微量元素通常是指在鋁合金材料中所占比例小于1%的過渡族元素，當然，某組元在某合金中是主要組元，但在另一類合金中則可能成為微量元素或者雜質(zhì)。人們通常會忽略微量元素對材料的影響。正常情況下微量元素也不會在合金材料中起到破壞作用，但是，當零部件企業(yè)所用鋁合金材料來源為再生鋁合金鑄錠時，微量元素就是不可忽視的因素了，無論微量程度如何，它都存在于合金鑄錠中，由于它的存在，也必然會給鑄件帶來影響。
微量元素與再生鋁合金鑄錠的關(guān)系
再生鋁合金鑄錠的原料基礎(chǔ)與鋁合金鑄錠的原料基礎(chǔ)有著很大的區(qū)別，因為前者的原料來源于廢舊回收鋁，它的基底原料是已經(jīng)合金化后，各種微量元素已經(jīng)存在其中了，而后者來源于原鋁，它的基底原料為純鋁不含其他合金元素，因此，當再生鋁合金鑄錠作為零部件企業(yè)的原料時，在微量元素的限制與添加比例上一成不變的參照原有鑄造鋁合金標準顯然不適用了。
因為報廢的原材料中含有大量的多種金屬和非金屬以及雜質(zhì)，特別是近些年來交通用鋁、通用機械的迅猛發(fā)展，終端市場對鑄造鋁合金零部件的設(shè)計優(yōu)化和合金強化的多樣性，造成了供給側(cè)的廢料變化增快，廢料中所含的各種合金元 素的多樣性、復雜性和變化性是再生鋁合金原料的一大特點，再生鋁合金原料的不可預估性，對鑄件所需材料基底的連續(xù)性以及許多無法估計的缺陷誘發(fā)因素都存在著不同程度的影響。當再生鋁合金鑄錠作為原料時，不太起眼的所謂微量元素的影響力不僅存在，而且危害還有可能是巨大的。
我過去接觸了很多類似的案例，下游企業(yè)常常因為這些微量元素的原因，造成產(chǎn)品缺陷和不可預估的損失。很多時候零件鑄造加工企業(yè)在同等工藝下批量報廢，卻苦苦找不到原因，有不了了之的，也有找再生鋁合金鑄錠企業(yè)扯皮的。要求賠償?shù)模素浀牡鹊取２榭磁铺栐貥藴剩鞣N元素都在范圍內(nèi)。但是，恰恰這里有一個不為人知的一個很大的認知誤區(qū)—微量元素。
我們現(xiàn)行的鋁合金材料標準里元素質(zhì)量分數(shù)的確定，都是在以原生鋁為基底的基礎(chǔ)上，通過計算并且經(jīng)過大量的試驗得出的合金材料的元素含量與材料性能，換句話說就是基底材質(zhì)是比較純凈的，在此基礎(chǔ)上得出的相關(guān)數(shù)據(jù)，與合金化后的廢鋁作為基底的材質(zhì)相比，是完全不能等同的。所以，鑄件企業(yè)在以后的加工過程中鑄 件發(fā)生任何變化都有可能了，因此，微量元素的控制在再生鋁合金鑄錠中的添加及比例控制就 顯得相當重要了。再生鋁合金鑄錠企業(yè)的原料在不斷地發(fā)生變化，對原有鑄造鋁合金標準中微量元素的限制提出了新的挑戰(zhàn)，也顯現(xiàn)了材料實際運用與標準的不適用性。
微量元素的利弊
為使基礎(chǔ)原料符合下游產(chǎn)品性能要求的，有必要搞清楚微量元素在再生鋁合金原料中的利與弊。再生鋁合金鑄錠中常見的微量元素的添加與比例控制對鑄件的品質(zhì)和性能都有些什么影響。
1.錫（Sn ）
錫的熔點為231 度，錫不僅怕冷，而且怕熱。在 161℃以上，白錫又轉(zhuǎn)變成具有斜方晶系的晶 體結(jié)構(gòu)的斜方錫。斜方錫很脆，一敲就碎，延展 性很差，又稱作"脆錫"。白錫、灰錫、脆錫，是 錫的三種同素異形體。
錫在合金材料中固溶度極低(＜0.01%），錫和鋁不形成化合物，以游離態(tài)存在于合金中，沉淀于鋁的等軸晶晶界，結(jié)晶范圍寬導致非平衡結(jié)晶，由于和鋁的熔點差，鑄造時往往不能快速冷卻，會造成枝晶間距偏大，鑄造中和鋁硅共晶體形成凝固偏析和比重偏析。
過量的錫元素在產(chǎn)品壓鑄中常出現(xiàn)以下現(xiàn)象：①脫模困難，產(chǎn)品裂紋，變形。②由于 161℃ 時，該元素晶系偏轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，表現(xiàn)為零件在取件時顯脆性，流道和澆冒口自行脫落，幾乎沒有塑性，即使勉強成型后在裝機使用中都會 出現(xiàn)熱膨脹率大，造成零件特別是箱體零件的冷裂，密封性不好的缺陷。
鑒于以上原因，根據(jù)筆者多年的鋁合金鑄造 實踐經(jīng)驗，建議壓鑄或者重鑄的產(chǎn)品，都應將錫 元素含量控制在 0.01%以下。
2.鋰（Li ）
鋰的熔點 180.54℃，密度 0.534 克/厘米3。在 500℃左右容易與鋁液里的氫發(fā)生反應，生成氫 氧化鋰，當鑄錠呈液態(tài)時，經(jīng)常表現(xiàn)為，錠表面 好像覆蓋了一層厚厚的不透明膜，用挑皮鏟刮開 馬上又有，始終刮不盡。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,由于鋰的原子半徑 很小，比起其他的堿金屬，壓縮性最小，硬度最 大，熔點最高。當溫度處于-117℃前，金屬鋰是 典型的體心立方結(jié)構(gòu)，熔煉中與鋁合金硅鐵形成 塊狀初晶硅和針狀鋁鐵相，顆粒尺寸大而不均 勻，當這些中間相分布在晶界時，形成堅硬的晶 間化合物，另外，熔體凈化時與精煉劑中的鉀、 鈉在室溫下以液態(tài)共存于晶界并萌生裂紋。
過量鋰元素產(chǎn)生的有害物質(zhì)富集于晶界，降 低了晶粒之間的結(jié)合能，降低了合金密度，使得 壓鑄零件產(chǎn)生冷裂紋，形成氣密性和水密性不良 的鑄件缺陷，根據(jù)筆者多年的反復試驗和實踐經(jīng) 驗，建議在鋁硅系鑄造合金中鋰元素的含量控制 在 0.001%以下。
3.鈣（Ca ）
鈣的熔點 839±2℃。密度 1.54 克/厘米3。屬于堿土金屬，在元素周期表位于第 4 周期、第 IIA 族。鈣在鋁中固溶度極低，與鋁形成 CaAl 4 化合 物，在變形鋁合金中 0.1～0.2%的鈣，可以改善 材料的導電性與加工性能。但在鑄造鋁硅系合金 中，與硅形成硅鈣化合物，鑄錠表現(xiàn)為顏色發(fā)暗 無光澤，鑄錠表面有明顯的褐色氧化膜堆積團， 很多時候被誤認為是渣。當壓鑄前重熔時，鋁液 表面浮現(xiàn)一層黑褐色泡沫狀表皮。鑄錠凝固過程 中，加快了片狀硅的生長速度，熱處理可割裂固 溶體強化相。
含鈣高的合金錠材料能使鑄造零件塑性降 低，特別是低壓或砂型鑄造鑄造后需熱處理的零 件，表現(xiàn)為淬火厚薄差過渡帶和零件倒角處，開 裂的現(xiàn)象尤為明顯，建議在鋁硅系合金鑄錠中鈣 元素的含量限制在 0.003%以下。
4.鍶（Sr）
鍶為堿土金屬，表面活性元素，在結(jié)晶學上 鍶具有改變金屬間化合物相的作用。因此，用鍶 元素進行變質(zhì)處理能改善合金的塑性、加工性和 產(chǎn)品質(zhì)量。
由于鍶的變質(zhì)有效時間長、效果和再現(xiàn)性好 等優(yōu)點，近年來在 Al-Si 鑄造合金中取代了鈉的 使用。
在擠壓材用鋁合金中加入 0.015%～0.03% 鍶，使鑄棒中 β-AlFeSi 相變成漢字形 α-AlFeSi 相，鑄棒均勻化時間減少 60%～70%，提高了材 料力學性能和塑性加工性，改善了制品表面粗糙 度。對于共晶型（10%～13%）的鋁合金中加入 0.02%～0.07%（實踐中 0.08%）的鍶元素作變質(zhì) 處理，可形成細小的、彌散的 Al 2 Sr、Al 4 Sr 彌散 相，可抑制合金的再結(jié)晶和晶粒長大，抑制片狀 硅的生長速度，使初晶硅量減少至最低限度，力 學性能也顯著提高，材料抗拉強度和屈服強度都 有所提高，延伸率也有所增加。在過共晶 Al-Si 合金中加入鍶，能在一定程度上減小初晶硅粒子 尺寸，改善塑性加工性能。近些年來新開發(fā)的時 效鋁合金，尤其是 Al-Li 系合金中加入該元素， A1 2 Sr 作為 δ 相的形核位置，可以加速時效進程。
5.鈧（Sc ）
鈧對鋁合金的組織和性能影響是近年來的 熱門研究課題。鋁合金中加入鈧后，會在固溶或 時效過程中析出與基體共格的彌散相 A1 3 Sc，與A1 3 Zr 有相似的作用，但效果更佳。此外 A1 3 Sc 本身細小均勻，可以細化鑄態(tài)組織，從而改善合 金的焊接性能。
6.鋯（Zr）
鋯是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中 加入量為 0.1%～0.3%，鋯和鋁 形成 Al 3 Zr 化合 物，可阻礙再結(jié)晶過程并細化再結(jié)晶的晶粒。鋯 也能細化鑄造組織，但比鈦的效果要小。有鋯存 在時會降低鈦和硼細化晶粒的效果。
在 Al-Zn-Mg-Cu 系合金中，由于鋯對淬火敏 感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻 和錳細化再結(jié)晶組織。在高鎂（鎂＞2%）的鑄造 鋁硅系合金中加入 0.1～0.2%的鋯，鑄件的強度 和塑性都會提高。為防止這類合金的鈉脆現(xiàn)象， 在精煉劑的選用上最好選用無鈉精煉劑。
7.稀土（RE ）
氯化稀土加入鋁合金中，可與 Fe、Si 等形成 高熔點化合物，從而非自發(fā)形核使晶粒細化。原 子半徑較大的稀土元素對共晶硅有較好的變質(zhì) 作用，能使夾雜相趨于球化。可減少合金中的氣 體和夾雜，還可降低熔體表面張力，增加流動性， 有利于澆注成型。可減小二次枝晶間距，特別是 對于有二次枝晶間距技術(shù)要求的汽車零部件，加 入適量的氯化稀土，對工藝性能有著明顯的影 響，稀土加入量約為 0.05％～0.1％為宜。
8.鈉（Na ）
鈉在鋁中幾乎不溶解，最大固溶度小于 0.0025%，鈉的熔點低（97.8℃）,當合金中存在 鈉時，在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界，熱 加工時，晶界上的鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性 開裂，形成 NaAlSi 化合物。無游離鈉存在時， 則不產(chǎn)生“鈉脆”。
合金中當鎂含量較高時，鎂奪取硅，析出游 離鈉，產(chǎn)生“鈉脆”。因此高鎂鋁合金鑄錠不允許 使用鈉鹽熔劑。氯化法可防止“鈉脆”，該方法使 鈉形成 NaCl 排入渣中。也可加鉍使之生成 Na 2 Bi 進入金屬基體。加銻生成 Na 3 Sb 或加 入微量的 鈹亦可起到相同的作用。
微量的Na可以誘發(fā)高純A1-Mg合金的高溫 脆性沿晶斷裂，對合金的性能產(chǎn)生十分不利的影 響，前些年由于工業(yè)所應用的合金純度較低，此 問題尚未得到足夠的重視。隨著材料科學的發(fā)展和冶煉技術(shù)水平的不斷提高，雜質(zhì)元素含量對合 金性能產(chǎn)生的影響有了新的認識。Al-Mg 合金在 熱加工時常常會發(fā)生脆性斷裂，與 Na 的有害作 用分不開的。比如乘用車方向盤用的鋁鎂合金 ADT6 和 AIMg 2 Mn，用含鈉的精煉劑精煉和無鈉 的精煉劑精煉，鑄錠在壓鑄中的流動性和鑄件的 成品率就會有很大的差別。
9.鎘（Cd）
鎘在合金中固熔度極微，吸附于晶界，構(gòu)成 眾多的電極電位差，形成較大的微腐蝕電池，能 使合金晶界結(jié)合松弛、粗化（老化），特別是鋅 合金，使其晶間腐蝕變得十分敏感，在溫、濕環(huán) 境中加速了本身的晶間腐蝕，降低了機械性能， 并引起鑄件尺寸變化。
當鋅合金中雜質(zhì)元素鎘含量過高，工件剛壓 鑄成型時，表面質(zhì)量一切正常，但在室溫下存放 一段時間（八周至幾個月）后，表面出現(xiàn)鼓泡。鋁合金中的鎘化合物由于毒性較大，ROHS 指令 中明確為有害物質(zhì)，其含量限制在100PPM以下。
10.鉻（Cr ）
鉻在 Al-Mg-Si 系、Al-Mg-Zn 系、Al-Mg 系 合金中常見的添加元素。當溫度達到 600℃時， 鉻在鋁中的溶解度為 0.8%，室溫時基本上不溶 解。過量的鉻在鑄造鋁合金中可形成比重大于熔 體的(FeMnCr) 3 Si 2 Al 15 。和（CrMn）Al 12 等金屬 間化合物，白色呈沙狀，密度較大。鑄錠重熔過 程中，如遇高溫過燒或鋁液長時間保溫時，常沉 淀于坩堝或爐前熔化爐底部。使接近底部的鋁液 對鑄造成型產(chǎn)品造成多種缺陷。合金中的 Cr 可 阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，對合金有一定的 強化作用，可改善合金韌性，降低應力腐蝕和開 裂敏感性，但會增加淬火敏感性，使陽極氧化膜 呈黃色。
鉻在鋁合金中的添加量一般不超過 0.35%， 并隨合金中過渡元素的增加而降低。六價鉻在歐 盟 ROHS 指令中屬于有害元素，要求零件中含量 小于 1000PPM 以下。而低壓或重鑄的零部件， 一般后續(xù)都是需要熱處理的，所以，合金中鉻含 量最好限制在 0.05%以下。
11.鉛（Pb）
鉛是低熔點合金，與 Al 不形成化合物，在 鑄造凝固過程中最后凝固，存在于晶界處，材料的抗拉強度和耐蝕性有所降低，當鑄錠中含量較 高時，表現(xiàn)為表面氧化加速，特別是在空氣濕度 較大的季節(jié)尤為明顯。但有利于零件的加工切 削。合金作稀土變質(zhì)，可抑制有害影響，在 ROHS 指令中鉛為有害物質(zhì)，其含量應限制在 1000PPM 以下。
結(jié) 論
以上僅圍繞幾種易熔相合金元素，簡述了微量元素與再生鋁鑄造合金錠的關(guān)系與利弊，除此之外，微量元素的影響還與零部件企業(yè)的鑄造形式相關(guān)，在壓力鑄造中，材料基底中的微量元素對鑄件的影響相對較小，對母金屬的純度要求不太高。但在砂型鑄造（S）和低壓鑄造這些補縮能力較弱或者后續(xù)工藝需要進行熱處理的，材料基底中的微量元素對鑄件的影響相對較大，因此，這類零部件加工企業(yè)最好采用基底較為純凈的原料作為母金屬或進行稀土變質(zhì)，形成少量稀土化合物，以減少微量元素對鑄件的危害性從而提高鑄件的性能與產(chǎn)品的成品率。
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