中間合金的特性及應用

1、冶金叢刊第期總第期年月中間合金的特性及應用馬濤陳邵龍趙衛(wèi)濤郝麗榮王煒（河北四通新型金屬材料股份有限公司，河北保定）摘要介紹了中間合金的定義、種類及用途，重點介紹了、等中間合金的化學成分、金相組織、作用原理和優(yōu)缺點等，最后闡述了未來中間合金生產及研究的發(fā)展趨勢和應用前景。關鍵詞中間合金；特性；應用中圖分類號：；文獻標識碼：文章編號：（）（，），；中間合金是以一種金屬為基體，將一種或者幾種單質加入其中，以解決該單質易燒損、高熔點不易熔入、密度大易偏析等問題或者用來改善合金性能的特種合金，是一種添加型的功能材料。從中間合金的定義可以看出中間合金有以下幾個特點：（）以一種金屬為基體，其含量一般大于或等

2、于，如鋁、銅、鐵等。（）擬加入的單質一般有易燒損，熔點高，密度大易偏析等不宜直接添加的問題。（）中間合金是一種添加型的功能合金材料，不像鑄造鋁合金、變形鋁合金、銅合金、鋼鐵等直接用于鑄件的生產。中間合金與擬加入的單質相比，一般具有更低的熔點、更快的溶解速度、更穩(wěn)定的實收率、更強的改善合金性能的能力，因此，中間合金可用于合金生產過程中元素的準確添加及成分調整、細化晶粒、變，、，質處理、凈化處理、脫氧脫硫處理、固溶硬化等，在鋁及鋁合金、銅合金、鋼鐵等行業(yè)有著廣泛的應用。中間合金的種類中間合金按照基體的不同可以分為：鋁基中間合金、銅基中間合金、鐵基中間合金、鎂基中間合金、鎳基中間合金等。中間合金按照

3、用途可以分為：合金化型中間合金（添加型中間合金）、晶粒細化型中間合金、變質型中間合金、凈化型中間合金、脫氧脫硫型中間合金等。合金化型中間合金合金化型中間合金也稱添加型中間合金，主要作用是向熔體中添加某些元素。這些元素與熔體基體元素相比一般具有如下特點：（）熔點較高，如鋁中添加、等元素?；痦椖浚簢覈H科技合作專項項目（）作者簡介：馬濤（），男，工程師，碩士研究生，年畢業(yè)于大連理工大學。冶金叢刊總第期（）易揮發(fā)燒損，如鋁中添加、等元素。（）潤濕性差，如鋁中添加、等元素。（）密度相差大，易偏析，如鋁中添加、等元素。如果直接以單質形式向熔體中添加這些元素，則需要提高加入溫度，延長熔煉時間，或者加入

4、過程中燒損加大，實收率難以保證，造成爐前成分的多次調整，影響產品的生產效率。因此，為降低生產成本，獲得較為準確的合金成分，以上元素一般以中間合金的形式加入。在工業(yè)化生產中常用的合金化型性和工業(yè)化規(guī)模生產仍需進一步研究。變質型中間合金合金具有優(yōu)良的鑄造性能，但是隨著硅含量的提高，合金組織中會出現(xiàn)大量的針、片狀共晶硅和板塊狀初晶硅，嚴重割裂合金基體，開裂傾向增加，合金變脆，力學性能顯著下降。因此，當合金中硅含量超過時，一般需要進行變質處理，即把共晶硅由粗大的針、片狀改變成細小的纖維狀、葉片狀，把初晶硅由粗大的板塊狀改變成細小的顆粒狀。常見的共晶硅變質中間合金有、中間合金有、晶粒細化型中間合金、：、

5、等、。晶粒細化型中間合金加入熔體后，釋放出大量的異質形核核心，可作為熔體凝固時的外來晶核，影響熔體結晶的形核過程，從而起到細化合金晶粒的作用。目前，國內外鋁合金晶粒細化型中間合金產品主要有、等。銅合金晶粒細化型中、間合金產品主要有、等，其中間合金可用于鋁青銅的晶粒細化中間合金可用于黃銅的晶粒細化，中間合金中可用于黃銅的晶粒細化方面有較高的性價比、。，是目前工業(yè)上應用較廣泛的中間合金在鋁合金晶粒細化晶粒細化劑。中間合金由于和的雙相形核作用，其細化效果優(yōu)于中間合金。但是，中間合金中的粒子有比較明顯的聚集現(xiàn)象、等合金化元素時，同時當鋁合金中含有、，從而使細化劑減弱或失去作用使，會奪取粒子中的，形成相

6、應的硼化物，粒子發(fā)生“中毒”現(xiàn)象。劑，、其克服（或者部分克服、）了是新型的晶粒細化中間合金的上述缺點。中間合金是在中間合金的基礎上加入混合稀土。稀土是一種表面活性元素，可使鋁熔體與、粒子之間的潤濕角增大，改善鋪展性，從而有效避免粒子聚集或沉淀現(xiàn)象。但等粒子的嚴重偏聚現(xiàn)象只能在一定程度上緩解，因此整個制備過程仍需強力攪拌。晶粒細化劑在一定程度上克服了的缺點并對，其異質形核核心、等元素比“具有更小的聚集傾向，中毒”免疫，但是元素的經濟加入方式、細化效果的穩(wěn)定、凈化型中間合金等等。，常見的初晶硅變質中間合金有凈化型中間合金主要指中間合金，主要用于電工用鋁的凈化處理。其凈化機理是中間合金中的元素可以和

7、鋁液中的、等影響導電率的雜質元素形成、等密度大的金屬間化合物，通過重力作用沉降在爐底，從而凈化鋁液，提高導電率。常見中間合金的特性及應用常見的中間合金有：中間合金、中間合金、中間合金、中間合金、中間合金、中間合金和中間合金等。中間合金鋯是高強度、超高強度鋁合金中常用的添加元素之一，一般加入量為就對鋁合金性能有顯著的影響。、系合金中，鋯元素作為“痕量元素”，促進各強化相的形核。、系合金中的作用更為顯著，鋯元素明顯減緩早期階段時效沉淀的進程、，它抑制再結晶合金中，提高合金再結晶溫，微量鋯元素。度，改善合金的強度、斷裂韌性及抗應力腐蝕性能。鋯的熔點為，比鋁的熔點高，密度為，是鋁密度的倍，因此，鋁合金

8、中的鋯元素一般以中間合金形式加入。中間合金最常見的牌號為、，其次還有圖為、的金相組織等。、，粒子呈小塊狀，分布均勻彌散，平均尺寸小于，單個最大尺寸小于。中間合金中的粒子越細小，加入后溶解速度越快，對鋁合金性能的改善作用也更顯著。因此，優(yōu)良的金相組織也是發(fā)揮其性能的重要條件之一。 第期馬濤等：中間合金的特性及應用現(xiàn)象，但是因其比較穩(wěn)定的細化效果及價格優(yōu)勢等，仍然是目前工業(yè)上應用最為廣泛的晶粒細化劑。中間合金最常見的牌號為，其次還有、等。呈塊狀或桿狀，分布大致均勻，平均尺寸小于呈塊狀或桿狀，分布大致均勻，平均尺寸小于圖為的金相組織。級金相組織中，單個最大尺寸小于；粒子分布大致均勻彌散，無明顯聚集現(xiàn)

9、象；級金相組織中，單個最大尺寸小于；粒子分布圖金相組織大致均勻，有團塊狀聚集現(xiàn)象。以上說明，通過工藝的優(yōu)化和控制，粒子的聚集現(xiàn)象可得到一定程 度的改善。中間合金中間合金中粒子雖然有易偏聚圖金相組織作為一種細化型中間合金，其最主要的指標就是細化能力。根據(jù)枟鋁及鋁合金晶粒細化用合金線材第部分：鋁鈦硼合金線材枠行業(yè)標準進行的細化能力試驗，各牌號中間合金的細化能力見表。表中間合金晶粒細化能力牌號晶粒平均直徑中間合金按照外觀形態(tài)可分為錠狀、條狀、桿狀、卷狀等產品。錠狀、條狀、桿狀產品適合于直接投入熔爐進行產品的細化，卷狀產品適用于采用喂絲機對產品進行在線細化處理，提高自動化程度。以中間合金為例，其一般加

10、入量為，參考加入溫度，加入后徹底攪拌均勻即可澆鑄。與中間合金鈉和鈉鹽是最早應用的合金變質劑，但是存在變質有效時間短、環(huán)境污染大、合金中鈉殘留量不易控制等問題，近年來已經被、中間合金等新型變質劑代替。金長效變質劑，有效變質時間可達，變質過程中無過變質行為，多次重熔仍能保持良好的變質效中間合金是一種共晶、亞共晶合冶金叢刊總第期果，對設備無腐蝕，加工環(huán)境好制和抑制硅晶核長大機制。合金中作用，中間合金中的鍶主要以化合物的形式存在，所以的穩(wěn)定性是決定其變質效寸大小、晶體結構等因素有關相組織。鍶變質機制主要有兩種理論，即抑制硅晶核成長機。后者更為近年來的學者所接受，即游離態(tài)的鍶吸附在生長著的硅相表面，阻止

11、了硅相按照片狀方式生長，并使產生孿晶，按（，孿晶面凹入邊）機制生長，從而長成纖維狀。鍶以游離態(tài)發(fā)揮果的關鍵因素之一，而的穩(wěn)定性與其形態(tài)、尺。圖為華孚錠狀（約塊）和桿狀（直徑約）的金 圖金相組織總體上呈長針狀分布，桿狀中的呈小塊狀，大致均勻彌散分布，桿狀中的比錠狀的要細小。實驗證明，達到同樣的變質效果用形變處理的桿狀比錠狀可有效減少鍶的添加量，縮短孕育期，且變質后合金中硅的枝晶更加細小，彎曲程度增大從圖可以看出，華孚錠狀中的越廣泛的應用。陳熙琛等通過測試指出，鋁硅合金中硅相之所以變細，是因為銻與鋁的化合物作為異質晶核而造成的。試驗對合金的硅相核心及硅相的邊緣進行了測試，得出同樣的結論。硅與均為面

12、心立方結構，若（）與（）共格時其晶格常數(shù)差為，若（）與（）共格時其晶格常數(shù)差為暢，因此化合物作為硅相的異質形核核心完全是可能的。相呈針狀，大致均勻彌散分布。圖為華孚錠狀中間合金的金相組織，。變質處理中已得到廣泛的應用，一般鍶加入量為暢。但是，中間合金在實際應用中也存在一些問題，如孕育期長短不易掌握，鍶的實收率低，有增強吸氫傾向，易出現(xiàn)針孔等。針對這些問題，可以通過減少合金中的、等雜質元素，控制加入溫度，選擇鍶含量的中間合金，加鍶前先精煉除渣，加鍶后使用惰性氣體進行精煉處理等來進一步優(yōu)化變質處理工藝。中間合金是另外一種常用的亞共晶中間合金在共晶、亞共晶合金的經銻變質的合金流動性好，充型能力強，能

13、獲得致密的鑄件。銻不易燒損，經多次重熔后仍有相同的變質效果，稱為“永久變質劑”，適用于需長時間澆鑄的場合。銻變質只適用于亞共晶合金，變質效果對冷卻速度很敏感，故常用于金屬型鑄造，變質后共晶硅呈短桿狀，需輔以熱處理，使共晶硅進一步熔斷、?；?，方能明顯提高力學性能。合金長效變質劑，一般添加量為暢，無鍶變質的易吸氣傾向，近年來獲得了越來 第期馬濤等：中間合金的特性及應用圖金相組織與中間合金過共晶合金具有熱膨脹系數(shù)小、高溫強度高、體積穩(wěn)定性好、耐磨性好等優(yōu)點，因此在活塞材料中有著廣泛應用。但是過共晶合金組織中存在著大塊多邊形及板塊狀初晶硅，力學性能差，必須對初晶硅進行細化處理后合金才有更好的利用價值。

14、早期使用的細化劑有含赤磷粉的混合變質劑、磷鹽復合變質劑等，存在的主要問題是使用過程中產生有毒氣體，環(huán)境污染嚴重，吸收率不穩(wěn)定等，近年來逐漸被具有與硅相近的晶體結構和晶格常數(shù)中間合金中的磷主要以、等中間合金取代。，并在相存在，合金的液相線附近處于固態(tài)（的熔點大于），彌散分布于合金熔體中，可以作為初晶硅結晶時的異質晶核，使硅原子依附于其上，獨立地結晶成細小的初晶硅晶體，從而改善其力學性能，增強合金的耐磨性低制備工藝難度等，磷的吸收率可達。中間合金常見的牌號有、，提高磷的實收率。，還可以向其中加另外，為降入、等元素，形成、等中間合金。合金變中間合金是另外一種常用的過共晶質劑，常見的牌號有、的是等，其

15、中的磷主要以相存在。圖顯示的金相組織。彌散分布。中間合金磷的實收率要高于呈葉片狀，大致均勻中間合金，但是熔點相對較高，而且只能用于含銅的過共晶合金。中間合金鋁有優(yōu)良的導電性能 ，在電力行業(yè)也有著廣泛圖金相組織的應用。但是，鋁中還含有一定量的、等過渡族元素，若以溶解狀態(tài)存在于鋁中，易吸收導電材料中的自由電子，以填充它們尚未填滿的電子殼層，這就減少了有效的傳導電子數(shù)量，降低鋁的導電性能，增加電力傳輸過程中的損耗。目前，一般采用硼化處理對鋁液進行凈化，即向鋁液中加入約×的硼，能在很大程度上去除過渡族元素的有害作用。硼可與這些雜質元素形成密度大、不溶解的硼化物，沉于爐底，以渣的形式除去。見的

16、牌號有中間合金是電工用鋁的凈化處理劑、等。圖顯示，常的是的金相組織。呈塊狀，大致均勻彌散分布。中間合金作為凈化劑，其中的有效相為，加入鋁液后可快速釋放出元素，從而起到凈化作用；當工藝控制不當時，會生成相，使鋁電線導電率的提高主要是在加入后內，而在加入后鋁電線導電率提高不明顯。它是一種非常硬的硼化物，與雜質元素的反應很慢，大約保持導電率才顯著提高，難以起到凈化作用。結束語中間合金作為一種功能性材料，其性能和使用效果是最關鍵的指標。傳統(tǒng)的晶粒細化劑由于實用、易操作等優(yōu)點，目前仍有廣泛的應用，而且也在不斷地改進中，如通過生產工藝及設備的不斷優(yōu)化，進一步改善、粒子形態(tài)、尺寸及分布，提高細化能力。另外，

17、向中間合金中添加適量的稀土元素，可進一步改善其金相組 冶金叢刊 總第 期 織，提高細化能力。 目前， 、 中間合金 中的第二相粒子一般為針狀。 今后的發(fā)展趨勢之一 就是通過形變處理或快速凝固來使第二相粒子變?yōu)?細小的塊狀，進一步縮短孕育期，提升變質效果。 隨 著人們對合金化型中間合金成分的均勻性要求越來 越高，需要進一步完善生產工藝， 細化操作， 來滿足 客戶日益提高的要求。 中間合金以其操作方便、 使 用效果穩(wěn)定等固有優(yōu)勢，以及質量的不斷提升，今后 圖 金相組織 仍將是合金生產中主要的功能材料之一， 有著較廣 闊的應用前景。 參考文獻 蘭曄峰 ，朱正峰 鋁合金用中間合金及其現(xiàn)狀 輕金屬 ，（

18、） ： 高澤生 鋁晶粒細化機理研究進展 輕合金加工技術 ，（） ： ，（） ： 傅高升 ，孫峰山 ，王連登 ， 等 中間合金對鋁合金細化處理的現(xiàn)狀分析與探索 特種鑄造及有色合金 ，（） ： ， ， 任俊 ，陶欽貴 ，馬穎 中間合金鋁晶粒細化劑 的研究 鑄造技術 ，（） ： 謝優(yōu)華 ，楊守杰 ，戴圣龍 ， 等 鋯元素在鋁合金中的應用 航空材料學報 ，（） ： 歐玲 ，王生朝 晶粒細化劑的研究進展及發(fā)展趨勢 輕金屬 ，（） ： 姜兆夢 ，蘭民國 ，高澤生 合金變質處理的研究和應用 輕合金加工技術 ，（） ： 王家埥 金屬的凝固即控制 北京 ： 機械工業(yè)出版社 ， 程仁菊 ，潘復生 ，王維青 中間合金