铸造Al-Si-Mg合金，因其具有良好的机械性能和工艺性能，应用广泛，世界各工业发达国家的标准中都有这类合金。本文综述了杂质元素、净化、晶粒细化、变质处理和热处理等工艺因素对铸造Al-Si-Mg合金机械性能的影响，探讨了提高这类合金机械性能的一些途径。
二、杂质元素
在杂质元素中，Fe对铸造Al-Si-Mg合金的危害最大。它与Al易形成脆性的金属间化合物，严重降低材料的韧性。
在Al-Si-Mg 合金的凝固过程中，可以形成多种含铁化合物，其中以β相（即FeSiAl5,Al9Fe2Si2）对合金的机械性能的影响最为严重。随着β相呈粗片状沉淀析出，将导致延性、冲击韧性和抗断裂韧性的降低。因此，提高材料的机械性能，必须严格控制Fe量或削弱Fe对性能的有害影响。控制Fe量首先要选用纯度高、含铁量低的原材料，其次对一些铁质坩埚和其他熔炼工具涂以防增铁涂料，尽量避免这些因素导致合金增铁。同时也可通过添加一些合适的元素来中和Fe的有害作用，最广泛使用的中和剂有Mn，其次是Cr、稀土、Be等。Mn可使粗针状FeSiAl5相变成一个良性分布的汉字型组织(FeMn)3Si2Al5，以减少对合金的有害影响。Mn和Fe之和超过0.8%时，会形成一种六方球体的(FeMn)7Si2Al5初生组织。Cr的中和作用是由于它使枝晶状的β相被α相（(Cr,Fe)Si4Al3）所替代，铁的这种化合物对材料的有害作用要弱一些。稀土加入熔体后，可与Fe形成熔点较高的化合物，随渣排出，从而降低含Fe量。
在一些优质铸件中常常加入微量Be，它既可因减少合金的氧化而提高延伸率，又能提高铁相的弥散度，使粗针状β相转化为微小的等轴晶，从而提高了强度和韧性。Be加入Al-Si-Mg合金中还可以防止Al10Mg4Si4Fe化合物的生成，有利于提高Mg的固溶量，从而提高强度。因此，加入Be具有提高强度和韧性的双重作用。为了防止Be和Cl2发生作用，提高Be的回收率，中间合金应在除气后，且温度小于700℃时加入。Be量在合金重熔后变化不大。
三、净化
净化的目的主要消除或减少针孔。铸造Al-Si-Mg合金在变质后针孔倾向很大，针孔的存在既减小了铸件的有效面积，又提供了裂纹源，导致合金的力学性能，尤其是韧性的显著下降。由于氢是形成针孔的主要因素，而熔体中的Al2Si3渣又可作为针孔的形核衬底，加速针孔的形成，因而净化主要是除氢和除渣。
净化效果取决于所采用的净化剂和净化方法。净化剂分除气剂和除渣剂。常用的除气剂包括惰性气体、反应性气体及其混合物、C2Cl6和反应性金属卤化物等。其中，C2Cl6因使用方法简单、效果好而在我国广泛应用，但用惰性气体来净化熔体效果更好，尤以Ar的净化效果最佳。除渣剂则有Na3AlF6、Na2SiF6和CaF2等。
净化方法除了传统的单管喷枪吹气法和溶剂覆盖法外，还有两类新的有效方法:旋转叶轮法和喷射溶剂法。旋转叶轮法通过旋转叶轮将吹出的惰性气泡分割成大量小气泡来提高净 化效率。喷射溶剂法采用一种专用装置向铝液喷射混合了溶剂的气体(N2等)，可获得极好的除净化方法除氢效果。目前，在原有的净化法基础上又出现了旋转喷射溶剂法。
对合金液进行过滤也是一种行之有效的净化方法，一般采用玻璃纤维网和陶瓷过滤器进行过滤。现在国外使用最多的是陶瓷过滤器，它有发泡式和挤压管式两种，成本稍高，安放在直浇道下，使用方便，效果良好。此外，还出现了沉降法和泡沫陶瓷过滤相结合的方法。
四、晶粒细化
四、晶粒细化
在铝合金铸造中，常加入少量的晶粒细化剂来控制熔体中的晶粒结构，这类细化剂形成初生的α-Al结晶核心，并促进铸件中形成大量有规则的等轴晶粒，所以晶粒细化主要是针对初生α-Al而言。目前最常用的方法是在合金中加入Al-Ti和Al-Ti-B中间合金。
在铝合金熔液中，二元Al-Ti合金中TiAl3的相对溶解度为0.15%，但在熔化期的保温阶段，随着时间的推移，TiAl3的细化作用会逐渐减弱直至消失。因此，最好在浇注前30分钟内加入细化剂，才能获得较佳的效果。加入B可以减弱TiAl3的这种细化衰退作用，B与Ti和Al的化合物比单一Ti有更好的细化效果。对Al-Ti-B细化剂而言，由于上述作为成核核心的化合物并不溶于铝中，易聚集而沉淀于底部，也会发生细化衰退现象。实验证明，用1%La的混合稀土加入Al-Ti-B合金中形成的Al-Ti-Re合金细化剂可延缓衰退。值得一提的是晶粒细化的"中毒"现象。在加Ti、B细化的铝熔体中如果存在Zr、Cr、Mn等元素，将减弱细化效果，甚至会因"中毒"而失去细化效果。
五、变质处理
变质主要是针对合金中的共晶Si。未变质时，共晶Si以粗针状形态出现，这些粗大针状物会引发合金产生裂纹，从而使合金的力学性能下降。采用Na、Sr或少量的Sb等变质剂对熔体进行变质处理，可改变共晶Si的形貌和尺寸，使共晶Si由粗针状转变成细纤维状或层片状。迄今已发现的变质元素有碱金属中的K、Na，碱土金属中的Ca、Sr，稀土元素Eu、La、Ce、Re (混合稀土)，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te等。其中最常用的有Na、Sr、Sb。Na和Sr变质可以获得均匀的纤维状共晶Si，Sb变质则得到层状共晶Si。
Na加入Al-Si合金后，共晶Si以非常细小、均匀分布的纤维状存在于 α-Al基体中。应该说Na是非常有效的变质剂，但缺点明显，即容易衰退，易吸气，氧化合金，且侵蚀坩埚、铸型和工具等。
Sr对Al-Si共晶体的作用可与Na媲美，它抑制P的作用，并使共晶组织呈纤维状，在砂型铸造凝固速度低的情况下，它的效果比Na弱些。此外，Sr像Na一样，也能促进合金吸气，但它对合金的氧化作用较小。它的变质作用比Na耐久，有半永久性效果。
Sb对共晶组织的影响与Na不同，它只有抑制P的作用而不改变Si的生长过程。Sb能消除熔体中硅晶体的异质形核核心，使共晶Si以层片状生长，在凝固速度足够高时，就以层片状和纤维状之间的中间形状生长，此时的变质效果也好。与Na、Sr不同，Sb的变质作用保持时间很长，无论在熔化保温阶段或重熔时都不衰减。Sb不会引起合金的吸气，实际上还可减弱这种倾向。应当指出，当有Na和Sr存在时，Sb与之分别形成Na3Sb2和Mg2Sb2Sr、SbSr2等化合物，这些化合物的密度比铝大，易沉淀于坩埚底部，因而Sb与Na、Sr的作用相互抑制，应避免混合使用。
Te的变质作用也很明显，微量的Te可使Al-Si合金得到良好的变质效果。Te变质同样具有长效性，但与Sb相比，凝固速度对其变质效果的影响较小，无论金属型铸造还是砂型铸造，当Te达0.1%以上时，α-Al枝晶比Na变质还细，而α-Al基体二次枝晶间距的减小可以显著地提高合金的机械性能。试验发现，Mg、Sb能增强Te的变质效果，因而Sb、Te复合变质可获得Sb和Te变质的综合优点，更有利于Al-Si-Mg合金机械性能的改善。
六、热处理工艺
热处理可以改善铝合金的机械性能，对于铸造Al-Si-Mg合金，热处理强化的主要方法是淬火或淬火加人工时效。
在亚共晶Al-Si-Mg合金中，固溶处理的实质在于将合金加热到尽可能高的温度，并在该温度 下保持足够长的时间，使强化相Mg2Si充分溶入α-Al固溶体，随后快速冷却，使高温时的固溶体呈过饱和状态保留到室温。温度愈高，愈接近固相线温度，则固溶处理的效果愈好。但为了防止局部过烧，加热温度通常低于固相线10～15℃。固溶处理也改变共晶Si的形态，随着固溶保持时间的延长，Si相有一个缓慢球化和不断粗化的过程，这种过程随固溶温度的提高而增强。因此固溶保温时间虽然长一些好，但不宜超过15小时。当然，固溶温度对Si相形态的影响要比保温时间的影响大得多：在ZL114A中，550℃保温50分钟后的Si相形态等同于540℃保温400分钟后的形态。一般来讲，固溶温度每降低10℃相当于固溶保温时间减少了4～8小时。
淬火时的水温对机械性能的影响也很明显，水温增高会使延伸率降低。在水温低于65℃时，铸件的冷却速率为40～90℃/s，而在95℃时，其冷速可降至4℃/s，这是因为水温升高后，水局部气化的可能性增大，一旦气囊形成，冷速就明显降低，这会使机械性能降低。因而在铸件结构允许的情况下，淬火水温应尽可能低，最好低于15℃。控制淬火的转移时间对Mg2Si相的分布很重要。
在淬火后与人工时效之前的自然时效过程称为预时效，σb和δ均随预时效时间的增加而提高，这在砂型和金属型试验中均发现有此规律。研究还发现预时效对机械性能的有利影响随Mg量增加而提高。
七、结语
综上所述，提高铸造Al-Si-Mg合金机械性能的主要途径有：
1. 提高合金的纯度，限制杂质特别是Fe的含量,或加入Be、Mn等元素消除Fe的有害作用。
2. 在熔体中加入Al-5Ti-1B、Al-3Ti-3B等中间合金进行晶粒细化处理。
3. 采用先进的净化方法对熔体进行除氢、除渣或过滤处理，以消除或减少针孔。
4. 选用Sr、Sb或Sb+Te等长效变质剂对合金进行变质处理。
5. 根据不同的含Mg量制订相应的热处理工艺并严格控制热处理工艺参数。
作者简介：瞿学良(1961-)，男，江苏宜兴人，江苏广播电视大学机械电子工程系讲师。
工艺因素对铸造Al-Si-Mg合金机械性能的影响
瞿学良
（江苏广播电视大学，江苏*!南京*!210013）
摘要:杂质元素、净化、晶粒细化、变质处理和热处理等工艺因素对铸造Al-Si-Mg合金机械性能会产生一定的影响，提高这类合金机械性能的途径有控制杂质元素、对合金液进行有效的净化、采用合理的合金化和热处理。
关键词：Al-Si-Mg合金； 铸造工艺； 机械性能
作者简介：瞿学良(1961-)，男，江苏宜兴人，江苏广播电视大学机械电子工程系讲师。
工艺因素对铸造Al-Si-Mg合金机械性能的影响
瞿学良
（江苏广播电视大学，江苏*!南京*!210013）
摘要:杂质元素、净化、晶粒细化、变质处理和热处理等工艺因素对铸造Al-Si-Mg合金机械性能会产生一定的影响，提高这类合金机械性能的途径有控制杂质元素、对合金液进行有效的净化、采用合理的合金化和热处理。
关键词：Al-Si-Mg合金； 铸造工艺； 机械性能
