添加中和元素對鑄造鋁硅合金中鐵相的影響

雷一鳴 馬斌 趙銳

摘 要：鐵作為鑄造鋁硅合金中最常見的一種雜質元素，大大降低了合金的力學性能，因此消除鐵相在鑄造鋁硅合金中的有害作用是改善合金基體性能的重要方法。而添加中和元素是成本最低而且最為有效的方法。本文總結了添加不同中和元素對合金中鐵相的影響。

關鍵詞：鋁硅合金 鐵相 中和元素

中圖分類號：TG291 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0239-02

由于生產工具以及原材料的原因，鑄造鋁硅合金中不可避免的存在雜質鐵元素，鐵元素在鋁硅合金中以金屬間化合物的形式存在。常見的鐵相有α-Fe和β-Fe[1]。研究發現，α-Fe主要呈漢字狀或骨骼狀，對合金基體的傷害作用不明顯，而針狀的β-Fe會對合金基體產生割裂作用，從而嚴重的影響了鋁硅合金的力學性能[2]。

消除鐵相在鋁硅合金中有害作用的方法大體有種[3]。第一種是從根本上減少鐵在鋁硅合金中的含量；第二種是改變鐵相在鋁硅合金中的形式，避免針狀或者片狀鐵相的產生，減少β-Fe或者將β-Fe轉化為α-Fe，使鐵相盡可能的以α-Fe的形式存在。通過實踐證明，從根本上消除鋁硅合金中的Fe，成本過高，效果也不明顯；而通過加入中和元素來改變Fe在合金基體中的形態是最為直接也是最為有效的方式[4]。

所謂中和元素法是指在鑄造Al-Si系合金中加入一定量的合金元素，從而促使合金中α-鐵相的生長，同時改善針狀鐵相的相貌，使針狀的β-鐵相盡可能的轉化為α-鐵相，以此來改善合金基體的組織，從而提高Al-Si合金的力學性能[5]。常用的中和元素有很多種，比如錳，鉻，鈹，鉬，鍶等等。它們都能夠不同程度的將對基體有害的β-鐵相轉化為對基體危害很小的α-鐵相。

Mn在鋁硅合金中是最為常見也是最為常用的中和元素，在Al-Si合金中加入適量的Mn能夠大幅度的減少β-Fe的數量與尺寸[5]。究其原因，主要是Mn能與合金基體中的Al、Si、Fe等元素發生反應，生成金屬間化合物，從而使得針狀的β-Fe轉變為對基體影響較小的α-Fe。目前，錳鐵比還沒有一個確定的數值。在ZAlSi13合金中，當ω（Fe）<1.5%，添加ω（Mn）=0.5%可抑制β-Fe相生成；當ω（Fe）<1.9%時，按ω（Mn）=0.8ω（Fe）添加Mn，可抵消ω（Fe）>1.0%時β-Fe相所引起的脆性。但是要注意的是，盡管Mn能抑制針狀β-Fe相的生成，減少或消除針狀鐵相，但Fe相對合金的有害作用依然存在。首先，Mn不能完全消除合金中的鐵，且合金中富鐵相總的比例隨Mn、Fe加入量的增大而增大，這會導致鋁硅合金的塑性下降；其次，Mn的加入還給合金帶來了一些副作用。Shabestari發現，在鋁硅系合金中，增加Fe或Mn的含量會導致富鐵金屬間化合物的體積含量增加。

Cr也是很好的中和元素。Cr能與合金中的鐵、鋁、硅等元素發生化學反應，生成多種金屬間化合物，以此抑制針、片狀富鐵相的產生[4]。在鋁硅合金中加入適量的Cr能減少針狀或片狀β-鐵相存在的含量和大小，使得鐵相大多以骨骼狀或者漢字狀存在于合金中，從而減小了對基體的危害。Murali研究發現，鋁硅合金中加入Cr能使得針狀的β-鐵相轉化為星型或者漢字狀的Cr2Fe相，并且鐵相的形狀隨著合金過冷度的增大而越來越好。當然，Cr含量并不是越多越好。但有數據表明在Al-7Si-0.3Mg合金中，Cr元素能讓針狀的β-鐵相（Al5FeSi）轉化成骨骼狀或者漢字狀的α-鐵相（如Al3（Fe，Cr）4Si4Mg）。含鐵量超過1%的Al-13Si容易發生脆性斷裂，而當在該合金中加入0.2%～0.6%的Cr元素時，這種現象能得到有效的控制。又如在合金Al-5Si-1.5Cu-0.5Mg中，若該合金含鐵量為0.4%時，當添加0.2%～0.3%的Cr，會使其延伸率從1.7%上升到3.8%；若該合金的含鐵量為0.75%時，添加0.4%的Cr，將使得該合金的延伸率從0.8%上升至2.6%。

Sr在鋁硅合金中是一種常見的變質劑，它能夠細化粗大針片狀的共晶Si，將其變成細小的纖維狀[5]。于此同時，有人發現Sr對鋁硅合金中的鐵相也有一定的變質作用，G.K.Sigworth[6]和Alcan專利[7]均指出，加入適量的Sr可以使得鋁硅合金中的β-Fe相轉化為α-Fe相，有效的改善了合金中鐵相的形貌，減小其對基體的危害。A. Pennors[8]等也通過實驗發現，在319合金中添加Sr元素，合金中的Fe相形態發生了非常明顯的變化，保持冷卻速度在較低的狀態下，加入0.04%～0.06%的Sr使長針片狀的β-鐵相發生碎裂和熔斷，但是當加入過量的Sr時，β-鐵相反而更加粗大化。但也有人指出，Sr其實并沒有改變Fe相的形態。由于Sr能夠變質共晶硅，使其由針狀變成纖維狀，這樣鐵相就更加清楚的暴露在外面，從而更容易在金相上觀察到。有實驗表明Sr只能使得針狀β-鐵相發生溶斷、彎曲、分解，而不能從根本上轉化為α-鐵相。

Co與Mn的作用有些相似，但加入量較Mn來說稍多一些。Alfaro等人建議，鈷鐵比應保持在2∶1[9]。Co的加入可以使得鐵相聚集，形成對合金塑性和強度無害的樹枝狀Fe相。Mn很容易偏析而形成結構復雜的粗大晶體，而Co不會出現這種現象。

Be也是一種中和劑，在鋁硅合金中加入少量的Be，能夠增加Al-Si合金熔體的抗氧性，并提高其力學性能[10]。在砂型和激冷鑄造條下，0.2%的Be能使Al-7Si-0.6Mg合金（0.1%～0.16%的Fe）的抗拉強度和屈服強度增加5%～10%，同時不降低合金延伸率。有專利指出，在Al-6-10Si合金中加0.05%～0.5%的Be，會使鐵相的形態由針狀轉化為圓球形，從而使合金的塑性大大提高。

Mo也可用來中和Fe相，并比Mn效果更好。Mo是Al-11Si合金中Fe的有效的中和劑[11]。在1.2%Fe的鋁硅合金中加入0.2%的Mo和0.1%的S能夠使合金的延伸率從1%提高至2.8%，抗拉強度從160 MPa上升為180 MPa。

Mg也能抑制針狀鐵相對合金基體的有害作用。當合金中Fe含量較低時，Mg與Si能夠形成Mg2Si相，當鐵量增加時，還能夠形成Al-Fe-Si-Mg金屬間化合物，從而減Fe的危害。

Ni和S也能作為中和劑。關于S對鐵相的影響目前還不清楚，有人把Mo和S混合使用，作為Fe的中和劑。從相圖上推斷，硫在液態鋁中具有較高的溶度，如果S能消除Fe有害作用，則在合金中加S，既能起變質作用，又可起改善鐵相的作用。

結論

（1）通過在鋁硅合金中加入不同中和元素的方式來消除針狀鐵相的有害作用，其原理基本一致，都是將對基體有害作用較大的針狀鐵相熔為尺寸較短、形狀較圓潤對基體傷害作用不明顯的α-Fe，從而大大提高合金的力學性能。

（2）在高鐵鋁硅合金中加入的中和元素并不是越多越好。無論是哪種元素，過量的添加不僅不會改善合金的力學性能，而且會導致合金的塑性、韌性降低。

（3）在鋁硅合金中加入中和元素并不能減少合金基體中Fe的含量，只是改變其微觀形態。

參考文獻

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