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在铸铁中加入一定量的某些合金元素，可以得到在一些介质中有较高耐蚀性的合金铸铁。高硅铸铁就是其中应用最广泛的一种。含硅10%～16%的一系列合金铸铁称为高硅铸铁。[1]
高硅铸铁概述
在铸铁中加入一定量的某些合金元素，可以得到在一些介质
中有较高耐蚀性的合金铸铁。高硅铸铁就是其中应用最广泛的一种。含硅10%～16%的一系列合金铸铁称为高硅铸铁，其中除少数品种含硅量在10%～12%以外，一般含硅量都在14%～16%。当含硅量小于14.5%时，力学性能可以改善，但耐蚀性能则大大下降。如果含硅量达到18%以上时，虽然耐蚀，但合金变得很脆，以致不适用于铸造了。因此，工业上应用最广泛的是含硅14.5%～15%的高硅铸铁。[1]
高硅铸铁的国外商品名为Duriron，Durichlor（含钼），化学成分如下表所示。
主要化学成分，%
0.50～0.56
含钼高硅铸铁
高硅铸铁性能
高硅铸铁耐蚀性能
含硅量达14%以上的高硅铸铁之所以具有良好的耐蚀性，是因为硅在表面形成一层由
组成的保护膜，如果介质能破坏
膜，则高硅铸铁在这种介质中就不耐蚀。
一般地说，高硅铸铁在氧化性介质及某些还原性酸中具有优良的耐蚀性，它能耐各种温度和浓度的硝酸、硫酸、醋酸、常温下的盐酸、脂肪酸及其他许多介质的腐蚀。它不耐高温盐酸、亚硫酸、氢氟酸、卤素、苛性碱溶液和熔融碱等介质的腐蚀。不耐蚀的原因是由于表面的
保护膜在苛性碱作用下，形成了可溶性的
，在氢氟酸作用下形成了气态
等而使保护膜破坏。
高硅铸铁力学性能
高硅铸铁性质为硬而脆，力学性能差，应避免承受冲击力，不能用于制造压力容器。铸件一般不能采用除磨削以外的机械加工。
高硅铸铁机械加工性能
在高硅铸铁中加入一些合金元素，可以改善它的机械加工性能。在含15%硅的高硅铸铁中加入稀土镁合金，可以起净化除气的作用，并改善铸铁基体组织，使石墨球化，从而提高了铸铁的强度、耐蚀性能及加工性能；对铸造性能也有所改善。这种高硅铸铁除可以磨削加工以外，在一定条件下还可车削、攻丝、钻孔，并可补焊，但仍不宜骤冷骤热；它的耐蚀性能比普通高硅铸铁好，适应的介质基本相近。
在含硅13.5%～15%的高硅铸铁中加入6.5%～8.5%的铜可改善机械加工性能，耐蚀性与普通高硅铸铁相近，但在硝酸中较差。此种材料适宜制作耐强腐蚀性及耐磨损的泵叶轮和轴套等。也可用降低含硅量、另外加合金元素的方法来改善机械加工性能。在含硅10%～12%的硅铸铁(称为中硅铁)中加入铬、铜和稀土元素等，可改善它的脆性及加工性能。能够对它进行车削、钻孔、攻丝等，而且在许多介质中，耐蚀性仍接近于高硅铸铁。
在含硅量为10%～11%的中硅铸铁中，再外加1%~2.5%的钼、1.8%～2.0%铜和0.35%稀土元素等，机械加工性能有所改善，可车削，耐蚀性与高硅铸铁相近似。实践证明，这种铸铁用作硝酸生产中的稀硝酸泵叶轮及氯气干燥用的硫酸循环泵叶轮，效果都很好。
以上所述的这些高硅铸铁，耐盐酸的腐蚀性能都不好，一般只有在常温低浓度的盐酸中才能耐蚀。为了提高高硅铸铁在盐酸(特别是热盐酸)中的耐蚀性，可增加钼的含量，如在含硅量为14%～16%的高硅铸铁中加入3%～4%的钼得到含钼高硅铸铁，会使铸件在盐酸作用下表面形成氯氧化钼保护膜，它不溶于盐酸，从而显著地增加了高温下抗盐酸腐蚀的能力，在其他介质中耐蚀性保持不变，这种高硅铸铁又称抗氯铸铁。[1]
高硅铸铁高硅铸铁加工
高硅铸铁具有硬度高(HRC=45)，耐腐蚀性能良好的优点，在化工生产中已用作机械密封摩擦副的材料。由于铸铁含硅量达14～16%，硬度高而且脆性大，在制造上存在某些困难，但是，通过不断实践，证明高硅铸铁在一定的条件下，还是可以进行机械加工的。
高硅铸铁在车床上加工，主轴转速控制在70~80转/分，走刀量0.01毫米。粗车之前要把铸造棱边磨去，粗车的进刀量一般工件最大1.5～2毫米。
车刀刀头材料YG3，刀秆材料用工具钢。
进刀方向为反向，因高硅铸铁脆性大，按一般材料由外向里进刀，最后在边棱处要碎角掉边，致使工件报废。根据实践采用反向走刀，可以避免碎角掉边现象，最后光刀切削量要小。
由于高硅铸铁硬度高，车刀主切削刃不同于一般车刀，如右
图所示。图中三种车刀负前角
，车刀的主切削刃与副切削刃按不同用途有不同的角度。图a为内外圆车刀，主偏角A=10°，副偏角B=30°。图b为端面车刀，主偏角A=39°，副偏角B=6°。图C为斜面车刀，主偏角=6°。
高硅铸铁钻孔一般在镗床上加工，主轴转速25～30转/分，进刀量0.09~0.13毫米，如钻孔直径为18~20毫米时，用硬度较高的工具钢磨出螺旋槽(槽不宜过深)，钻头头部嵌一块YG3硬质合金，磨成钻一般材料的角度，可直接进行钻孔。如钻20毫米以上的孔时，可先钻18～20孔后，再制作一个按所需要尺寸的钻头，钻头头部嵌两块硬质合金(材料用YG3)，再磨成半圆形进行扩孔或用军刀进行车削。[2]
高硅铸铁应用
由于高硅铸铁耐酸的腐蚀性能优越，已广泛用于化工防腐蚀，最典型的牌号是STSil5，主要用于制造耐酸离心泵、管道、塔器、热交换器、容器、阀件和旋塞等。
总地来说，高硅铸铁质脆，所以安装、维修、使用时都必须十分注意。安装时不能用铁锤敲打；装配必须准确，避免局部应力集中现象；操作时严禁温差剧变，或局部受热，特别是开停车或清洗时升温和降温速度必须缓慢；不宜用作受压设备。[1]
它可制成各种耐蚀离心泵，纳氏真空泵、旋塞、阀门，异型管和管接头，管道，文丘里臂、旋风分离器、脱硝塔和漂白塔、浓缩炉和预洗机等。在浓硝酸生产中，作提馏塔使用时硝酸温度高这115～170℃。浓硝酸离心泵所处理的硝酸浓度高达98%。作硫酸和硝酸混酸的换热器、填料塔，使用情况良好。炼油生产中汽油部分加热炉，三醋酸纤维生产中醋酸醋酐蒸馏塔、苯蒸馏塔，冰醋酸生产和液硫酸生产中的酸泵，以及各种酸或盐溶液泵和旋塞等，均有用高硅铸铁的。
高硅铜铸铁(GT合金)能耐碱及硫酸腐蚀，但不耐硝酸腐蚀。耐碱性比铝铸铁好，耐磨性高，可用作强腐蚀性并有晶浆磨损的泵、叶轮及轴套等。[3]
徐晓刚．化工腐蚀与防护：中国石化出版社，2009-06
上海化学、工业设计院石油、化工设备设计建设组组织．机械密封：燃料化学工业出版社，1974年05月
化学工业部化工机械研究院．腐蚀与防护手册耐蚀金属材料及防蚀技术：化学工业出版社，1990年08月
本词条内容贡献者为高导热低膨胀高硅铝合金的压铸成形组织及性能
吴树森，刘金，熊歆晨，吕书林
（1．中兴通讯股份有限公司，广东深圳哗中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074）
摘要：封装基板等电子元器件要求材料同时具有高导热性和低膨胀性。本文研究了压铸成形对所开发的高导热低膨胀高硅铝合金(Al-20SiAEu-Mg)组织、力学性能和热物理性能的影响。结果表明：与传统重力铸造相比，压铸成形的共晶硅相更细化，合金组织更佳均匀，铸态抗拉强度提高至192.4MPa，在25-150 ℃ 区间内，平均热膨胀系数为17.05 × 10(-6)C(-1)，下降约3.54％，而平均热导率提高到146 w/(m·K)，平均提升约17.5％。
关键词：高硅铝合金; 压铸成形; 抗拉强度;热物理性能
高硅含量（18％-26％）的过共晶Al-Si合金，具有密度低、强度高、耐磨性好、优良的抗腐蚀性能和低廉的成本等优点，不仅可用来制造汽车活塞和刹车盘等零件，还可替代灰铸铁，应用于发动机缸体缸盖和排气管等。同时，铝基体良好的导热性能（入=236W/（m·K)）和第二相硅极低的热膨胀系数（ɑ：4.2 × 10(-6)·K（-1）)，均表明高硅铝合金可用于制备电子产品外壳、功放底板和散热基板等电子封装产品。过去通常采用Al-Mg-Si系变形铝合金来生产这类零部件，利用挤压或轧制成板材，通过机加工成所需零部件，整个工艺流程周期长，效率低，成本高，越来越难以满足大批量的生产要求.
压力铸造是在高压作用下，使金属熔体以较高的速度充填压铸模具型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的技术，具有很高的生产效率，易于实现薄壁铸件的良好充型，能够制造形状复杂、轮廓清晰的中小型铸件，得到的铸件具有晶粒细小、组织均匀、尺寸精度高、力学性能好等优点。
然而，J. K. Chen等【5．6】指出，压铸成形得到的Al-Si-Cu/Fe/Zn亚共晶铝硅合金，其热导率比重力铸造下降低约16.6-32.6w/ (m·K)，这是由于硅相的尺寸发生了变化，且压铸过程会导致较高的孔隙率。Choi等也认为，提高合金凝固时的冷却速率，会导致Al-9. 7Si-0.7Cu-0.4Mg合金的热导率下降。
因此，本文基于前期制备的Al-20Si-Cu-Mg合金，探究了压力铸造对高导热低膨胀高硅铝合金组织及性能的影响。
2实验材料与方法
本实验所用原材料为：A00号纯铝（99.8％，质量分数，下同），纯铜（99.99％），纯镁（99.99％），Al-24.5%Si中间合金，配制成Al-20%Si-Cu-Mg合金.
熔炼设备为坩埚电阻炉，压铸设备为卧式冷室压铸机。在电阻炉内于830-840 ℃加热熔化纯Al、Al-24.5Si中间合金及纯Mg，经精炼扒渣，进行p变质处理，保温一定时间后，重力浇注到预热温度为200 ℃的铸铁拉伸试样模具中，试棒尺寸如图1a所示。如果是压铸成形，则利用630吨卧式冷室压铸机普通压铸条件下压铸成284x48x5mm的板件（厚度5mm），示意图如图1b所示。
重力铸造试棒真接测试拉伸性能：压铸试样从压铸板件上线切割出板状拉伸试样，厚度保持5mm。在AG-IC100kN材料万能试验机上进行抗拉强度及伸长率的测量。分别在两种试样的合适部位取样，经磨样、抛光和腐蚀后，在Axiovert 200MAT金相显微镜上进行观察。在LEA-427型号激光导热分析仪上测量热导率。 在DIL402C设备上测定材料的热膨胀系数。 用 XRD-7000X射线衍射仪对合金粉末进行物相分析。
3结果与讨论
3.1成形工艺对合金材料组织和力学性能的影响
图2 不同铸造方式下合金的金相组织 (a) 重力铸造 (b) 压力铸造
图2所示为在两种成形工艺下合金材料的金相组织。 在经过P变质之后，两种成形工艺下合金组织中的初晶硅尺寸均不足30um, 平均晶粒尺寸约为25 um且相差不大 ，初晶硅形貌较为圆润，内部无明显空洞，颗粒分布也较为均匀：而压铸工艺对共晶硅的形貌有十分显著的影响，左图中重力铸造试样共晶硅相为针状相或短杆状，但在压铸成形中（图2b），共晶硅相呈成细小颗粒，分布于晶界。
表1为不同铸造方式下高硅铝合金的力学性能。可以看出，压铸成形后合金材料的抗拉强度得到提升，而伸长率略有所下降，原因也正是压铸成形对合金材料微观组织形貌的改善作用，特别是共晶硅的形貌，而伸长率有所下降，则可能是由于压铸快速充型过程中卷气导致铸件内部缺陷等原因。
3.2成形工艺对合金材料热膨胀性能的影响
图3所示为两种铸造方式下合金的热膨胀系数(CTE)曲线。由图中曲线可以明显看出，随着温度的升高，两者表现出相似的规律，即：在较低温度下，热膨胀系数随温度升高呈线性增加，且增加速率较快：而随着温度继续升高，热膨胀系数增加的幅度有所下降。
对上述变化趋势的解释是，在接近室温的时候，合金的基体变形程度不大，未超过弹性限度，因此，整体的热膨胀行为表现为基体和增强相的协同作用，故热膨胀系数可认为是均匀增长；而当温度上升比较明显时，由于两相热膨胀系数的差异，Al基体不仅发生了弹性变形，还有一部分塑性变形，此时，基体中分布着的硬质Si相则会阻碍基体的膨胀行为，因此热膨胀系数增长放缓。
己有文献指出[8]，随着温度升高，Al基体晶格膨胀，热膨胀系数变大。但温度升高，Si在Al 中的固溶度也会增加，更多的Si原子进入基体中形成间隙固溶体，由于Si原子的半径较小，因此会导致a -Al的晶格常数减小，从而减缓了热膨胀系数的增长趋势。此外，在常温下，合金材料各质点均在平衡位置振动，同时存在着斥力与引力，随着升温的过程，基体中质点的振动幅度变大，质点所受应力会由拉应力转变为压应力，热膨胀行为也因此受到限制。因此，虽然高温下热膨胀系数依然增加，但上升幅度逐渐放缓。
同时也可以看出，压铸成形下合金材料的热膨胀系数有所下降，在25-150 ℃区间内，其平均热膨胀系从重力铸造的17.68× 10（-6）℃（-1）减小到压力铸造下的17.05× 10（-6）℃（-1）'，下降约3．54％。究其原因，纯Si 的热膨胀系数仅为 4.2× 10（-6）℃（-1）在受热膨胀时变形程度小，在Al 基体中充当硬质点，抵抗合金的热膨胀行为，虽然一般认为初晶相的尺寸、分布和形貌是主导因素，但共晶硅相的存在也起到不可忽视作用，图2 (b) 中共晶硅分布更加弥散， 将 ɑ-Al 基体分隔得更加明显 ， 使其在热膨胀过程中受到更大的阻力。
3.3成形工艺对合金材料导热性能的影响
在实际测量中，利用激光导热分析仪测出的是热扩散率a利用以下关系式来计算材料的辅热率λ=aρC
式中：a表示合金材料的热扩散率 ， ρ表示合金材料的密度，C表示合金材料的比热容。两种铸造方式下合金的热导率曲线如图4所示。
图4可以看出 ，合金材料热导率随温度升高而逐渐下降， 在25 ℃-150 ℃区间 ，合金重力铸态下的热导率不超过126 w/ (m·K)，而在压铸成形条件下，合金的热导率最高达到150 w/ (m· K) 左右，整体提升了约16-24 w/ (mo K),各温度下热导率平均升高约17.5％。
热传导的过程实质是材料内部能量传递的过程。在固体材料中，能量传递的载体主要是自由电子及声子（晶格振动的格波）。即导热系数可以写成
λ=λa+λb
式中，ρe表示电子热导率，ρa表示声子热导率。
由于金属材料中自由电子占主导地位，因此人们在研究时发现一个引人注目的规律：在一定温度下，金属材料的热导率与电导率之比值λ/ 0几乎相同，且不随金属的不同而改变。此规律被称为魏德曼一弗兰兹(widemann-franz)定律此比例系数被称为洛伦兹常数L即
合金材料中，同时存在着两种传热方式，其中基体金属主要以电子导热的方式传热，如果第二相为非金属元素，则还有一定程度的声子导热的存在。
图4的结果似乎与某些文献的结果不一致，即通常凝固速度快时热导率会下降，压铸成形的冷却速度一般比重力铸造快，晶粒细小。一般认为冷却速度快使热导率降低的原因有：一是微观组织晶粒细小，使得晶界面积增大，电子和声子在运动中更容易被散热，不利于热量的传递：再者，Si原子小于Al原子，两者间形成间隙固溶体，会破坏原来的晶格完整，使晶格常数下降，而晶格畸变的程度则会影响电子通过和声子传导的难度，畸变程度越高，热传导过程就越难。
根据图4的结果，压铸合金比重力铸造的热导率高的原因可以解释为，一是本研宄的合金成分为高硅铝合金，与文献的亚共晶铝合金的成分差别较大。压铸成形时过共晶铝硅合金的初晶Si更细小，减小了初晶Si对热传导的不利影响。二是该合金在压铸成形时与重力铸造的晶格常数差别很小。
图5所示为两种成形工艺下合金的x-ray衍射图。由布拉格方程：2dsinθ=nλ。x射线的波长不变，当θ角向右偏移时，sinθ值变大，因此晶面间距d的值减小，即晶格常数变小。由图5可知，相比重力铸造而言，压力铸造的Al基体x-ray衍射的主峰几乎重合，发生了向右很小幅度的偏移，即晶格常数变化很小。这主要是因为压铸成形板厚5mm，与重力铸造试样的直径mm相差并不大，其 冷却速度并未相差特别大。实际生产中，为了减弱过饱和固溶原子的影响，可以考虑采取适当的人工时效热处理。
第三个因素可能是杂质元素的差别。用直读光谱仪测量发现，在两次实验过程中，两种铸件中杂质Fe含量有不小差别，重力铸造时使用了铸铁坩埚等原因，合金中Fe含量达0.404％，而压铸时熔化采用的是石墨坩埚 ，合金Fe含量仅为0.170％， 据文献报道，过渡族元素对合金热导率的负面影响极其严重。因此在重力铸造时杂质元素的消极作用不容忽视。
（1）高导热低膨胀高硅铝合金通过压铸成形时，共晶硅比重力铸造成形时明显细化，抗拉强度提升至1192.4MPa，而塑性略有下降。
（2）合金材料在较低温度下，热膨胀数随温度升高呈线性增加，且增加速率较快；而随着温度继续升高，热膨胀系数增加的幅度有所下降。压铸成形的平均热膨胀系数为17.05 × 10（-6）℃ -1，比重力铸造下降约3.54％。
（3）压铸成形合金的平均热导率提高到146 w/(m·K)，平均提升约17.5％。
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