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    鐵元素對鑄造鋁合金性能的影響


    鐵元素在鑄造鋁合金中一直被認為是一種主要的有害雜質,各個國家、專業標準均對其作了明確的限制,各企業標準對其控制更為嚴格。這主要是由于隨鐵含量增加,在金相組織中會形成本身硬度很高的針、片狀脆性鐵相,它的存在割裂了鋁合金的基體,降低了合金的力學性能,尤其是韌性,并且使零件機械加工難度增加,刀、刃具磨損嚴重,尺寸穩定性差等等,但是,低品質鋁合金錠中鐵含量本身就高,隨著合金爐料的回用,生產中鐵質坩堝、工具、置預件等的使用使合金增鐵在所難免。多年來一直吸引著廣大鑄造工作者去研究,下面就鐵在Al-Si合金中的作用及其減弱消除對策進行討論。 
    1 鑄造Al-Si系合金中鐵的作用 
    1.1 鑄造Al-Si合金中鐵的存在形態 
    表1是鋁硅系合金中鐵的存在形態,其中α-AlFeSi和β-AlFeSi是常見的二種形態。而ρ-AlMgFeSi和δ-AlFeSi不是很常見。其中AlFeSi和Al(Fe,Cr)Si的結晶結構特征目前還不甚祥細。至于形成什么樣的相,除與合金中的含鐵量有關外,還與鑄件的冷卻速度、合金元素的數量、種類等密切相關。漢字狀的α-AlFeSi相對Al-Si系合金可提高強度、硬度,對韌性降低不多,而針狀的β-AlFeSi相則嚴懲割裂基體,顯著降低合金的韌性,尤其沖擊韌性,據報道,當Fe>1%時,可使整個合金本身變脆。 
    表1。粒欤樱橄岛辖鹬需F相形態 

    類別晶體結構熔化溫度/℃形狀α-AlFeSi六方晶體860漢字狀β-AlFeSi單晶體870針、片狀ρ-AlMgFeSi立方晶體δ-AlFeSi四方晶體 。保病¤F對鋁硅合金機械性能的影響 
    1.2.1 對室溫機械性能的影響 
    對Al-Si二元合金,當Fe>0.5%時,片狀β相可提高合金的強度并稍降低其延伸率;當Fe>0.8%時,延伸率開始較大幅度降低,當合金中的Fe從0.4%增加到1.2%時,對強度值的增加是微乎其微的,但卻顯著降低其延伸率從4%降到1%,對Na變質的Al-Si共晶合金是每增加Fe0.1%可使延伸率降低1%多。 
    1.2.2 對高溫性能的影響 
    鐵雖然降低了Al-Si活塞合金的室溫機械性能,但卻提高了它的高溫機械性能,這主要由于高溫時基體本身強度隨溫度升高下降很多,而此時以網狀、漢字狀和細小針狀存在的鐵相,它們在316℃左右時基本不變,是穩定的化合物相,正是它的存在提高高溫下試樣的抗拉強度。對Al-Si-Cu-Mg合金,當Fe>0.95%時,σ300℃為92MPa。 
    1.2.3 對耐磨、耐腐性的影響 
    鐵提高Al-Si系合金的耐磨性,這是由于硬質針狀鐵相使基體得以強化,抵抗變形能力,同時又起到支承作用,使耐磨性提高。同時鐵相使合金表面的氧化膜失去連續性,易發生電化學腐蝕,鐵降低合金的耐腐性。 
    1.2.4 對鑄造性能的影響 
    隨著鐵含量增加,在合金結晶時,由于β相干擾枝晶間流動,所以會使疏松增加,同時增加合金的熱裂傾向,但是對壓鑄鋁合金一定Fe量可防止粘膜,但也有報道稱一定Fe量增加合金的流動性。 
    1.2.5 對機械加工性能的影響 
    鐵相使機械加工性能惡化,增加刀刃具的磨損量,使尺寸穩定性變差。 
    2 鐵的有害作用消除、抑制方法 
    2.1 機械方法 
    常用的機械去鐵法有過濾法、沉淀法、離心鑄造法等,它們均是采用在熔體中加入Mn、Cr、Ni、Zr等合金元素使之與鐵形成大的化合物,由于其密度與鋁合金不同會產生沉淀,使用沉淀的方法稱為沉淀法,它可使鐵降低0.5%。將通過過濾布,過濾網、板,使大塊化合物得以過濾的方法,稱為過濾法,它可使Fe降低0.7%,將加入合金元素的熔體,在離心力作用下,由于密度d的差異使鐵相移向邊緣,而內部鐵含量可由2.07%降低到0.27%,降低效率達87%。不同轉速、不同Fe/Mn比對除鐵效率也有影響。生產中應用的機械方法一般均聯合使用,如過濾法與沉淀法,先沉淀后過濾,以及過濾與離心鑄造結合會取得更加好的效果。 
    2.2 熔體處理方法 
    2.2.1 加入合金元素中和Fe的作用(變質處理) 
    熔體中加入合金元素來改變鐵相形貌,減弱鐵的作用,提高合金強度,改善延伸率,通常加入的元素有:Mn、Cr、Co、Be、Mo、Ni、S、Mg、Re等,下面逐個分析: 
    a.Mn:是最常用和用得最多的元素,加Mn能顯著減少鐵相的數量和尺寸,甚至使鐵相完全消失,由于Mn的加入擴大了α鐵相區,從而使得鐵相向α鐵相轉化,中和鐵相的Mn的加入量多少現還不能定論。據稱在Al-Si13合金中加入0.5%的Mn,就能使含1.5%Fe的合金中針、片狀鐵相轉變為α鐵。有人推薦按Mn%=2(%Fe-0.5)添加Mn,總之通過添加Mn可逐漸使β-Fe相的數量減少,尺寸變小,直到不出現為止。 
    b.Cr:在ZAlSi7Mg合金中加Cr可使粗片狀的β相轉變為漢字狀的α鐵相,加0.2%~0.6%Cr能防止含Fe>1%的Al-Si13合金的脆斷,在Al-5Si-1.5Cu-0.5Mg合金中加入0.2%~0.3%Cr使含鐵為0.4%合金的伸長率由1.7%增加到3.8%,加0.4Cr可使含Fe0.75%的合金伸長率由0.8%提高到2.6%。
    c.Co:Co的作用與Mn相似,但需要稍加入以使富鐵相成球形,有人建議Fe/Co的比率應為1∶2,同時Co的加入于其本身的偏析體小,所以其效果優于Mn。 
    d.Be:也可作為一種中和劑,當Be加入量>0.4%時,能形成一種AlFeBe緊密相,同時由于Be是一種很好的抗氧化劑,能提高Al合金的性能,在砂型鑄造件能使AlSi0.6Mg合金的抗拉強度提高5%~10%,同時不降低其延伸率,另據報道,在Al-6Si合金中加入0.05%~0.5%Be會使Fe雜質相的形態由長針改變為危害較小的園球形或近園球形,從而提高合金的塑性。
    e.Mo:可用來中和Fe的有害作用,其效果比Mn好,它是Al-Si合金中Fe的有效變質劑,在含Fe1.2%的合金中加入0.2%的Mo和0.1%的S能使合金的延伸率由1%增加到2.8%,抗拉強度由160MPa增到180MPa。 
    f.Mg:也可起到中和雜質鐵的有害作用,當含量在一定程度時會形成AlFeSiMg化合物相,從而減少β鐵相的形成。 
    g.Ni和S:也是鐵有害作用的中和劑,其中S還能作為鋁合金的變質劑,據報道加入硫磺可使鐵相大部分變為短桿狀及漢字狀,有少量是團球狀、塊狀。但單獨加時效果不理想,須與其它元素如Mn、Cr、稀土等配合,其效果明顯。 
    h.稀土RE:稀土是一種很好的Fe相變質劑,據報道,對413合金加入0.04%~0.06%Sr,可有效減少β鐵相的數量和尺寸,對6063合金,當加入0.05%Sr后,所存在鐵相化合物呈漢字狀,且細化。日本專利也曾報道加入0.005%~0.10%Sr及相同量的Zn,可減少β鐵的數量和尺寸,并且在許多Al-Si系及型材合金中得到證實,這主要是由于RE本身是一種變質劑,合金凈化劑,它的加入可有效去除鐵的有害作用。 
    總之,對于變質中和劑,它能減少消除β鐵相的形成,但它本身并不能去除Fe的有害作用,只起減緩作用,且隨Fe量增加使用的變質劑量也增多,一定程度上降低合金的韌性,并且,由于其形成各種復雜化合物會帶來其它相關的副作用,因此,我們提倡使用變質劑,且使用復合的綜合性能變質劑,盡可能加入量少。 
    2.2.2 熔體過熱和快冷處理 
    a.熔體過熱 
    據報道,過熱處理可減少富鐵相的形核核心,這是由于在高溫時β富鐵相的形核核心是γ(Al),而γ(Al)在低溫時存在,當溫度高到一定程度時(≥85℃),γ(Al)相就轉變為α(Al),不利于β鐵相的形核,從而抑制了β鐵相的出現。同時發現隨熔體過熱度的增加,鑄件中富鐵的晶間化合物變的越細,當澆注溫度大于800℃時,合金中的片狀β鐵相就轉變為α鐵相,且這個過程不可逆轉,即一旦熔體過熱到足以產生α相的溫度隨后的處理和靜置對鐵相形態無影響,并且當鐵量愈高時,用過熱方法改變就越來越困難。在實際操作中由于過熱后熔體吸氣,氧化嚴重,所以一般很少采用。 
    b.快速冷卻處理 
    快速冷卻處理可減弱鐵的有害作用,這是大家所共認的,國家專業標準中規定的砂型鑄造的質量小于金屬型也就是這個道理?焖倮鋮s時合金液中形核核心多,界面推進速度快,形成的有害鐵相在同等條件下要短、要細,甚至看不到針狀相,同時合金中中和Fe相所需的Mn量也隨凝固過程中冷速的變化而變化,冷卻速度對Fe相形態也有很大影響。當冷速<0.1℃/s時,有助于β鐵相的形成,當冷速>10℃/s時,會抑制β鐵的產生。 
    3 討論 
    (1)合金中Fe含量是否應符合國標? 
    在合金化處理方法和提高冷卻速度條件下,我們可以減少甚至消除針狀鐵相的危害作用,使其組織性能達到國標規定的要求,此時合金中鐵含量已超標,甚至嚴重超標,那么此時應以成分為主呢,還是以性能為主?我們主張Fe的有害作用消除了,其含量或者說鐵含量當量(即此時的鐵含量以平常的國標相當的量)應僅作參考,主要以組織性能為依據,成分不應具有否決權,與國外鑄造發達國家相比,我國國標規定的Fe含量明顯嚴于國外,因此我們希望我國專業行業標準能出現相應的標準。 
    (2)減少鐵的有害作用在生產中如何操作? 
    在生產實際中過熱處理,由于會帶來元素的嚴重燒損,吸氣嚴重,所以不太采用,而離心澆注需要離心機等設備,對專業合金生產廠猶可,而一般廠家也無法為了它而上設備。最實用且可行的就是合金化變質處理和提高冷卻速度,變質處理中應提倡使用具有復合作用效果的加入量可小,一種元素多種功能的元素或幾種元素復合劑,同時提倡機械與變質方法復合處理。

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