淺議鐵元素對(duì)鋁合金的影響

王遠(yuǎn)　張若凡

摘要：6系列鋁合金是指通過(guò)澆鑄、擠壓而成的合金材料，具有良好的加工性能，在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在GIS產(chǎn)品中，6系列鋁合金廣泛應(yīng)用于法蘭、母線、管材和棒材等。不同鐵元素含量在6系列鋁合金的電學(xué)性能、機(jī)械性能的影響有著決定性的作用，如若處理不好，容易發(fā)生各類生產(chǎn)事故。6063鋁合金通常用作導(dǎo)電產(chǎn)品的導(dǎo)體、觸頭等，是一種常見的鋁合金材料。因此，有必要對(duì)6063鋁合金中Fe元素的作用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：6系列鋁合金；鐵元素；影響消除方法；合金材料；耐腐蝕性；機(jī)械性能 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG115 文章編號(hào)：1009-2374（2015）05-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0368

1 概述

6系列鋁合金是指通過(guò)澆鑄、擠壓而成的合金材料，除了NC2標(biāo)號(hào)之外，其余都是以6字頭命名的，其中6063為常規(guī)型號(hào)。6系列鋁合金在機(jī)械加工、汽車、飛機(jī)、船舶制造、通訊設(shè)施、建筑型材、農(nóng)業(yè)管網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)槠渚哂辛己玫募庸ば阅?，在?shí)際應(yīng)用中，可以被加工成管、棒、方形以及各種異型，是一種常見的鋁合金材料。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于6063鋁合金中的Fe的變量對(duì)鋁合金性能影響較大，會(huì)在后期加工中對(duì)型材的機(jī)械性能產(chǎn)生較大范圍的改變，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致氧化著色不均、機(jī)械性能降低等缺陷，所以，必須認(rèn)真研究所含F(xiàn)e元素對(duì)6063鋁合金的負(fù)面影響。6063鋁合金主要成分含量詳見表1：

表1 6063鋁合金化學(xué)成分

金屬元素 Al Mg Si Fe Cu/Mn/Zn/Ti

含量（%） 98～99 0.45～0.9 0.2～0.6 0.3～0.35 ≤0.1

2 鐵元素在6063鋁合金中的影響

2.1 鐵元素對(duì)6063鋁合金的耐腐蝕性能的影響

在戶外和潮濕環(huán)境中，金屬材料等極易腐蝕。因此，對(duì)化學(xué)性質(zhì)較為活潑的鋁材的耐腐蝕性能要求較高。

純鋁以及鋁合金在空氣中很容易氧化，生成致密堅(jiān)實(shí)的氧化膜，具有很好的自我保護(hù)作用，而且，當(dāng)氧化膜被破壞的時(shí)候，還可以與氧氣反應(yīng)，重新生成氧化膜，具有很好的“自愈”功能。但是，鐵元素對(duì)鋁合金的這種“自愈”功能卻有著嚴(yán)重的影響。隨著鐵含量的增加，鋁合金的腐蝕程度依然是呈現(xiàn)劇烈的增長(zhǎng)勢(shì)頭。實(shí)驗(yàn)可知，鐵含量近乎0的時(shí)候，年腐蝕深度最??；鐵含量增加到0.1%，年腐蝕深度增加到2倍；鐵含量增加到0.3%，年腐蝕深度增加到4倍；鐵含量增加到0.4%，年腐蝕深度增加到近乎6倍；這是因?yàn)殇X與鐵的電勢(shì)差高達(dá)1.2V，鐵元素以A1FeSi、FeA13等化合物存在，散布在鋁合金各個(gè)地方，先產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，然后逐步沿著晶線方向發(fā)展，由點(diǎn)腐蝕發(fā)展成剝層腐蝕，消弱了鋁合金的耐腐蝕能力。

2.2 鐵元素對(duì)6063鋁合金機(jī)械性能的影響

Fe原子在鋁合金中可以形成各種形狀的鐵相，其中以片狀鐵相最易形成、最為常見，該鐵相的最大負(fù)作用是可以造成鋁合金基體的斷裂，降低鋁合金的機(jī)械性能。不同的鐵元素含量對(duì)鋁合金主要機(jī)械性能影響情況見表2：

表2 鐵元素對(duì)鋁合金機(jī)械性能的影響

Fe含量（%） 腐蝕相對(duì)損失率（%） 鐵相形態(tài) 耐腐蝕性拉伸強(qiáng)度（MPa） 延伸率（%）

0.3～0.35 8 粗大針片狀β相 106（弱） 0.9

0.25 6 細(xì)小片狀 158（中） 1.1

0.2 3 漢字狀

α相 174（強(qiáng)） 1.6

由此可知，為了滿足生產(chǎn)加工的需要，就需要對(duì)鋁合金中的Fe元素含量進(jìn)行調(diào)整，從而消除Fe元素的有害作用。通過(guò)金相研究得知，F(xiàn)e多以富鐵質(zhì)金屬化合物的狀態(tài)存在于鋁合金中，其中，粗大針片狀β鐵相具有小面特征，會(huì)割裂基體，造成應(yīng)力集中，降低合金的力學(xué)性能，降低其伸長(zhǎng)率，對(duì)其塑性造成不利影響。因此，消除β鐵相具有重要意義。

2.3 相關(guān)的數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

鐵鋁基合金材料在加入不同的金屬非金屬元素之后，可以表現(xiàn)出強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗氧化、重量輕等機(jī)械特點(diǎn)。

當(dāng)鋁合金在鑄造和拉伸的時(shí)候，由于Fe、Al、Ti、Si、B等元素在一定的溫度下可以形成復(fù)合粒子，所以會(huì)出現(xiàn)鑄造縮孔、氧化膜等缺陷，其最大屈服強(qiáng)度為216.64MPa，隨著拉伸長(zhǎng)度的增加而逐漸減?。蛔畲髷嗔褟?qiáng)度為224MPa，表現(xiàn)為先減小后增大的特性。這是因?yàn)椋诠簿ЯＷ优c基體結(jié)合部出現(xiàn)的裂紋，其發(fā)展方向是沿著柱狀晶的生長(zhǎng)方向發(fā)展的，當(dāng)受到方向不一致的共晶粒子的阻擋的時(shí)候，就會(huì)增大斷裂強(qiáng)度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得知，α-Fe固熔體彌散分布于基體之中，當(dāng)加入1.5%Ti、0.1%B，可以有效抑制柱狀晶的形成，鋁合金的抗拉強(qiáng)度為585MPa，此時(shí)鋁合金的塑性較差。當(dāng)加入1.5%Ti、0.1%B、3%Mn，F(xiàn)e-AI合金的抗拉強(qiáng)度為530MPa，雖有小幅度的下降，但是其伸長(zhǎng)率≥4%，延展性明顯得到提高。

3 消除Fe相的有害作用兩種思路的應(yīng)用

消除Fe相的有害作用，多依據(jù)兩種思路而行：（1）改善Fe元素在鋁合金內(nèi)部的形貌形成，減少危害較大的針狀鐵相，使其變?yōu)槲：^小的漢字狀α相或其他形狀；（2）通過(guò)物理或化學(xué)方法，降低鋁熔體中Fe元素的含量。

3.1 改變Fe相的存在形貌

3.1.1 加入其他金屬中和Fe相。通過(guò)加入特定的金屬，將Fe分子的排列形態(tài)變成漢字狀α相，減少針狀β鐵相，進(jìn)而改變合金的強(qiáng)度、塑性與機(jī)械性能。常用金屬M(fèi)n作為中和媒介，加入適量的Mn，可以有效減少β鐵相的數(shù)量，甚至能夠讓?duì)妈F相完全消失。

3.1.2 熔體過(guò)熱。根據(jù)β鐵相在γ-氧化鋁夾雜物上可以生核的原理，澆注過(guò)熱鋁液，人為制造充分過(guò)熱條件，能夠顯著消滅有害富鐵相的形核。將合金加熱到導(dǎo)致合金結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度之上，然后迅速冷卻，迫使粗大針片狀鐵相的生成受到抑制。

3.1.3 提高冷卻速度。提高冷卻速度，可以縮短鐵相化合物的形成尺寸，在鋁合金內(nèi)部生成漢字狀化合物，替代β鐵相的生成。研究證明，低速（O.1℃/s）冷卻可以促進(jìn)β鐵相的形成，高速（10℃/s）冷卻可以有效減少β鐵相的產(chǎn)生。另外，提高冷卻速度還可以促進(jìn)鐵相的均勻分布，從而降低應(yīng)力不均勻的危害。

3.1.4 熱處理。常用的熱處理方法如下：加熱鋁合金到液相線之下的某一溫度并保持住，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，富Fe相即被溶解，發(fā)生碎斷和球化變化。

3.2 降低鋁熔體Fe元素含量

3.2.1 稀釋法。把純鋁或含鐵量較低的鋁合金，投入到含鐵量較高的鋁熔體中，從含量百分比的角度降低鋁合金的含鐵量。

3.2.2 沉淀法。沉淀法有兩種：（1）自由沉降法；（2）化學(xué)沉淀法。

自由沉降法的原理是：初生鐵相比鋁熔體密度大，在過(guò)熱溫度下，靜置鋁合金熔體，一段時(shí)間后，富鐵相就會(huì)下沉至熔體底部，類似水中沉淀泥沙。

化學(xué)沉淀法的原理是：在過(guò)熱溫度下，使用添加劑，與鐵相發(fā)生化學(xué)凝聚或置換反應(yīng)，生成密度更大的富鐵相化合物，一段時(shí)間后，富鐵相化合物從熔體底部析出。添加劑多使用含有Mn、Cr、Ni等金屬元素的金屬化合物。

3.2.3 離心法。根據(jù)離心力原理，鋁合金熔體中密度較大的鐵相會(huì)移向外緣，與鋁熔體分離。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速高效地降低鋁合金的含鐵量，缺點(diǎn)是浪費(fèi)很大，生產(chǎn)工序增多。

在實(shí)際工作中，多采用綜合辦法以提高祛除效率。如中和劑+沉淀+過(guò)濾，中和劑+沉淀+離心法等。

4 結(jié)語(yǔ)

鋁合金的耐腐蝕性和機(jī)械性能等性能都與鐵元素含量有明顯的關(guān)系。通過(guò)上述方法可以有效降低鐵元素含量，可以有效改變鐵相狀態(tài)，從而提高了鋁合金的機(jī)械性能。當(dāng)鐵相狀態(tài)被改變后，鋁合金的耐腐蝕性提高1～2.5倍，拉伸強(qiáng)度提高1.49～1.64倍，延伸率提高1.22～1.78倍，可以得到組織致密的鋁合金原件，對(duì)機(jī)械加工有著極大的幫助。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王宗和，周光水.根據(jù)工藝和用途控制6063鋁合金的成分[J].輕合金加工技術(shù)，2000，（12）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）