Fe含量和冷卻速度對(duì)ZL105合金中鐵相形成的影響

趙忠興，張海英，耿德軍

(沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159)

Fe在鋁合金中做為有害元素，常常以針狀存在，硬而脆的針狀鐵相會(huì)破壞金屬基體的連續(xù)性，顯著降低合金的力學(xué)性能，增加合金的斷裂傾向［1－3］。鐵在鋁中的溶解度很小，在鐵含量較高時(shí)，大部分鐵通常以化合物形態(tài)存在，常見(jiàn)的針狀化合物形態(tài)為Al9Fe2Si2。針狀化合物的形成主要受鋁合金中的鐵含量和鑄件冷卻速度的影響，鐵含量高、冷卻速度慢針狀鐵相長(zhǎng)得粗大，對(duì)鋁合金鑄件的力學(xué)性能削弱作用就大。在實(shí)際生產(chǎn)中，常加入合金元素，使針狀的鐵相轉(zhuǎn)化為骨骼狀，降低針狀鐵相的有害作用［4－6］。不論采用何種鋁合金，幾乎所有生產(chǎn)廠家都把Fe當(dāng)作鋁合金的有害雜質(zhì)加以控制，但對(duì)于不同的鑄造方法，由于鑄件凝固時(shí)的冷卻速度不同，生成針狀鐵相的鐵含量也不同，為了更好地預(yù)測(cè)鐵相的生成情況，本文對(duì)不同冷卻速度和鐵含量條件下ZL105合金中針狀鐵相的形成進(jìn)行了研究探討，對(duì)鐵相形成的主要影響因素進(jìn)行了分析。

1 鐵含量對(duì)針狀鐵相形成的影響

1.1 試驗(yàn)條件和方法

分別采用鐵含量為1.2%、0.6%和0.3%的ZL105合金，砂型鑄造，鑄件壁厚10mm，澆注溫度730℃，熱處理規(guī)范:固溶處理:525 ±5℃，6h;時(shí)效處理:170 ±5℃，7h。

1.2 鐵相的形成及組織分析

在不同含鐵量試樣的相同部位取金相試樣，其金相組織如圖1所示。

圖1 試樣金相組織

通過(guò)對(duì)圖1三種含鐵量試樣的金相組織對(duì)比，ZL105合金中的鐵相生成及其形貌受合金本身的鐵含量影響，隨著鐵含量的降低，合金中生成的鐵相逐漸減少，鐵相從粗大的針狀變?yōu)榧?xì)小的針狀，甚至在低倍顯微鏡下難以觀察到。

鋁液中鐵相的形成與鐵的含量有密切關(guān)系，針狀鐵相Al9Fe2Si2在形成時(shí)需要的鐵含量很大，鋁合金液中不能含有這么大的含鐵量，但在實(shí)際生產(chǎn)中，即使鐵的含量很低，依然會(huì)有鐵相生成，這是由于合金凝固過(guò)程中溶質(zhì)再分配的原因。如果鐵含量高，在凝固初期，溶質(zhì)再分配就能在固液界面前沿的液體中富集到足以形成Al9Fe2Si2相所需的含鐵量，從而形成Al9Fe2Si2;如果鐵含量低，在凝固初期，溶質(zhì)再分配不能在固液界面前沿的液體中富集到足以形成Al9Fe2Si2相所需的含鐵量，需要凝固過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，在凝固后期，才能在固液界面前沿的液體中富集到足以形成Al9Fe2Si2相所需的含鐵量，從而形成 Al9Fe2Si2。也就是說(shuō)，高含鐵量的鋁合金液中，鐵相形成的早，在后續(xù)的凝固過(guò)程中有充分的長(zhǎng)大時(shí)間，最后形成的鐵相粗大;而含鐵量低的鋁合金液中，鐵相形成的晚，在后續(xù)的凝固過(guò)程中沒(méi)有充分的長(zhǎng)大時(shí)間，最后形成的鐵相相對(duì)細(xì)小。這與圖1中的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

2 冷卻速度對(duì)針狀鐵相形成的影響

2.1 試驗(yàn)條件和方法

在鐵含量一定時(shí)，用改變冷卻速度的方法研究ZL105合金中鐵相的形成。鐵含量固定為0.6%，分別澆鑄金屬型試樣、薄壁砂型試樣(壁厚10mm)、厚壁砂型試樣(壁厚30mm)和耐火磚型試樣，試樣鑄件的冷卻速度依次降低，分析冷卻速度對(duì)ZL105合金鐵相組織形成的影響。鑄件澆注溫度730℃，熱處理規(guī)范:固溶處理:525±5℃，6h;時(shí)效處理:170±5℃，7h。

2.2 鐵相的形成及組織分析

圖2為不同的冷卻速度條件下，相同含鐵量試樣的金相組織對(duì)比，不同的冷卻速度使ZL105合金中的鐵相生成及其形貌完全不一樣。即使含鐵量達(dá)到了0.6%，冷卻速度大的金屬型鑄造試樣，金相組織中也沒(méi)有鐵相生成;而在薄壁砂型鑄造試樣中，由于冷卻速度降低，金相組織中已有細(xì)小的針狀鐵相出現(xiàn);對(duì)于耐火磚鑄型的鑄造試樣，由于保溫性能好，鑄件的冷卻速度已非常小，使生成的鐵相特別粗大。

圖2 試樣金相組織

由此可見(jiàn)，冷卻速度對(duì)鋁液中針狀鐵相的形成影響較大。產(chǎn)生這種差異，依然是由于合金凝固過(guò)程中溶質(zhì)再分配的原因。在冷卻速度高的條件下，鑄件凝固過(guò)程快，組織細(xì)化，晶粒細(xì)小，溶質(zhì)再分配進(jìn)行的區(qū)域小，在固液界面前沿的液體中不能富集到足以形成Al9Fe2Si2相所需的含鐵量;在冷卻速度低的條件下，鑄件凝固過(guò)程慢，晶粒較大，溶質(zhì)再分配進(jìn)行的區(qū)域擴(kuò)大，當(dāng)在固液界面前沿的液體中富集到足以形成Al9Fe2Si2相所需的含鐵量時(shí)，將有鐵相形成;溶質(zhì)再分配進(jìn)行的區(qū)域越大，在固液界面前沿的液體中富集到鐵量越多，鐵相形成的早，在后續(xù)的凝固過(guò)程中有充分的長(zhǎng)大時(shí)間，最后形成的鐵相粗大。

3 綜合分析

對(duì)于ZL105合金中鐵相的形成，鋁液中的含鐵量和鑄件凝固時(shí)的冷卻速度是關(guān)鍵的影響因素，在鑄件中能否形成鐵相是二者綜合作用的結(jié)果。對(duì)于合金而言，從形核開(kāi)始到凝固結(jié)束，在整個(gè)結(jié)晶過(guò)程中固液兩相內(nèi)部將不斷進(jìn)行著溶質(zhì)元素的重新分布過(guò)程，即凝固過(guò)程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分配，在固－液界面的液相側(cè)形成一個(gè)溶質(zhì)富集區(qū)，其具體的分配形式則與決定傳質(zhì)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素密切相關(guān)［7］。

鐵原子在ZL105合金凝固時(shí)，對(duì)于先析出的α固溶體而言是溶質(zhì)，被排出在固液界面前沿，在此溶質(zhì)富集區(qū)域內(nèi)，鐵原子的濃度達(dá)到形成Al9Fe2Si2相所需的鐵含量，有可能形成Al9Fe2Si2相。如果鋁合金液中鐵的含量高，凝固時(shí)排出到固液界面前沿的鐵原子濃度提高快，有利于鐵相的形成;如果鋁合金鑄件凝固的慢，晶粒粗大，溶質(zhì)再分配區(qū)域大，所排出鐵原子的數(shù)量多，固液界面前沿的鐵原子濃度提高的快，有利于鐵相的形成。

由此可見(jiàn)，鋁合金液中鐵相的形成與凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配有著密切的關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)鋁合金液中的含鐵量并不高，但由于鑄件壁厚較大，凝固速度慢，在鑄件的中心部位往往有細(xì)小的鐵相生成;而在鋁合金液中的含鐵量較高時(shí)，由于采用金屬型鑄造鑄件，凝固速度快，在鑄件中往往并沒(méi)有鐵相生成。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于ZL105合金，在冷卻速度一定的條件下，隨著鐵含量的增加，合金中生成的鐵相數(shù)量增加，鐵相從細(xì)小的針狀變?yōu)榇执蟮尼槧睢?/p>

(2)對(duì)于相同含鐵量的ZL105合金，隨著冷卻速度的降低，合金中生成的鐵相數(shù)量增加，鐵相從細(xì)小的針狀變?yōu)榇执蟮尼槧睢?/p>

(3)ZL105合金中鐵相的形成與鋁液中的含鐵量和鑄件凝固時(shí)的冷卻速度密切相關(guān)，在鑄件中能否形成鐵相是二者綜合作用的結(jié)果。

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