變質處理就是向金屬液體中加入一些細小的形核劑（又稱為孕育劑或變質劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工製造的非自發晶核，從而獲得細小的鑄造晶粒，達到提高材料性能的目的。變質處理是工業生產中廣泛使用的方法。
基本介紹
- 中文名：變質處理
- 外文名：modification
- 本質：金屬液體中加入一些細小的變質劑
- 套用領域：冶金
- 常用變質劑：形核變質劑和吸附變質劑
- 目的：提高材料性能
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常用變質劑
變質處理是在金屬液中添加少量活性物質，促進液體金屬內部形核或改變晶體成長過程的一種方法。生產中常用的變質劑有形核變質劑和吸附變質劑。
形核變質劑
形核變質劑的作用機理是在鋁熔體中加入能夠產生非自發晶核的物質，使其在凝固過程中通過異質形核而達到細化晶粒的目的。
1、對形核變質劑的要求
要求加入的變質劑或其與鋁反應生成的化合物具有以下特點：晶格結構和晶格常數與被變質熔體相適應；穩定；熔點高；在鋁熔體中分散度高，能均勻分布在熔體中；不污染鋁合金熔體。
2、形核變質劑的種類
變形鋁合金一般選含Ti、Zr、B、C等元素的化合物作為晶粒細化劑，其化合物特徵見下圖。
變形鋁合金使用的晶粒細化劑的物理特徵3、變質劑的加入方式
（1）以化合物形式加入，如K2TiF6、KBF4、K2ZrF6、TiCl4、BCl3等。經過化學反應，被置換出來的Ti、Zr、B等，重新化合而形成非自發晶核。這些方法雖然簡單，但效果不理想。反應中生成的浮渣影響熔體質量，同時再次生成的TiCl3、KB2、ZrAl3等質點易聚集，影響細化效果。
（2）以中間合金形式加人。目前工業用細化劑大多以中間合金形式加入，如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-RE等。
4、影響細化效果的因素
（1）細化劑的種類。細化劑不同，細化效果也不同。
（2）細化劑的用量。一般來說，細化劑加入越多，細化效果越好。但細化劑加入過多易使熔體中金屬間化合物增多並聚集，影響熔體質量。因此在滿足晶粒度的前提下，雜質元素加入得越少越好。
（3）細化劑質量。細化質點的尺寸、形狀和分布是影響細化效果的重要因素。質點尺寸小，比表面積小（以點狀、球狀最佳），在熔體中彌散分布，則細化效果好。以TiAl3為例，塊狀TiAI3，比針狀TiAI3細化效果好，這是因為塊狀TiAI3有三個面面向熔體，形核率高。
（4）細化劑添加時機。TiAI3質點在加入熔體中10min時效果最好，40min後細化效果減退。TiB2質點的聚集傾向隨時間的延長而加大。TiC質點隨時間延長易分解。因此，細化劑最好鑄造前線上加入。
（5）細化劑加入時熔體溫度。隨著溫度的提高，TiAI3逐漸溶解，細化效果降低。
吸附變質劑
吸附變質劑的特點是熔點低，能顯著降低合金的液相線溫度，原子半徑大，在合金中固溶量小，在晶體生長時富集在相界面上，阻礙晶體長大，又能形成較大的成分過冷，使晶體分枝形成細的縮頸而易於熔斷，促進晶體的游離和晶核的增加。其缺點是由於存在於枝晶和晶界間，常引起熱脆。吸附性變質劑常有以下幾種。
1、含鈉變質劑
鈉是變質共晶矽最有效的變質劑，生產中可以鈉鹽或純金屬（但以純金屬形式加入時可能分布不均，生產中很少採用）形式加入。鈉混合鹽組成為NaF、NaCI、Na3AIF。等，變質過程中只有NaF起作用，其反應如下：
6NaF+Al→Na3AIF6+3Na
加入混合鹽的目的，一方面是降低混合物的熔點（Na熔點為992℃），提高變質速度和效果；另一方面對熔體中鈉進行熔劑化保護，防止鈉的燒損。熔體中鈉質量分數一般控制在0.01%~0.01400，考慮到實際生產條件下不是所有的NaF都參與反應，因此計算時鈉的質量分數可適當提高，但一般不應超過0.02%。
使用鈉鹽變質時，存在以下缺點：鈉含量不易控制，量少易出現變質不足，量多可能出現過變質（惡化合金性能，夾渣傾向大，嚴重時惡化鑄錠組織）；鈉變質有效時間短，要加保護性措施（如合金化保護、熔劑保護等）；變質後爐內殘餘鈉對隨後生產合金的影響很大，造成熔體黏度大，增加合金的裂紋和拉裂傾向，尤其對高鎂合金的鈉脆影響更大；NaF有毒，影響操作者健康。
2、含鍶（Sr）變質劑
含鍶變質劑有鋁鹽和中間合金兩種。鍶鹽的變質效果受熔體溫度和鑄造時間影響大，套用很少。目前國內套用較多的是Al-Sr中間合金。與鈉鹽變質劑相比，鍶變質劑無毒，具有長效性，它不僅細化初晶矽，還有細化共晶矽團的作用，對爐子污染小。但使用含鍶變質劑時，鍶燒損大，要加含鍶鹽類熔劑保護，同時合金加入鍶後吸氣傾向增加，易造成最終製品氣孔缺陷。
鍶的加入量受下面各因素影響很大：熔劑化保護程度好，鍶燒損小，鍶的加入量少；鑄件規格小，鍶的加入量少；鑄造時間短，鍶燒損小，加入量少；冷卻速度大，鍶的加入量少。生產中鍶的加入量應由試驗確定。
變質處理工藝
變質處理工藝的關鍵是控制變質溫度、時間、變質劑用量和變質操作方法。
1、變質溫度
對於Na鹽變質劑來講，變質劑和鋁熔體接觸後，產生下列反應：
6NaF+AI→Na3AlF6+3Na
Na進入鋁熔體中起變質作用。一方面，變質溫度越高，越有利於反應的進行，Na的回收率越高，變質速度越快；另一方面，過高的變質溫度浪費燃料和工時，增加鋁熔體的氧化和吸氣，使合金熔體滲鐵，降低坩堝的使用壽命，而且高溫下鈉容易揮發和氧化。因此，變質溫度選在稍高於澆注溫度為宜。
2、變質時間
變質時間取決於變質溫度，變質溫度越高，變質時間則越短。當採用壓鹽和切鹽法時，變質時間一般由兩部分組成，覆蓋時間為10～12min，壓鹽時間為3～5min。
3、變質劑用量
變質劑用量可參考下圖：
變質元素的加入量和殘留量4、變質操作方法
對Na鹽變質劑來講，精煉後扒去鋁合金熔體表面上的氧化皮和熔渣，均勻地撒上一層粉狀變質劑，並在此溫度下保持10～12min。與鋁熔體直接接觸的那一層變質劑在高溫作用下燒結成一層硬殼或變為液體。保持10～12min後，用壓瓢將變質劑輕輕地壓人鋁合金熔體中深約100～150mm處，經過3～5min，即可取樣檢測變質效果。如果採用切鹽法，則先將已燒結成硬殼的變質劑在合金熔體表面上切成碎塊，然後將碎塊一起壓入熔體中，直至出現變質效果為止。如果採用攪拌法，可將粉末狀變質劑加入鋁熔體中，進行攪拌，一邊加入變質劑，一邊攪拌，直至出現變質效果為止。
