變質(zhì)劑對(duì)鋁鐵合金組織和性能的影響

丁杰　孫兆鑫　潘海成

【摘 要】鋁鐵合金中鐵元素固溶強(qiáng)化，合金抗拉強(qiáng)度得到提高。加入鈧鋯變質(zhì)劑后，初生富鐵相和鋁基體相晶粒都得到均勻細(xì)化，合金的力學(xué)性能再次得到提高。探討了金屬元素和稀土元素對(duì)鋁合金的強(qiáng)化作用機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】鋁鐵合金;變質(zhì)劑;抗拉強(qiáng)度;強(qiáng)化作用

中圖分類號(hào)： TG27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0110-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.046

The Effect of Alterative on Microstructure and Properties of Al-Fe Alloy

DING Jie SUN Zhao-xin PAN Hai-cheng

（Suqian College，Suqian Jiangsu 223800，China）

【Abstract】The tensile strength of the Al-Fe alloy is improved after the Iron solid solution enhancement.Then both the primary rich-iron phase and aluminum matrix phase grains are uniformly refined and the tensile strength of the Al-Fe alloy is improved again after adding the alterative of scandium and zirconium.The mechanism on the reinforcement effects of metallic and rare earth elements compound alloying on the aluminium alloy was analyzed.

【Key words】Al-Fe alloy;Alterative;Tensile strength;Reinforcement effect

鋁鐵合金保有鋁合金質(zhì)輕的特點(diǎn)，還具有硬度高，耐磨性、耐蝕性和耐高溫性良好等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為能降低工程構(gòu)件質(zhì)量和成本的有效材料[1-4]。但與鋁合金家族中的鋁硅合金相似[5]，在鑄造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)粗大的針片狀相，從而造成應(yīng)力集中，降低合金的力學(xué)性能。為了提高合金的力學(xué)性能，可以在改善澆注條件的基礎(chǔ)上，添加變質(zhì)劑以達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化[6-7]和固溶強(qiáng)化的效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用Al-6%Fe合金材料由工業(yè)純鋁和Al-15%Fe中間合金按比例配制而成，變質(zhì)劑添加由Al-2%Sc及Al-4%Zr中間合金形式加入。

將切成小塊的純鋁在高溫箱式電阻爐加熱到750℃后保溫熔化一段時(shí)間，待出現(xiàn)一定量的液態(tài)金屬液后再加入細(xì)小塊狀的Al-Fe、Al-Sc和Al-Zr中間合金，繼續(xù)升溫到900℃，保溫并充分熔化、攪拌和精煉扒渣，保溫5min后迅速澆注到已充分預(yù)熱的尺寸為？準(zhǔn)12mm×60mm的金屬鑄型中冷卻至室溫。截取部分試棒進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕和烘干，在金相顯微鏡下觀察合金的組織形貌。選取試棒加工成拉伸試樣（尺寸見圖1）后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合金力學(xué)性能的變化

Al-6%Fe合金中加入微量Sc、Zr元素后，合金的拉伸力學(xué)性能發(fā)生變化，如圖2所示。由圖可見，鋁鐵合金中由于鐵元素的固溶強(qiáng)化作用，合金抗拉強(qiáng)度提高，加入微量鈧鋯變質(zhì)劑后合金強(qiáng)度繼續(xù)得到提高。

2.2 合金微觀組織的變化

圖3所示為Al-6%Fe合金加入變質(zhì)劑前后的鑄態(tài)組織形貌。由圖a）可見，未加入鈧鋯時(shí)，Al-6%Fe合金組織中有粗大的針片狀相，且凌亂分布。加入微量鈧鋯變質(zhì)劑后，合金鑄態(tài)組織形貌發(fā)生明顯變化。由圖b）可見，合金鋁基體相晶粒圓整均勻，粗大的針片狀相慢慢分叉，逐漸向樹枝狀和花朵狀轉(zhuǎn)變，合金整體鑄態(tài)組織有明顯的均勻細(xì)化效果。

a）Al-6%Fe

未變質(zhì)組織形貌

2.3 分析與討論

鈧鋯變質(zhì)鋁鐵合金組織形貌明顯細(xì)化，抗拉強(qiáng)度提高，是合金固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。

Al-Fe-Sc-Zr合金中金屬元素和稀土元素的加入具有固溶強(qiáng)化作用，即隨著合金元素的加入，在合金熔體中形成Al-Fe、Al-Sc、Al-Zr、Al-Fe-Sc、Al-Fe-Zr、Al-Fe-Sc-Zr固溶體，起到提高強(qiáng)度的作用[8]。而且稀土元素的加入還能提高Al-Fe合金的脫氧效率[9]，均勻合金組織，這在圖2中鋁鐵合金的抗拉強(qiáng)度數(shù)值增加得到體現(xiàn)。

但是金屬元素和稀土元素在鋁中的固溶度都很小，尤其是Fe元素，一旦超出固溶度極限就會(huì)形成粗大針片狀相。同時(shí)固溶稀土元素原子為了抵消晶格畸變引起的自由能變化，會(huì)傾向于富鐵相晶界上富集偏聚[10]，從而阻礙Fe原子的擴(kuò)散，形成成分過(guò)冷。富鐵相上的細(xì)小部分在成分過(guò)冷區(qū)域具有更好的長(zhǎng)大條件[11]，使得針片狀漸漸長(zhǎng)成分叉狀。這也是圖3 b）中出現(xiàn)樹枝分叉的原因。

微量鈧鋯變質(zhì)劑加入鋁鐵合金中，還能起到均勻組織和促進(jìn)晶粒細(xì)化的作用。合金熔體超出固溶度析出的Al3Sc和Al3Zr粒子具有與α-Al基體非常接近的晶格類型和晶格常數(shù)[12]，可以在鋁合金凝固過(guò)程中起到異質(zhì)形核核心[13]的作用，提高形核率，從而細(xì)化合金晶粒尺寸。這是圖3b）中鋁基體相晶粒逐步均勻圓整的原因，合金整體鑄態(tài)組織有明顯的均勻細(xì)化作用。同時(shí)Sc、Zr元素還能起到第二相彌散強(qiáng)化的作用，所以如圖2中所示，變質(zhì)后合金的抗拉強(qiáng)度再次提高。

3 結(jié)論

1）微量金屬元素和稀土元素的加入起到固溶強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度。

2）鈧鋯變質(zhì)劑的加入起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，細(xì)化均勻合金組織，改善合金的力學(xué)性能。

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