浅谈铁元素在铝合金中的作用

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1、铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质，各个国家、专业标准均对其作了明确的限制，各企业标准对其控制更为严格。这主要是由于随铁含量增加，在金相组织中会形成本身硬度很高的针、片状脆性铁相，它的存在割裂了铝合金的基体，降低了合金的力学性能，尤其是韧性，并且使零件机械加工难度增加，刀、刃具磨损严重，尺寸稳定性差等等，但是，低品质铝合金锭中铁含量本身就高，随着合金炉料的回用，生产中铁质坩埚、工具、置预件等的使用使合金增铁在所难免。多年来一直吸引着广大铸造工作者去研究，下面就铁在Ａｌ－Ｓｉ合金中的作用及其减弱消除对策进行讨

2、论。１　铸造Ａｌ－Ｓｉ系合金中铁的作用１．１　铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中铁的存在形态表１是铝硅系合金中铁的存在形态，其中α－ＡｌＦｅＳｉ和β－ＡｌＦｅＳｉ是常见的二种形态。而ρ－ＡｌＭｇＦｅＳｉ和δ－ＡｌＦｅＳｉ不是很常见。其中ＡｌＦｅＳｉ和Ａｌ（Ｆｅ，Ｃｒ）Ｓｉ的结晶结构特征目前还不甚详细。至于形成什么样的相，除与合金中的含铁量有关外，还与铸件的冷却速度、合金元素的数量、种类等密切相关。汉字状的α－ＡｌＦｅＳｉ相对Ａｌ－Ｓｉ系合金可提高强度、硬度，对韧性降低不多，而针状的β－ＡｌＦｅＳｉ相则严惩割裂基体，显著降低合金的韧性

3、，尤其冲击韧性，据报道，当Ｆｅ＞１％时，可使整个合金本身变脆。表１　Ａｌ－Ｓｉ系合金中铁相形态类别晶体结构熔化温度／℃形状α－ＡｌＦｅＳｉ六方晶体８６０汉字状β－ＡｌＦｅＳｉ单晶体８７０针、片状ρ－ＡｌＭｇＦｅＳｉ立方晶体δ－ＡｌＦｅＳｉ四方晶体　　１．２　铁对铝硅合金机械性能的影响１．２．１　对室温机械性能的影响对Ａｌ－Ｓｉ二元合金，当Ｆｅ＞０．５％时，片状β相可提高合金的强度并稍降低其延伸率；当Ｆｅ＞０．８％时，延伸率开始较大幅度降低，当合金中的Ｆｅ从０．４％增加到１．２％时，对强度值的增加是微乎其微的，但却显著降

4、低其延伸率从４％降到１％，对Ｎａ变质的Ａｌ－Ｓｉ共晶合金是每增加Ｆｅ０．１％可使延伸率降低１％多。１．２．２　对高温性能的影响铁虽然降低了Ａｌ－Ｓｉ活塞合金的室温机械性能，但却提高了它的高温机械性能，这主要由于高温时基体本身强度随温度升高下降很多，而此时以网状、汉字状和细小针状存在的铁相，它们在３１６℃左右时基本不变，是稳定的化合物相，正是它的存在提高高温下试样的抗拉强度。对Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金，当Ｆｅ＞０．９５％时，σ３００℃为９２ＭＰａ。１．２．３　对耐磨、耐腐性的影响铁提高Ａｌ－Ｓｉ系合金的耐磨性，这是由于

5、硬质针状铁相使基体得以强化，抵抗变形能力，同时又起到支承作用，使耐磨性提高。同时铁相使合金表面的氧化膜失去连续性，易发生电化学腐蚀，铁降低合金的耐腐性。１．２．４　对铸造性能的影响随着铁含量增加，在合金结晶时，由于β相干扰枝晶间流动，所以会使疏松增加，同时增加合金的热裂倾向，但是对压铸铝合金一定Ｆｅ量可防止粘膜，但也有报道称一定Ｆｅ量增加合金的流动性。１．２．５　对机械加工性能的影响铁相使机械加工性能恶化，增加刀刃具的磨损量，使尺寸稳定性变差。２　铁的有害作用消除、抑制方法２．１　机械方法常用的机械去铁法有过滤法、沉淀

6、法、离心铸造法等，它们均是采用在熔体中加入Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ等合金元素使之与铁形成大的化合物，由于其密度与铝合金不同会产生沉淀，使用沉淀的方法称为沉淀法，它可使铁降低０．５％。将通过过滤布，过滤网、板，使大块化合物得以过滤的方法，称为过滤法，它可使Ｆｅ降低０．７％，将加入合金元素的熔体，在离心力作用下，由于密度ｄ的差异使铁相移向边缘，而内部铁含量可由２．０７％降低到０．２７％，降低效率达８７％。不同转速、不同Ｆｅ／Ｍｎ比对除铁效率也有影响。生产中应用的机械方法一般均联合使用，如过滤法与沉淀法，先沉淀后过滤，以及过滤

7、与离心铸造结合会取得更加好的效果。２．２　熔体处理方法２．２．１　加入合金元素中和Ｆｅ的作用（变质处理）熔体中加入合金元素来改变铁相形貌，减弱铁的作用，提高合金强度，改善延伸率，通常加入的元素有：Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓ、Ｍｇ、Ｒｅ等，下面逐个分析：ａ．Ｍｎ：是最常用和用得最多的元素，加Ｍｎ能显著减少铁相的数量和尺寸，甚至使铁相完全消失，由于Ｍｎ的加入扩大了α铁相区，从而使得铁相向α铁相转化，中和铁相的Ｍｎ的加入量多少现还不能定论。据称在Ａｌ－Ｓｉ１３合金中加入０．５％的Ｍｎ，就能使含１．５％Ｆｅ的合金中

8、针、片状铁相转变为α铁。有人推荐按Ｍｎ％＝２（％Ｆｅ－０．５）添加Ｍｎ，总之通过添加Ｍｎ可逐渐使β－Ｆｅ相的数量减少，尺寸变小，直到不出现为止。ｂ．Ｃｒ：在ＺＡｌＳｉ７Ｍｇ合金中加Ｃｒ可使粗片状的β相转变为汉字状的α铁相，加０．２％～０．６％Ｃｒ能防止含Ｆｅ＞１％的Ａｌ－Ｓｉ１３合金的脆断，在Ａｌ－５Ｓｉ－１．５Ｃｕ－０．５Ｍｇ合