鎂對過共晶鋁鐵合金組織形貌的影響

王正軍，劉蓮香

(宿遷學(xué)院,江蘇宿遷223800)

材料開發(fā)

鎂對過共晶鋁鐵合金組織形貌的影響

王正軍，劉蓮香

(宿遷學(xué)院,江蘇宿遷223800)

針對普通熔鑄條件下過共晶Al-Fe合金初生富鐵相嚴(yán)重割裂基體、惡化合金性能的問題，采用元素Mg對過共晶Al-5%Fe合金進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化處理，Mg以Al-10%Mg中間合金形式加入。借助光學(xué)顯微鏡等分析了Al-10%Mg中間合金晶粒細(xì)化劑加入量和熔體保溫時(shí)間對過共晶Al-5%Fe合金微觀組織形貌及性能的影響。試驗(yàn)表明：在過共晶Al-5%Fe合金中加入Al-10%Mg中間合金細(xì)化劑，當(dāng)加入量為1.2%、保溫時(shí)間90min時(shí)，細(xì)化效果較好，Al-5%Fe合金中初生A13Fe相由未添加細(xì)化劑時(shí)的粗大板條狀變?yōu)榛ǘ錉詈皖w粒狀，并且尺寸明顯減小,從而顯著提高材料的強(qiáng)度和塑性。

Al-10%Mg中間合金；變質(zhì)細(xì)化處理；過共晶鋁鐵合金

改善過共晶Al-Fe合金中富鐵相的大小、形態(tài)及分布，可以充分提高Fe在Al中的優(yōu)良作用。要發(fā)展Al-Fe合金，使Al-Fe合金成為一種具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)構(gòu)材料，必須找到控制和細(xì)化鐵相的有效方法，盡可能地減輕或消除鐵相對鋁基體的不良影響。因此，控制和改善富鐵相的形態(tài)，提高合金的力學(xué)性能是發(fā)展A1-Fe合金的關(guān)鍵。研究表明：微量鎂可使鋁中富鐵雜質(zhì)相由粗大針狀或針片狀變?yōu)榧?xì)小的團(tuán)球狀或短棒狀,且分布較均勻。本文研究了鎂對過共晶Al-5%Fe合金組織形態(tài)的影響。由于鎂元素化學(xué)性質(zhì)較活潑易氧化,燒損嚴(yán)重,故一般均以中間合金的形式加入，鋁鎂中間合金中以Al-10%Mg中間合金使用的最多。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用Al-Fe二元合金Al-5%Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，下同)由Al-10%Fe或Al-15%Fe中間合金，按鑄錠成形后Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%加入相應(yīng)的工業(yè)純鋁配置而成；試驗(yàn)用Mg為保證成分均勻以及減少燒損率，以Al-10%Mg中間合金形式加入。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熔煉過程

根據(jù)二元Al-Fe合金平衡相圖（圖1）[9]，經(jīng)計(jì)算配料后，將鋁錠和Al-15%Fe中間合金同時(shí)加入石墨坩堝中，升溫至900℃，上面撒上一層干燥的覆蓋劑。當(dāng)鋁錠和Al-15%Fe中間合金全部熔化后，把Al-10%Mg中間合金料放置在石墨制的有孔的鐘罩中，然后一起放入合金液內(nèi)，鐘罩放置在坩堝中部，待前一塊Al-10%Mg中間合金料熔化后，保溫，再加入第二塊，直到所有Al-10%Mg中間合金料全部熔化。將合金液升溫至950℃，靜置保溫20～25min，每8min攪拌一次，最后一次攪拌后進(jìn)行初次扒渣。用爐料總重量的0.3%～0.5%除氣劑、除渣劑精煉合金液，除氣、除渣。5～8min后再進(jìn)行二次扒渣，之后將合金液澆入金屬錠模中，獲得尺寸為Φ30 mm× 100mm的試棒。

圖1 二元Al-Fe合金平衡相圖

1.2.2 金相制備過程

澆鑄后的鑄錠冷卻后取模，除去表面的飛邊毛刺后從中間鋸開。試樣需打磨倒角處理，經(jīng)金相砂紙粗磨、細(xì)磨后，再在型號為P-2型、拋盤直徑為200mm金相試樣拋光機(jī)上進(jìn)行粗拋和精拋。拋光后的試樣用濃度為0.5%的HF水溶液腐蝕后，在光顯微鏡下觀察分析試樣的金相組織,檢驗(yàn)細(xì)化效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)重點(diǎn)研究了Al-10%Mg中間合金不同添加量對過共晶Al-5%Fe合金的組織形態(tài)變化規(guī)律的影響，以及Al-10%Mg中間合金細(xì)化的長效性。圖2是Al-10%Mg中間合金加入量對Al-5%Fe合金中初生A13Fe相的影響。未加入Al-10%Mg中間合金時(shí)，合金中的初生A13Fe相的形貌大多為典型的粗大針狀和針片狀，少量為不規(guī)則的花朵狀，如圖2a所示；加入量為0.2%時(shí)，初生A13Fe發(fā)生了一些變化，主干還是較為發(fā)達(dá)的針狀，細(xì)化效果不明顯，但針狀的末端已變尖變細(xì)，出現(xiàn)了分枝，在粗大的針狀相之間，存在許多相對較小的分枝富鐵相，如圖2b所示；加入量達(dá)到0.6%時(shí)，初生A13Fe相的形貌發(fā)生了顯著改變，生長尖端的分枝增多，以花朵狀、短棒狀為主，尺寸相對較小，分布也比較均勻，如圖c所示；進(jìn)一步增加Mg的含量，當(dāng)加入量達(dá)到0.8%時(shí)，分枝現(xiàn)象加劇，在一次分枝上還出現(xiàn)了二次分枝，呈現(xiàn)典型的樹狀，組織中出現(xiàn)花朵狀初生A13Fe相，如圖2d所示；當(dāng)加入量為1.2%時(shí)，初生A13Fe相的形狀發(fā)生了明顯不同于前三者的變化，富鐵相的分枝消失，長成了較為短小的針狀或者是不規(guī)則的塊狀，極個(gè)別長成板片狀，如圖2e所示；加入量為1.5%時(shí)，初生A13Fe相的尺寸明顯增大，以針片狀和不規(guī)則的花朵狀為主，這主要是由于Mg的富集，抑制了A13Fe沿?fù)駜?yōu)取向長大，使A13Fe相的尺寸增大，如圖2f所示。

圖3為在Al-5%Fe合金中加入1.2%的Al-10%Mg中間合金細(xì)化劑，不同保溫時(shí)間合金中的初生A13Fe相的形態(tài)分布。當(dāng)保溫45min時(shí)，初生A13Fe相主要以長針狀形式存在于基體上，同時(shí)含有尺寸較大的不規(guī)則花朵狀組織，如圖3a所示；當(dāng)保溫時(shí)間為60min時(shí)，相比較來看，經(jīng)過60min的保溫，通過原子的溶解擴(kuò)散，針狀和針片狀組織變得細(xì)小，初生A13Fe相主要為花朵狀，但尺寸、形態(tài)不一，分布也不均勻，如圖3b所示；延長保溫時(shí)間至90min時(shí)，初生A13Fe相為粗大的不規(guī)則花朵狀形貌和顆粒狀，如圖3中c所示。時(shí)間進(jìn)一步延長，組織變化更加顯著，針狀幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的塊狀和粒狀。導(dǎo)致這種變化的原因可能是針狀尖角處表面能比較大，容易擴(kuò)散和溶解。

圖2 加入不同含量Al-10%Mg中間合金的Al-5%Fe合金鑄態(tài)組織

圖3 Al-5%Fe合金中加入含量為1.2%Al-10%Mg中間合金不同保溫時(shí)間的鑄態(tài)組織

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長，出現(xiàn)的A13Fe偏聚、沉淀、燒損等現(xiàn)象會(huì)明顯降低其細(xì)化效果。然而，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)120min時(shí)，仍有一定的細(xì)化效果，也就是說，Al-10%Mg中間合金細(xì)化有效時(shí)間較長，能適應(yīng)大量連續(xù)生產(chǎn)需要，尤其對低壓鑄造、壓力釜鑄造和差壓鑄造等新工藝相適應(yīng)，是一種良好的長效細(xì)化劑。

3 結(jié)論

（1）鋁與過渡金屬元素鐵形成的A13Fe金屬間化合物具有極佳的耐熱、耐磨和抗腐蝕性能，并且Al-Fe合金依舊保持了Al合金密度小的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得Al-Fe合金能適應(yīng)航天器件對材料性能的要求。

（2）微量鎂可使鋁中富鐵雜質(zhì)相由粗大針狀或針片狀變?yōu)榧?xì)小的團(tuán)球狀或短棒狀,且分布較均勻,從而明顯提高材料的強(qiáng)度和塑性。

（3）在過共晶Al-5%Fe合金中加入Al-10%Mg中間合金細(xì)化劑，當(dāng)加入量為1.2%、保溫時(shí)間為90 min時(shí)，細(xì)化效果仍較好。

[1]王正軍.Al-10Ce中間合金制備及對α-Al的變質(zhì)效果[J].有色金屬，2008，（3）：44-47.

[2]王正軍.Al-10Ce中間合金對ZL102共晶Al-Si合金的變質(zhì)研究[J].中國有色冶金，2009，（2）：59-62.

[3]王正軍.Al-10Ce中間合金制備及對α-Al的變質(zhì)長效性和重熔性的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2008，36（5）：18-22.

[4]向青春，王靜媛，周振平等.鋁鐵合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用狀況[J].鑄造，2006，55（9）：875-879.

[5]陳鋒，何德坪，舒光冀.超聲作用下Al-Fe合金化機(jī)制及Al-Fe合金的制備[J].東大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，23(5)：58-62.

[6]趙玉華，張利，黃震威，等.釔對過共晶鋁鐵合金組織形貌的影響[J].鑄造技術(shù)，2006，27(11)：1214-1216.

[7]譚敦強(qiáng)，黎文獻(xiàn)，唐誼平.Al－Fe系合金中的相及相轉(zhuǎn)變[J].材料導(dǎo)報(bào)，2003，17(5)：18-20.

[8]周振平，李榮德，馬建超等.Mg對初生A13Fe形貌及其生長過程的影響[J].熱加工工藝，2004，(5)：15-17.

[9]蒙爾多福，王祝堂，張振錄等.鋁合金的組織和性能[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1988.

Effect of M g on m icrostructure of hypereutectic A l-Fe alloys

WANG Zheng-jun，LIU Lian-xiang

In order to solve the problems of the primary Fe-rich phase separating themetalmatrix seriously and deteriorating the property of hypereutectic Al-Fe alloy,Mg was added so as tomodify hypereutectic Al-5%Fe alloy.Mg is added as Al-10%master alloy form.By changing the addition and holding time,the influences of refiners Al-10%Mg Master Alloy on the microstructure and mechanical property of hypereutectic Al-Fe alloy were investigated by using optical microscope.The results indicate that when 1.2%Al-10%Mg Master Alloy was added in the hypereutectic Al-5%Fe alloy,and the holding time of alloy meltwas kept 90 min,the refining effect on the alloy was better.The primary A13Fe phase changed from the extremely thick plate-like to fine par?ticle-like and flower-like,furthermore,the size was reduced and can increase obviously the materials intensity and plasticity.

Al-10%Mgmaster alloy；modification；hypereutectic Al-Fe alloy

TG146.2

A

1672-6103（2010）05-0071-04

近年來有色金屬一直以質(zhì)輕、延展性好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。尤其是鋁合金的應(yīng)用最為引人注目[1]。鋁具有質(zhì)輕，耐蝕性良好，比強(qiáng)度高，有一定的延展性，外表美觀，加工成型性好，可焊接等優(yōu)點(diǎn)。加入其他合金元素制成鋁合金后，不僅能夠保留純鋁的優(yōu)點(diǎn)，而且各種性能還在很大程度上得到提高[2～3]。對于鋁合金家族中的鋁鐵合金，由鐵和鋁形成的金屬間化合物A13Fe具有許多優(yōu)良的性能，如富鐵相具有其獨(dú)特的耐熱、耐磨和抗硫化腐蝕優(yōu)點(diǎn)，并且Al-Fe合金保持了鋁合金密度小的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得Al-Fe合金能適應(yīng)航天器件對材料性能的要求[4-6]。此外，Al和Fe是地殼中儲量最為豐富的兩種金屬元素，也是工業(yè)中最常用的原料，來源廣，價(jià)格便宜，若能用鋁鐵合金代替目前在工業(yè)中所應(yīng)用的鐵合金，將會(huì)大大降低生產(chǎn)成本。

由于Al-Fe合金有著十分誘人的發(fā)展前景，故受到了國內(nèi)外的高度重視。從20世紀(jì)70年代開始，人們就把Al-Fe合金作為單獨(dú)的一個(gè)合金系進(jìn)行研究，將其作為一種工程結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中[7]。Al-Fe合金雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但鐵在鋁中的固溶度很低，一旦超過固溶度極限，便在鑄造鋁合金中與鋁及其它元素化合，形成質(zhì)脆的針狀或板片狀鐵相，一方面，割裂基體，使用過程中會(huì)在針狀富鐵相尖端前沿造成應(yīng)力集中，大大降低鋁合金的強(qiáng)度，嚴(yán)重降低合金的力學(xué)性能；另一方面，粗大的針狀相在凝固早期形成，阻礙了液體金屬在補(bǔ)縮通道的流動(dòng)，造成鑄造缺陷。以上兩個(gè)原因很大程度上限制了該類合金的發(fā)展[8]。

王正軍(1975—)，男，吉林撫松縣人，碩士，主要從事材料非平衡制備等方面的研究。

2010-03-08

江蘇省2008年度高校"青藍(lán)工程"資助；2010年度江蘇省宿遷學(xué)院重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目（2010KY10）