不同錳鐵比對(duì)Al-18Si鑄態(tài)組織與性能的影響

雷華，李林鑫

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646005）

鋁硅合金硅含量大多為4%～22%。鋁硅合金鑄造性能良好，特別是通過(guò)熱處理和變質(zhì)處理，可以獲得較好的物理性能和力學(xué)性能，并具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力，加工工藝能力也比較好。目前鑄造鋁合金是使用最廣，品種最多的合金。鋁硅合金有亞共晶、共晶和過(guò)共晶三類(lèi)，其中過(guò)共晶鋁硅合金含硅量較高，與其他兩類(lèi)比較，有密度和熱膨脹系數(shù)小、耐磨性和耐腐蝕性好，尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。鋁硅合金還可以通過(guò)變質(zhì)處理來(lái)改善合金的切削加工性能和機(jī)械性能，一般應(yīng)用于活塞的制造。鋁硅合金中的鐵被認(rèn)為是一種有害雜質(zhì)，特別是在鋁硅合金反復(fù)回收利用時(shí)，其鐵含量不斷增加，嚴(yán)重影響了合金的使用性能[1]。

當(dāng)前，大多數(shù)研究都集中在將Fe作為鋁硅合金中的雜質(zhì)元素，而將大量的Fe作為特定的合金元素加入到過(guò)共晶鋁硅合金中，考察較高含鐵量對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織與性能的研究鮮有報(bào)道。此外，研究在工程條件下穩(wěn)定存在并具有相對(duì)較好形貌的富鐵相，對(duì)高鐵過(guò)共晶鋁硅合金的應(yīng)用也具有重要意義。

本課題正是以含硅量為18wt.%、含鐵量為3wt.%的過(guò)共晶Al-Si合金為研究對(duì)象，通過(guò)控制Mn的加入量，考察Al-18%Si合金中富鐵相的形態(tài)和力學(xué)性能的變化，找到高鐵Al-18%Si合金中富鐵相形態(tài)較佳化的Mn含量，從而改善鑄件質(zhì)量、提高高鐵鋁合金的回用率，進(jìn)而降低企業(yè)成本，同時(shí)為高鐵過(guò)共晶鋁硅合金的回用做研究基礎(chǔ)。

1 不同含量的Mn對(duì)Al-18Si-3Fe合金的抗拉強(qiáng)度

表1為不同合金成分鑄態(tài)下的抗拉強(qiáng)度。從表1可以看出，Al-18Si的平均抗拉強(qiáng)度為150MPa。加入3wt.%Fe后，合金的平均抗拉強(qiáng)度急劇下降至113.3MPa，降低幅度達(dá)到了24.5%。

表1 抗拉強(qiáng)度 /MPaTab.1 Tensile Strength /MPa

向Al-18Si-3Fe中加入Mn后，合金的平均抗拉強(qiáng)度得到改善。隨著Mn含量的增加，合金的平均抗拉強(qiáng)度不斷提高，當(dāng)Mn含量為3wt.%時(shí)，合金的平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值135.2MPa。隨著Mn含量的繼續(xù)增加，合金的平均抗拉強(qiáng)度逐漸降低[2]。

2 Al-18Si及Al-18Si-3Fe-xMn合金的顯微組織

圖1是Al-18Si及Al-18Si-3Fe-xMn合金的顯微組織。從圖1的（a）中可以看到，Al-18Si合金的鑄態(tài)組織中由初晶硅+共晶體（α-Al+共晶硅）組成，初晶硅的形貌呈粗大的板片狀和五瓣星形狀，共晶硅細(xì)長(zhǎng)的針條狀分布于基體上。大多初晶硅的尺寸在110μm～170μm之間。

從圖1的（b）中可以看到，向Al-18Si合金中加入3%的Fe后，初晶硅的形貌發(fā)生明顯改變，由變異的五瓣星形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮陌鍓K狀。大多初晶硅的尺寸在110μm～130μm之間。大量的粗大雙條狀與極少量塊狀的富鐵相分布于基體上。共晶硅的長(zhǎng)度與大小明顯減小。在富鐵相附近還有少量縮松存在，這應(yīng)該是在凝固過(guò)程中，較高溫度下首先析出的粗大雙條狀富鐵相阻礙了金屬液的流動(dòng)，降低其補(bǔ)縮能力有關(guān)。另外，還出現(xiàn)了非常明顯的樹(shù)枝狀的組織，這是典型的初生α-Al的形貌。

當(dāng)向Al-18Si-3Fe合金中加入1.5%Mn，如圖1中（c）所示。初晶硅的尺寸明顯減小，其尺寸多在20μm～45μm之間。粗大的雙條狀富鐵相基本消失，出現(xiàn)大量三葉狀、塊狀的富鐵相及少量板條狀的富鐵相。部分初生硅和富鐵相“混合生長(zhǎng)”，不但有初生硅包裹富鐵相的形貌存在，而且還有富鐵相包裹初生硅的形貌存在。

當(dāng)向Al-18Si-3Fe合金中加入2.1%Mn，如圖1中（d）所示，三葉狀、塊狀富鐵相尺寸減小，仍然存在板條狀的富鐵相。

當(dāng)向Al-18Si-3Fe合金中加入3%Mn，如圖1中（e）所示，富鐵相的形貌變得多樣化，有三葉狀、四葉狀、塊狀、田字狀和塊狀。板條狀的富鐵相變得很少。初晶硅的尺寸在25μm～40μm之間。

圖1 Al-18Si及Al-18Si-3Fe-xMn合金顯微組織Fig.1 Microstructures of Al-18 Si and Al-18 Si-3Fe-xMn alloys

當(dāng)向Al-18Si-3Fe-xMn合金中的Mn含量超過(guò)3%，如圖1中（f）和（g）所示，初晶硅的尺寸隨著Mn含量的提高而增加，當(dāng)Mn含量為3.6%時(shí)，多數(shù)初晶硅的尺寸在15μm～30μm之間；當(dāng)Mn含量為4.5%時(shí)，多數(shù)初晶硅的尺寸在30μm～55μm之間。富鐵相主要以三葉狀、四葉狀、塊狀、田字狀和塊狀的形貌出現(xiàn)，尺寸也有所變大，同時(shí)板條狀富鐵相有增加的趨勢(shì)。

綜上可知，在Al-18Si-3Fe合金中，Mn的加入，使組織中的富鐵相形貌發(fā)生相當(dāng)明顯的改變。由粗大的雙條狀富鐵相占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的形貌轉(zhuǎn)變?yōu)槿~狀、四葉狀、塊狀、田字狀和塊狀富鐵相占多數(shù)的形貌。根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]，α鐵相和β鐵相都是通過(guò)δ高溫鐵相和剩余液相發(fā)生包晶反應(yīng)生成，α鐵相也可以通過(guò)包晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。在平衡凝固過(guò)程中，δ高溫鐵相先析出。非平衡凝固組織中出現(xiàn)δ高溫鐵相，是由于在較大冷卻速度下，δ高溫鐵相向β鐵相的包晶反應(yīng)變得困難，而不是較大的冷卻速度抑制了β鐵相的形核生長(zhǎng)。在高溫區(qū)，α鐵相和β鐵相分別通過(guò)包晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)棣妈F相，當(dāng)冷卻速度非常大時(shí)，包晶反應(yīng)難以進(jìn)行，而使δ高溫相保留至室溫。Mn的加入，使α相從準(zhǔn)穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相，L+α→β的包晶反應(yīng)不再發(fā)生，L+δ→β的包晶反應(yīng)也受到抑制，L+δ→α的包晶反應(yīng)受到促進(jìn)。

Mn和Fe是可以相互置換的，Mn的加入，在改善Fe相形貌的同時(shí)會(huì)增加Fe相的含量。有研究[5]發(fā)現(xiàn)，每增加1%的Mn，F(xiàn)e相的體積分?jǐn)?shù)就會(huì)增加3.3%。而且α鐵相也是一種脆性相，只是其危害作用比β鐵相小。這也解釋了Al-18Si-3Fe-xMn合金，Mn含量為3%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度最好，當(dāng)Mn含量超過(guò)此值，其抗拉強(qiáng)度隨Mn含量的提高而降低。

同時(shí)，分析可知，F(xiàn)e的加入使初晶硅由變異的五瓣星形轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍓K狀，這可能是富鐵相先于初晶硅析出，抑制了初晶硅向變異的五瓣星形生長(zhǎng)。Mn的加入進(jìn)一步細(xì)化了初晶硅的尺寸。

3 結(jié)論

（1）Al-18Si鑄態(tài)組織中的初晶硅以粗大板片狀和五瓣星形為主，共晶硅以細(xì)長(zhǎng)的針條狀為主。Al-18Si合金的平均抗拉強(qiáng)度為150MPa。Al-18Si合金中加入3%Fe，將形成大量的雙條狀富鐵相時(shí)，會(huì)大大降低合金的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，改變初晶硅的形貌，使其由粗大的變異五瓣星形轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮陌鍓K狀，還促使合金中出現(xiàn)亞共晶組織初生α-Al。合金的平均抗拉強(qiáng)度急劇下降至113.3MPa。

（2）Al-18Si-3Fe合金中加入Mn，可改善富鐵相的形貌。隨著Mn含量的增加，富鐵相由粗大的雙條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^小的三葉狀、四葉狀、塊狀、田字狀和塊狀。并且對(duì)初晶硅、共晶硅、富鐵相起到細(xì)化作用。當(dāng)Mn含量達(dá)到3%時(shí)，效果最好，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值135.2MPa。當(dāng)Mn含量超過(guò)3%時(shí)，初晶硅和富鐵相的尺寸都有所增加，合金的抗拉強(qiáng)度也開(kāi)始下降。在較高冷卻速度下，Mn的增加并不能完全抑制條狀富鐵相的出現(xiàn)。

[1]孫進(jìn)寶.Al-15.5Si-4.5Cu-1.0Zn-0.7Mg-0.5Ni變形合金組織與性能研究[D].東北大學(xué),2011.

[2]林沖.高鐵含量過(guò)共晶鋁硅合金的超聲處理及流變特性[D].華中科技大學(xué),2014.

[3]Orozco-González P,Castro-Román M,Martínez A I,et al.Precipitation of Fe-rich intermetallic phases in liquid Al-13.58Si-11.59Fe-1.19Mnalloy[J].Intermetallics,2010,18(8):1617-1622.

[4]HuangHJ,CaiYH,CuiH,etal.InfluenceofMnadditionon microstructureandphaseformationofspray-depositedAl–25SixFeyMnalloy[J].Materials Science and Engineering:A,2009,502(1):118-125.

[5]Lee T B.Definitions in thermal analysis[J].ModernCasting,1985,75(11):39-41.