消除鐵相在鑄造鋁硅合金中有害作用的方法

魏芳璽++雷一鳴++馬斌

摘 要：鑄造鋁硅合金性能優良，鐵作為該合金中最常見的一種雜質元素，對合金的性能造成了影響，因此，消除鐵相在鑄造鋁硅合金中的有害作用迫在眉睫。本文系統的歸納了國內外除鐵的方法和原理。分析認為，加入中和元素法成本最低，操作性最好，但是仍然需要繼續研究更加有效的中和元素。其次，將幾種方法綜合使用，或許除鐵效果更好。

關鍵詞：鋁硅合金 鐵相 性能

中圖分類號：TG243 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0084-02

鑄造鋁硅合金強度高、容重小、鑄造性能良好、加工性能優良，是鑄造鋁合金中被應用最為廣泛的一種材料，鐵是鑄造鋁硅合金中最常見的一種雜質[1]，減少鐵元素在鋁合金中的含量是鋁回收利用以及鋁的常規生產中必須解決的問題。

α-鐵相和β-鐵相是鋁硅合金中最常見的兩種鐵相[2]。經研究發現，α-鐵相以漢字狀或骨骼狀以及其它形態存在，對基體的有害作用不是很明顯[3]；而β-鐵相由于其呈粗大針狀，形變不均勻，從而導致鐵相與金屬基體交界處存在比較高的應力集中，使得鋁硅合金的力學性能明顯降低。因此，如何減少這種針狀鐵相，對改善鋁硅合金的性能有重要意義。

消除鐵相在鋁硅合金中有害作用的方法大體有兩類：第一類是從根本上減少鐵在鋁硅合金中的含量；第二類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-鐵相或者將β-鐵相轉化為α-鐵相，使鐵相盡可能的以α-鐵相的形式存在[4]。

1 減少鐵在合金中的含量

從根本上降低合金中鐵的含量，從而減小鐵相對合金的有害作用。常見的有重力沉降法，過濾法，離心去除法和電磁去除法。這幾種方法有相似之處：都是利用熔體與富鐵相的密度差，使鐵相與熔體發生分離，從而達到去除鐵相的目的。

1.1 重力沉降法[5]

重力沉降法是利用初生鐵相的密度大于鋁硅合金熔體密度這個特點，將合金熔體在一定的溫度下放置一段時間，富鐵相由于密度大的原因自由沉降至合金熔體底部而得以消除。但是，由于沉降需要的時間會比較長，而且爐溫還必須在一個相對比較低的范圍內，待鐵相完全分離完成后熔體才能重新升溫，否則，沉降的鐵相又會因為溫度的升高而重新溶入合金的熔體內，所以這種方法在實際應用中十分麻煩。

1.2 過濾法[6]

過濾法的原理是利用過濾布、過濾網、板等一些工具使先析出的大塊化合物從熔體中過濾出來，利用這種方法可以使合金中鐵的含量下降到0.7%以下。但前提是在過濾時，除鐵相之外的其它相必須呈液態的形式，所以它不適用于亞共晶鋁硅合金和過共晶鋁硅合金。再者，當鋁液的粘度比較高時，析出的固相分離起來比較困難，過濾非常不容易，使材料嚴重浪費；而當鋁液粘度較低時，過濾相對容易，但形成的硬質相較難析出。

1.3 離心去除法[7]

利用離心去除法除鐵的原理和重力沉降法原理相似，都是利用鐵相和熔體之間的密度差使之分離，只不過離心去除法是通過離心力的作用使鐵相分離。研究表明，利用這種方法可以使得鋁硅合金內部的鐵相從2.07%降低至0.27%。但該方法容易造成鋁料浪費，而且耗費人力物力。應用于生產實際仍需較大改進。

1.4 電磁去除法[8]

電磁分離法主要是利用電磁驅動力對Fe2Al金屬間化合物和鋁液的作用方向不同，從而將化合物從鋁液中分離出去的方法。這種方法除鐵效率較高，但工藝比較復雜，對設備的要求也較高，所以生產成本較高。

2 改善鐵相形貌

這類除鐵法是通過加入其它的合金元素或使用工藝方法使得鋁硅合金中的針狀或者片狀β-鐵相盡可能多的轉化為α-鐵相，以此來減小β-鐵相對基體的割裂作用，降低鐵相對合金機械性能的影響，提高鋁硅合金的機械性能。實施這一類措施的方法相對較多，大體有加入中和元素法；熔體過熱法；提高冷速法等等。

2.1 加入中和元素法[9]

所謂加入中和元素法是指鋁硅合金通過加入一定量的中和元素（合金元素），促使α-鐵相的生長，改善針狀鐵相的相貌，盡可能的使β-鐵相轉化為α-鐵相，以此來提高鋁硅合金的機械性能。常用的中和元素有很多種，比如錳，鉻，鈹，鉬等。它們都能夠不同程度的將片狀或者針狀β-鐵相轉化為對基體危害很小的α-鐵相。Mn是最常見的中和元素，在鋁硅合金中加入一定量的Mn能使針狀的β-鐵相的尺寸和形狀均發生顯著變化，甚至能夠將其完全轉化為α-鐵相。

另外還有一些應用相對較少的中和劑， 如 Cr、Co、B e、T i、Mo、Ni、S、V、RE等。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。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冷速的提高而越來越好。但是有人發現，盡管Cr元素能夠減少或者消除合金中的β-鐵相，但它并不能使鐵相的有害作用完全消除。加入Cr會使得富鐵相在合金中的比重隨著（Fe、Cr）量的增多而越來越大，這最終會導致鋁硅合金的延伸率降低，塑性下降。

Murali比較系統地研究了Be對鋁硅合金中鐵相的影響。發現在加入適量的Be后，鋁硅合金中的鐵相成為多角形、六角形及漢字狀。當高Fe（1.0%）高Be（>0.2%）時，六角形Be2Fe相較多；當Fe含量較低（<0.6%）且Be含量也較低（<0.18%）時，鐵相一般呈漢字狀；甚至在高Fe（>0.70%）低Be（<0.18%）時，也僅見有漢字狀鐵相；如果Fe和Be含量都很低時，則基本上不能區分鐵相。有專利稱，在鋁硅合金（含6%～10%Si）中加入0.05%～0.5%的Be，可以促使富鐵的金屬化合物成為圓形、球形或橢球形。endprint

鈦含量對鐵相形態和性能影響的研究指出，隨著合金中鈦含量的變化，鐵相形態和體積均發生變化。

除此以外，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和Alcan專利均發現加入適量的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。但也有人指出，Sr其實并沒有使Fe相的形態發生改變。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。

2.2 熔體過熱法[10]

熔體過熱法不需要在合金中添加任何元素就能改善合金中鐵相的形式。并且作用對象的范圍相對較廣。澆注前的充分過熱能有效的改善熔體內有害鐵相的形核。高溫條件會使得γ-相直接轉化為α-鐵相，從而避免了在低溫下轉化為針狀的β-鐵相。但影響熔體過熱效果的因素也有很多，有研究發現，當鋁硅合金中有鎂存在，或者硅的相對含量低，或者冷卻速度較慢，都會影響這種方法的最終效果。除此以外，熔體溫度過高，對合金的燒損會加重，合金內部的夾雜物增多等等，這些都會最終影響到合金的整體性能。

2.3 提高冷速法[11]

提高冷速法是通過提高鐵的臨界值含量去抑制針狀β-鐵相的產生，從而達到改善基體性能的目的。β-鐵相產自于平衡凝固；由于較低的冷卻速度有利于β-鐵相的產生，而當冷卻速度很高時，就會對β-鐵相產生抑制作用。所以冷卻速度的提高使得合金中的β-鐵相大幅減少，而骨骼狀或者漢字狀的α-鐵相增多。正因如此，鐵相對砂型鑄造的害處要遠大于鐵相對金屬型的危害。但又有研究指出，當冷卻速度太大時，更有利于析出β-鐵相。

2.4 熱處理法

鋁合金的常規熱處理方法是將其加熱到液相線以下某一溫度，然后保溫。在固相線溫度進行熱處理，能使富Fe相溶解、碎斷、球化，從而改善合金的性能。

3 結語

第一類方法是從根本上減少合金中鐵的含量，而實際結果表明，將鐵從合金中分離出去是比較困難的，而且這種方法成本太高。需要額外增加很多設備，調整很多技術，因此實際生產中應用并不多。

第二類方法是改善鐵的形貌，盡可能的減少合金中針狀鐵相的數量，從而達到提高合金性能的目的。這類方法操作性更好，成本也較低，其中，添加中和元素法最值得應用和推廣，但仍然需要大量研究以尋找更為適合的中和元素。此外，也可以將兩類方法綜合起來，或許能夠達到更好的除鐵效果。

參考文獻

[1] 劉建方.鍶、錳對改善鑄造鋁硅合金中鐵相有害作用的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[2] 方東.Ce、RE對高鐵鋁硅合金組織和性能的影響[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[3] 周曉霞，張仁元，劉銀赤.鋁硅合金中鐵相存在的形態及影響其形成的因素[J].廣東有色金屬學報，2003，15（1）：51-54.

[4] 孫益民.消除鐵在鋁合金中有害作用的途徑[J].鑄造技術，2009，30（4）：520-522.

[5] S.G.Shabestari，J.E.Gruzleski.Grain refining of hypoeutectic Al-Si alloy[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1995，26A（4）：999-1006.

[6] 劉榮遷，賈曉偉，劉錦明，等.鑄造鋁合金的除鐵[J].特種鑄造及有色合金，2001（1）：107-108.

[7] Joon，Pyou Park.Birth and recent activities of electromagnetic processing of materials[J].International，1989，29 （12）：981-992.

[8] 李天曉，許振明，張雪萍，等.電磁分離降低鋁硅合金中鐵含量[J].上海交通大學學報，2001，35（5）：664-667.

[9] 于福鼎.用中和法消減鐵在合金匯總的有害作用[J].熱加工工藝，2000（4）：55-56.

[10] D.N.Khudokormov，A.M.Galashko，S.N.Lekakh.Effect of modificationon the form of iron-rich inclusions in aluminum alloys[J].Russian Castings Production，1975（5）：198-199.

[11] C.Mascre.Influence of iron and manganese on type A-S13 alloys[J].Fonderie.1995，108：4330-4336.endprint