或Bi進行變質(zhì)時，壁厚敏感性較大，即只有在較薄壁鑄件或在金屬型鑄造條件下，才有顯著的變質(zhì)效果。
鋁硅合金的變質(zhì)處理也有衰退的現(xiàn)象，即變質(zhì)的效果隨著處理后時間的延長而逐漸消失。這一點與鑄鐵中孕育衰退的現(xiàn)象是相似的。變質(zhì)效果的衰退是由于合金中變質(zhì)元素的殘留量隨時間的延長而逐漸降低引起的。在鋁液的溫度下，合金中所含的Na或Sr或被氧化，或與型砂中的水分起作用而消失，而消失的速度則在一定程度上與變質(zhì)元素的化學(xué)活潑性有關(guān)。此外，變質(zhì)元素的熔點及相對密度也對消失速度有影響。從變質(zhì)作用有效時間來看，Na的變質(zhì)有效時間最短，只有30~60min，Sr為6~7h，Ba在5h以上，Sb的有效時間長達100h以上，而Te則幾乎能無限長地保持其變質(zhì)作用，而且即使合金經(jīng)過重熔，也不發(fā)生變質(zhì)衰退的現(xiàn)象。
雖然鈉的變質(zhì)有效時間短，會給生產(chǎn)帶來不便，但它的變質(zhì)效果最強，因此在生產(chǎn)上仍被普遍采用。Sr有較強的變質(zhì)作用，同時又有足夠長的變質(zhì)；有效時間，但Sr價貴，且Sr變質(zhì)會使合金增加吸氣，故目前還不能取代Na。
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