某些元素在铝合金中的含量往往低于百分之一，它们属于过渡金属类别，这类元素有时在一种合金中是关键成分，换个合金就可能变成次要成分，甚至沦为无用物质，人们常常对这类元素的作用视而不见。一般情况下，微量成分不会对合金制品造成损害，然而，如果制造企业采用回收铝锭作为铝合金原料，这些微量成分就变得非常重要了，不论含量多少，它们都存在于铝锭之中，并且必然会对铸件产生作用。

1 微量元素与再生铝合金铸锭的关系

回收铝制铝锭的成分构成与原生铝锭的成分构成存在显著差异，因为前者以废旧铝为起始材料，其基础成分包含已预合金化的多种微量成分，而后者以未合金化的纯铝为起始材料，不含其他合金组分，所以，当回收铝制铝锭作为工业零件的原料时，在微量成分的管控与添加量调整上，完全套用原有铸造铝合金规范显然已不恰当。

废弃材料里混有多种金属和非金属，还有不少杂质，近年来交通用铝和通用机械发展很快，终端市场对铸造铝合金零件的设计和合金强化要求更多样，导致供应方的废料变化速度加快，废料里各种合金元素的多样性、复杂性以及变化情况是再生铝合金原料的主要特征，再生铝合金原料的不确定性，对铸件所需材料基底的稳定性以及许多难以预料的缺陷产生原因都造成了一定程度的影响。使用再生铝合金铸锭为原料时，那些看似微不足道的所谓次要成分的作用不容忽视，其潜在的不良后果甚至可能非常严重。

我之前处理过许多类似情况，下游公司经常因为那些微小的成分差异，导致产品出现瑕疵和难以预料的损失。很多时候，零件铸造公司在相同工艺条件下批量报废，却一直找不到症结所在，有些就此不了了之，有些则向再生铝合金铸锭企业追责。要求赔偿的，要求退货的等等。核对牌号元素规范，各种成分都在标准之内。然而，此处存在一个鲜为人知的显著观念偏差，关乎微量成分。

当前铝合金材料规范中，元素质量分数的测定，是以原生铝作为基础，经过计算和大量实验，确定合金材料元素含量与材料性能的关系，换言之就是基底材料较为纯净，在此条件下获得的相关数据，与以合金化废铝为基质的材质相比，完全无法等同。因此，铸造企业在后续加工环节中铸件出现变动是可能的，所以，再生铝合金锭里微量元素的加入和配比管理变得格外关键了。再生铝合金锭厂所用的材料持续在变，这给原本铸造铝合金规范里对微量成分的约束带来了新的难题，也暴露出材料实际应用与标准之间存在脱节的情况。

2 微量元素的利弊

需要明确的是，为了确保基础材料满足后续产品的性能指标，必须探究微量成分在回收铝材中的利弊关系。回收铝锭里常见的微量成分的掺入量及其调控，会对铸件的品质和性能产生哪些具体作用。

（1 ）锡（Sn ）

锡的熔点在231度，锡对低温和高温都不耐受，当温度超过161摄氏度时，白锡会转变为具有斜方晶系结构的斜方锡，这种斜方锡非常易碎，一敲就碎，而且延展性很差，因此也被称为脆锡，白锡、灰锡、脆锡是锡的三种同素异形体

锡在合金材料里的溶解度非常小，小于百分之一，锡和铝不会生成化合物，以单独状态留在合金里，沉积在铝的等轴晶晶界上，结晶的范围很宽，造成非平衡结晶，因为锡和铝的熔点不一样，铸造的时候通常不能迅速冷却，会导致枝晶的间隔比较大，铸造过程中锡和铝硅共晶体会产生凝固偏析和比重偏析。

锡元素含量过高时，产品在压铸过程中会出现几个问题，脱模变得十分困难，产品容易产生裂纹，并且发生变形现象，该元素在161℃时，其晶格方向会发生偏移，导致结构出现改变，零件在取出时表现出明显的脆性特征，流道和浇冒口会自行脱落，几乎不具备塑性，即便勉强成型，在安装使用后也会显现出热膨胀率过大的问题，这将导致零件特别是箱体类零件出现冷裂现象，同时还会造成密封性能不良的缺陷

因为存在这些因素，经过作者长期的铝合金铸造工作积累，认为采用压铸工艺或者重铸方法制作的产品，必须把锡的成分比例限制在每百份之中低于百分之一。

（2 ）锂（Li ）

锂的熔点为180.54℃，其密度为0.534克每立方厘米，这种金属在接近500摄氏度时，会与铝液体中的氢气发生化学反应，形成氢氧化锂，当铸锭处于液态状态时，经常可以看到锭体表面仿佛蒙上了一层浓密的不透明覆盖物，即便用工具将其刮除，很快又会重新生成，这种覆盖物始终无法彻底清除。

这种现象的出现，源于锂原子体积非常有限，相较于其他同类元素，它的抗压能力最强，坚韧程度最高，并且需要极高温度才能熔化。在零下117摄氏度以下时，金属锂通常呈现为体心立方构造，在熔化阶段与铝合金硅铁反应会生成块状初始硅结晶体和针状铝铁成分，这些成分的颗粒体积大且分布不均，一旦它们散布在晶界位置，便会构成坚硬的晶界化合物，同时，在熔体提纯过程中，精炼剂里的钾和钠在常温下会以液态形式存在于晶界，并诱发裂纹的形成

锂元素过多会形成不良杂质，这些杂质会聚集在晶界处，削弱了颗粒间的连接强度，同时使合金的密度下降，导致压铸件易出现冷裂纹，造成密封性差的问题，包括气密性和水密性都不达标，经过长期多次的实验验证和经验积累，建议铝硅合金里锂的含量要严格控制在0.001%以下。

（3 ）钙（Ca ）

钙的熔点在 839±2度左右，密度为 1.54 克每立方厘米，归类为碱土金属，在元素周期表上处于第四周期、第二主族。钙在铝中的溶解度非常小，能与铝构成 CaAl4 这种化合物，当变形铝合金里含有 0.1～0.2%的钙时，能够提升材料的导电能力，并且优化其加工特性。在铸造铝硅合金时，硅会与钙结合生成硅钙化合物，导致铸锭外观呈现暗淡无光状态，表面会形成明显的褐色氧化膜团块，这种情况常被误认为是杂质残留。在压铸前的重熔阶段，铝液表面会出现一层黑褐色的泡沫状薄膜。铸锭在凝固期间，会促进片状硅的快速生长，而热处理工艺能够破坏固溶体强化相的结构。

高钙成分的合金锭会降低铸造成品的延展性，对于低压或砂型铸造且需要后续加热处理的零件，这种影响尤为突出，特别是在淬火时厚度变化较大的区域以及零件的边缘过渡部位，会出现裂纹，因此建议将铝硅合金锭里钙的含量控制在0.003%以下。

（4 ）锶（Sr

锶属于碱土金属，也是一种表面活性成分，从结晶学角度讲，锶能够影响金属间化合物的相结构。所以，通过锶元素实施变质处理，有助于提升合金的延展性、成型性能以及最终产品的品质。

锶具有蜕变作用持续时间长，作用成效显著且恢复状态佳等长处，近些年，它在 Al-Si 合金铸造中逐渐替代了钠的角色。

在挤压用铝合金里面掺入 0.015%～0.03% 的锶，促使铸棒里的 β-AlFeSi 相转变成字形 α-AlFeSi 相，铸棒的均匀化所需时间缩短了 60%～70%地炉冶炼废铝方法，增强了材料的力学特性和塑性成型能力，同时也让制成品的表面更加平滑。在含有 10%～13% 共晶相的铝合金中掺入 0.02%～0.07%（实际操作中为 0.08%）的锶进行变质处理，能够产生细小的 Al 2 Sr、Al 4 Sr 分布相，可以阻碍合金的再结晶过程和晶粒的粗化，能够减缓片状硅的延伸速度，使初生硅的含量降至极小值，材料的力学特性得到明显改善，其抗拉能力和屈服点均有所增强，延展性也得到提升。在过共晶 Al-Si 合金里面掺入锶，能够稍微降低初晶硅颗粒的体积，从而提升塑性加工的优劣。近年来研制的新型时效铝合金，特别是 Al-Li 系合金，把这种元素加进去，A1 2 Sr 作为 δ 相的成核基地，能够促进时效反应的速率。

（5 ）钪（Sc ）

钪对铝基合金的微观构造及力学特征的作用是近些年备受关注的学术方向。铝基合金掺入钪成分后，会在固溶化或时效处理期间形成与基体相容的细小弥散相Al3Sc，该相与Al3Zr具有相似功效，不过其成效更为显著。不仅如此，Al3Sc自身具备颗粒细小且分布均匀的特点，能够使合金的铸态结构得到优化，进而提升其焊接工艺的优良度。

（6 ）锆（Zr

锆是铝材合金中常用的成分之一。通常情况下，在铝材合金里掺入锆的比重介于百分之零点一至百分之零点三之间。锆与铝会生成一种名为 Al 3 Zr 的化合物，这种化合物能够抑制再次结晶的进程，并且使再次结晶后形成的晶体更加细小。锆同样可以使得铸造成分更加精细，不过它的作用程度不及钛。当锆存在时，会削弱钛以及硼在细化晶体方面的能力。

在 Al-Zn-Mg-Cu 合金体系里，锆对淬火时组织变化的作用弱于铬和锰，所以可以用锆来取代铬和锰，以此改善再结晶后的晶粒形态。对于镁含量超过2%的铸造铝硅合金，掺入0.1到0.2百分比的锆，能够让铸件的抗拉强度和延展性都得到增强。为了规避此类合金可能出现的钠致脆性，在实施精炼工艺时，推荐采用不含钠成分的精炼材料。

（7 ）稀土（RE ）

稀土元素掺入铝镁合金后，能够同铁硅等物质构成熔点很高的化合物，借此非自发方式促成晶粒变细。半径尺寸较大的稀土成分对共晶硅效果显著，有助于使夹杂物呈现球状形态。此举能降低合金内部气体含量及夹杂物体积，亦可减小熔体表面张力，提升其流动性能，从而为铸造过程提供便利。能够缩短再次结晶的间隔距离，尤其是针对那些对再次结晶的间隔距离有特定标准的汽车部件，添加适量的氯化稀土，对制作过程的特性有显著的改变，稀土的添加比例大约在0.05%到0.1%之间最为恰当。

（8 ）钠（Na ）

钠在铝里的溶解度非常有限，最高不超过0.0025个百分点，钠的熔点只有97.8度，当合金里含有钠成分，在冷却成型期间会聚集在枝晶或者晶粒间隙处，经过热处理工艺，晶粒间隙中的钠会变成液态吸附膜，导致材料变得容易断裂，同时会生成NaAlSi这种化学物质。如果合金中没有剩余的钠，那么就不会出现所谓的“钠脆”现象。

高镁铝合金里，镁会取代硅，导致钠分离出来，形成所谓的“钠脆”。所以，含有高镁的合金铸锭不能使用钠盐作为熔剂。氯化处理能避免“钠脆”，它能让钠变成NaCl，并从渣料里排除。或者，可以加入铋，让钠和铋结合成Na2Bi，进入金属主体。加入锑，生成Na3Sb，或者添加少量铍，也能达到同样的效果。

极少量钠能够引发高纯度铝镁合金在高温时发生沿晶脆性断裂，这对合金的属性极为有害，早些时候因为工业上使用的合金纯度不高，这个问题没有受到应有的关注地炉冶炼废铝方法，现在材料科学进步了，冶炼技术也提升了，人们对杂质成分对合金特性造成的作用有了更新的理解。铝镁合金在加热成型过程中容易产生脆性断裂，这种情况与钠元素的负面影响密切相关。例如，用于汽车方向盘的铝镁合金ADT6和AIMg2Mn，在采用含钠的精炼材料进行提纯，以及使用不含钠的精炼材料进行提纯时，铸锭在压铸环节的流动性能和铸件的合格程度会呈现出显著不同。

（9 ）镉（Cd

鎘在合金中的溶解度非常小，会附着在晶界位置，造成很多电势差异，进而形成较强的微小腐蚀单元，导致合金晶界结合力减弱、组织变得粗大（出现老化现象），尤其对锌合金而言，使其沿晶界的腐蚀反应变得特别容易，在温度和湿度较高的环境下会加速自身的沿晶腐蚀，从而削弱了机械强度，并造成铸件尺寸的偏移。

锌合金里镉成分太多的话，零件在高压铸造的时候，表面看起来没什么问题，可是在常温环境下存放一段时间，比如八周或者更久，表面就开始鼓包。铝合金里的镉化合物毒性很强，根据ROHS规定是危险物品，所以含量必须控制在每百万份中低于一百份。

（10 ）铬（Cr ）

铬是 Al-Mg-Si 系、Al-Mg-Zn 系、Al-Mg 系合金中常见的合金化元素之一。在 600℃ 的条件下，铬在铝内的溶解程度达到 0.8%。而在常温状态下，铬几乎完全不溶解于铝。当铸造铝合金中含有过量的铬时，会形成一种密度超过熔体本身的(FeMnCr) 3 Si 2 Al 15 相。这种白色沙状物质，属于（CrMn）Al 12 类金属间化合物，其密度显著偏高。在铸锭重熔环节，倘若遭遇高温过烧状况，或者铝液被长时间静置，它就倾向于沉积在坩埚内壁，抑或是炉前熔化炉的底部区域。这种沉积现象，会致使邻近炉底的铝液，在后续铸造环节中，对成型工件形成诸多不良影响。铬元素在合金成分中能够抑制再结晶的成核与生长，对合金材料起到一定的强化效果，有助于提升合金的韧性，减少应力腐蚀及裂纹的易发性，然而它也会提升材料在淬火过程中的敏感性，导致阳极氧化膜呈现出黄色。

铬在铝合金中的掺入量通常不会超过 0.35%，并且会伴随合金中其他过渡金属成分的增多而减少。六价铬被欧盟 ROHS 指令列为有害物质，规定零件中的含量须低于 1000PPM。而低压铸造或重熔制作的部件，大多需要后续进行热处理工艺，因此合金内铬的浓度以控制在 0.05%以下为佳。

（11 ）铅（Pb

铅属于熔点较低的合金，不会和铝结合成化合物，在铸造冷却阶段是最后结晶的，通常出现在晶粒边缘位置，导致材料承受拉力时强度下降，抵抗腐蚀的能力也变差，如果铸件里铅的成分比较多，会使得表面氧化反应更快，尤其是在空气湿润的月份这种现象更突出，不过它对零件进行切削加工是有好处的。合金添加稀土元素能够防止不良效应，根据 ROHS 法规，铅属于有害成分，其浓度不得超过每百万分之一千。

3 结论

针对几种易熔相合金成分，阐述了微量成分同再生铝铸锭的关联及其优缺点，除此之外，微量成分的作用还同零件制造企业的铸造工艺有关，在压铸工艺里，合金基础中的微量成分对铸件的作用较为微弱，对母材的纯净程度要求不高。在砂型铸造和低压铸造中，由于补缩效果较差或后续工艺需热处理，材料基底里微量的元素对铸件作用更明显，因此，这类零件制造公司应当选用成分较纯的原料当作母材，或者实施稀土改性，制造出少量稀土成分，以此降低微量元素对铸件的负面影响，进而提升铸件的品质和产品的合格程度。