錳、鍶含量對(duì)鑄造鋁硅合金鐵相形貌和相組成的影響

吳星宇，龍思遠(yuǎn)，2，劉 歡，王 林

（重慶大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶400044）

0 引 言

鋁硅合金具有良好的鑄造性能和耐腐蝕性能，一般適用于制造薄壁、形狀復(fù)雜和中等負(fù)荷的零件。鐵相不可避免地存在于合金中，而且一般以針狀形態(tài)出現(xiàn)，這極大惡化了合金的性能［1-2］。添加錳能降低鐵元素的有害影響，提高合金的性能，當(dāng)鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.5%并且錳含量較低時(shí)，富鐵相呈針狀，并且隨著錳含量增多，鐵相逐漸由針狀轉(zhuǎn)變成漢字狀；當(dāng)鋁硅合金中錳與鐵的質(zhì)量比約為0.6時(shí)，其中的β-Al9Fe2Si2相轉(zhuǎn)變成AlSiMnFe相，有效消除了β-Al9Fe2Si2相對(duì)合金力學(xué)性能的有害影響，并且在壓鑄過(guò)程中還能防止粘型［3-5］。鋁硅合金的變質(zhì)劑很多，生產(chǎn)中普遍采用的變質(zhì)劑主要有鍶、鈉和銻，但鈉的變質(zhì)持續(xù)時(shí)間短，且腐蝕坩堝；銻的價(jià)格雖然比鍶的低，但其變質(zhì)效果不如鍶的好［1］。有人認(rèn)為，在添加錳的同時(shí)添加鍶，不但可以改善β-Al9Fe2Si2相的形狀，還可使其變得更加細(xì)小，這對(duì)合金的力學(xué)性能更加有利［6-7］。所以，研究錳和鍶對(duì)鋁硅合金的變質(zhì)效果具有工程實(shí)際意義。鑒于此，作者詳細(xì)研究了錳和鍶元素含量對(duì)鋁硅合金中鐵相種類、形貌及相組成分的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

以鐵含量較高的鑄造鋁硅合金為試驗(yàn)原料，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為8.0%Si，0.35%Mg，0.15%Ti，0.6%Fe，余 Al。

為了研究錳含量對(duì)鋁硅合金中鐵相形貌和相組成的影響，設(shè)計(jì)了鍶含量相同而錳含量不同的合金1～4，即在保持鍶設(shè)計(jì)含量為0.02%的情況下，添加0，0.1%，0.3%，0.5%的錳；為了研究鍶含量對(duì)鋁硅合金中鐵相形貌和相組成的影響，設(shè)計(jì)了錳含量相同而鍶含量不同的合金5～8，即在保持錳設(shè)計(jì)含量為0.3%的情況下，添加0.01%，0.02%，0.03%，0.05%的鍶。錳和鍶元素分別以純錳、Al-10Sr中間合金的形式加入。每次試驗(yàn)在730℃的合金液中添加純錳，熔體攪拌0.5h直至其完全熔化后再采用氮?dú)馀c氬氣的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行精煉除氣，扒渣并靜置0.5h；在720℃的合金液中添加Al-10Sr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理1h，在720℃扒渣后澆注。

使用XRF-1800型X熒光光譜分析儀（XRF）測(cè)合金中的元素含量，結(jié)果如表1所示。

從鑄錠中切取相同部位的試樣，對(duì)其研磨拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF溶液腐蝕10s，然后使用OLYMPUS GX41型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察顯微組織，并使用D/max 1200型X射線衍射儀（XRD）檢測(cè)合金中的相組成。

表1 不同合金的錳、鍶設(shè)計(jì)含量和化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Mn，Sr design composition and chemical composition of different alloys %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 錳含量對(duì)鐵相形貌的影響

由圖1可見(jiàn)，合金1的組織中存在大量針片狀β-Al9Fe2Si2相以及少量淺灰色骨骼狀相，經(jīng)分析可以斷定它為Al8Mg3FeSi6相［8］；合金2中部分針片狀β相發(fā)生了明顯的彎曲，另有部分β相變成了骨骼狀A(yù)lSiMnFe相；合金3中的AlSiMnFe相變得更粗、更短，錳的作用得到了充分發(fā)揮；合金4的組織中出現(xiàn)了大量粗大的魚(yú)骨狀A(yù)lSiMnFe相，且部分相呈規(guī)則形狀，如白色箭頭所指，其惡化了合金的性能。

鋁硅合金中的富鐵相實(shí)際上是固溶體，它的晶格空位可以容納其它元素。當(dāng)在鋁硅合金中加入錳后，錳能使β相轉(zhuǎn)變成AlSiMnFe相。從顯微組織上看，當(dāng)針狀鐵相在單一方向上生長(zhǎng)時(shí)，錳可以依附在針狀鐵相的尖端，從而改變其原始的生長(zhǎng)方向，使晶體朝其它方向生長(zhǎng)，故而，那些尺寸較小的鐵相會(huì)變成骨骼狀或漢字狀，但尺寸很大的鐵相則可能保持其原有的形狀［9］。從熱力學(xué)上看，相總是向能量低的方向轉(zhuǎn)變，針狀鐵相的表面積大，能量高，而AlSiMnFe相的表面積小，能量低，加入的錳元素會(huì)依附于鐵的核心與其生成AlSiMnFe相［10］。

2.2 鍶含量對(duì)鐵相形貌的影響

由圖1可以看出，合金5中的AlSiMnFe相、β相與共晶硅相、Mg2Si相有明顯的區(qū)別，共晶硅相和Mg2Si相分別呈小顆粒狀和黑色骨骼狀，鐵相以兩種形式存在，部分為針片狀β相，而大部分則以骨骼狀A(yù)lSiMnFe相分布于α-Al基體中；合金6中的黑色骨骼狀 Mg2Si相逐漸減少，淺灰色骨骼狀A(yù)l8Mg3FeSi6相增多，這說(shuō)明更多的鐵元素以骨骼狀A(yù)l8Mg3FeSi6相存在，這有利于消除針片狀β相的有害影響，而且部分針片狀β相（箭頭2）和骨骼狀A(yù)lSiMnFe相（箭頭1）出現(xiàn)了彎曲與斷裂的現(xiàn)象，這都有利于改善合金的力學(xué)性能；合金7的組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)針片狀β相，但骨骼狀A(yù)lSiMnFe相出現(xiàn)了聚集；合金8中不僅出現(xiàn)了AlSiMnFe相的聚集，而且還出現(xiàn)了有規(guī)則形狀的AlSiMnFe相（如黑色箭頭所示），惡化了合金性能。此外，合金中還發(fā)現(xiàn)了更多淺灰色骨骼狀A(yù)l8Mg3FeSi6相分布于基體中。

圖1 不同合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of different alloys：（a）alloy 1；（b）alloy 2；（c）alloy 3；（d）alloy 4；（e）alloy 5；（f）alloy 6；（g）alloy 7and（h）alloy 8

2.3 鍶元素對(duì)相組成的影響

由圖2可以看出，合金5的主要物相有α-Al、共晶硅、AlSiMnFe、β相、Mg2Si相；合金7的主要物相有α-Al、共晶硅、AlSiMnFe、Al8Mg3FeSi6。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金中的鍶加入量從0.01%增加到0.03%時(shí)，針片狀β相和骨骼狀 Mg2Si相逐漸減少，但淺灰色骨骼狀A(yù)l8Mg3FeSi6相卻有增多的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，鍶在鋁硅合金中雖然不能改變鐵相的形貌，但卻能使β相和AlSiMnFe相發(fā)生破碎，還能使更多的鐵元素以骨骼狀A(yù)l8Mg3FeSi6相存在，以減少β相的有害影響。

圖2 不同合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of alloy 5（a）and alloy（7）

在一定面積內(nèi)，β相的數(shù)量和長(zhǎng)度與其形核和成長(zhǎng)機(jī)理有關(guān)，先析出的β相優(yōu)先形核，進(jìn)而繼續(xù)分支形成更大的β相。研究表明，鍶會(huì)減小α-Al相和β相的界面表面能，從而影響β相的成核過(guò)程。此外，鍶的添加能減小β相的長(zhǎng)度和降低其體積分?jǐn)?shù)，這與鍶對(duì)鐵相的變質(zhì)有關(guān)，它的變質(zhì)機(jī)理與對(duì)共晶硅的細(xì)化機(jī)理極其相似，鍶能吸附在β相某些晶體的晶格面上，從而破碎掉這些優(yōu)先形核的β相，使它們的分支更少［11-12］，達(dá)到消除粗大 β 相的目的。

3 結(jié) 論

（1）在含0.02%鍶的鋁硅合金中，隨著錳含量的增多，合金中的β-Al9Fe2Si2相逐漸轉(zhuǎn)變成骨骼狀或魚(yú)骨狀A(yù)lSiMnFe相，但錳含量達(dá)到0.5%后，出現(xiàn)了有規(guī)則形狀的AlSiMnFe相，它對(duì)合金的力學(xué)性能不利。

（2）在含0.3%錳的鋁硅合金中，隨著鍶含量的增加，合金中AlSiMnFe相和β-Al9Fe2Si2相的尺寸變小，β-Al9Fe2Si2相甚至消失，MgSi2相有轉(zhuǎn)變?yōu)锳l8Mg3FeSi6相的趨勢(shì)，減弱了β-Al9Fe2Si2相對(duì)合金力學(xué)性能的有害影響；當(dāng)鍶含量為0.02%時(shí)，鐵相的形態(tài)達(dá)到最佳，當(dāng)鍶含量超過(guò)0.03%時(shí)，AlSiMnFe相出現(xiàn)了聚集的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)了有規(guī)則形狀的AlSiMnFe相，這對(duì)合金的力學(xué)性能不利。

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