Fe含量對過共晶鋁硅合金組織及流動性的影響

黃大賀　梁新理　劉文鳳　劉玲卓　王金國

摘 要：研究了鐵含量對過共晶鋁硅合金組織和流動性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著鐵含量的增加，合金組織中出現(xiàn)了越來越多的針狀富鐵相。XRD和EDS檢測表明，合金中的粗大針狀組織為β-Al5FeSi相。流動性實(shí)驗(yàn)表明，隨著鐵含量的增加，過共晶鋁硅合金的流動性逐漸下降。

關(guān)鍵詞：過共晶鋁硅合金；顯微組織；流動性；富鐵相

中圖分類號：TB333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.011

考慮到轎車輕量化的發(fā)展需求，采用全鋁發(fā)動機(jī)缸體已經(jīng)是必然趨勢。采用過共晶鋁硅合金制造轎車發(fā)動機(jī)缸套，與傳統(tǒng)的鑄鐵缸套相比，具有質(zhì)量輕、熱導(dǎo)率高、熱膨脹性能和活塞更加匹配、與缸體材料有更好的結(jié)合性能等優(yōu)點(diǎn)。為了提高過共晶鋁硅合金缸套的抗高溫磨損性能，向過共晶鋁硅合金中添加了鐵、鎳、銅等合金元素，但會使合金的鑄造性能變差。德國PEAK公司和Daimler-Benz公司用噴射沉積技術(shù)成功地研制出了過共晶鋁硅合金缸套，并應(yīng)用于V6發(fā)動機(jī)。然而，噴射沉積技術(shù)存在著工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，限制了高硅鋁合金缸套的推廣和應(yīng)用。因此，采用傳統(tǒng)鑄造法生產(chǎn)過共晶鋁硅合金缸套是未來發(fā)展的趨勢。鐵的加入可以在過共晶鋁硅合金中形成富鐵相，具有高溫穩(wěn)定性能，可以提高合金的抗磨損性能。然而，鐵的加入會降低鋁硅合金的流動性能，探究合適的鐵含量對鋁硅合金流動性能的影響具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用過共晶鋁硅合金作為基體材料，通過添加Al-Fe、純Si或純Al配制不同F(xiàn)e含量的過共晶Al-Si-Fe合金，即Al-16Si、Al-16Si-1Fe、Al-16Si-2F、Al-16Si-3Fe、Al-16Si-4Fe、Al-16Si-5Fe。采用螺旋型試樣測定過共晶鋁硅合金的流動性，使用XJZ-6 Olympus光學(xué)顯微鏡觀察試樣的鑄態(tài)組織，日本理學(xué)D/Max 2500PC Rigaku型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行X射線衍射分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流動性實(shí)驗(yàn)

圖1和表1為Al-16Si-xFe 實(shí)驗(yàn)合金流動性測定結(jié)果。當(dāng)鋁硅合金中不加鐵時(shí)（此時(shí)合金中含有少量鐵雜質(zhì)），合金流動性試樣長度為1 342 mm。隨著鐵含量從1 wt.%增加到5 wt.%時(shí)，Al-16Si-xFe合金的流動性試樣長度從1 241 mm減小到350 mm。當(dāng)鐵含量為5 wt.%時(shí)，流動性試樣長度與不加鐵時(shí)相比減小了73%.由此可見，鐵對鋁硅合金的流動性有巨大的影響，大大降低了鋁硅合金的充型能力，嚴(yán)重影響了合金的鑄造性能。

2.2 鐵對過共晶鋁硅合金鑄態(tài)組織的影響

圖2為不同鐵含量下Al-Si-xFe合金的鑄態(tài)組織圖。圖2（a）、2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）對應(yīng)的成分分別為Al-16Si、Al-16Si-1Fe、Al-16Si-2Fe、Al-16Si-3Fe、Al-16Si-4Fe、Al-16Si-5Fe。從圖2（a）中可以看出，未加入鐵時(shí)，鋁硅合金主要是由塊狀的初生硅、短針狀共晶硅和-Al組成。當(dāng)加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵后，從圖2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）中可以看出，Al-Si-xFe合金中開始出現(xiàn)長針狀的組成相。隨著鐵含量的增加，生成的新相逐漸增多，而塊狀初生硅相逐漸減少。當(dāng)鐵含量增加到4 wt.%以后，合金中的大量新相開始出現(xiàn)纏結(jié)，形成網(wǎng)狀。

圖3為實(shí)驗(yàn)合金Al-16Si和Al-16Si-2Fe合金的XRD 圖譜。由圖3可知，在過共晶鋁硅合金中，主要的相組成為α-Al和Si相。加入鐵后，在過共晶Al-Si-Fe合金中，除了含有α-Al和Si相外，又形成了AlxFeSi新相。

2.3 鐵對過共晶鋁硅合金流動性的影響

液態(tài)金屬本身的性質(zhì)對流動性具有決定性的作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制鐵含量為單一變量，盡可能地減小實(shí)驗(yàn)誤差。合金凝固方式對其流動性有非常重要的影響。大野篤美認(rèn)為，具有一定結(jié)晶溫度范圍的合金在結(jié)晶過程中會在流股前端形成大量的等軸晶顆粒。金屬液的黏度隨著凝固的進(jìn)行而逐漸增加，最后因?yàn)榍岸说容S晶的堵塞而停止流動。對于鋁硅合金來說，其流動性的最佳值并不是在鋁硅合金的共晶點(diǎn)處，而當(dāng)硅含量為16%～18%時(shí)，會達(dá)到最大值。造成這種反常現(xiàn)象的原因是硅結(jié)晶時(shí)潛熱的釋放。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，硅的結(jié)晶潛熱為1.41×106 J/kg，其結(jié)晶潛熱比α-Al的大3倍左右。當(dāng)硅含量進(jìn)一步增加時(shí)，過共晶鋁硅合金中由于粗大初生硅的析出使其流動性降低。當(dāng)在鋁硅合金中加入鐵后，當(dāng)其凝固時(shí)，會形成粗大的富鐵相。這些富鐵相會在流股前端塞積，隨著含鐵量的增加，析出的富鐵相越來越多，尺寸也越來越大，最終聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀，嚴(yán)重堵塞了流道。隨著流股前端析出的相越來越多，合金液的黏度也越來越大，最終流股前端因壓頭過小而停止流動。因此，隨著過共晶鋁硅合金中鐵含量的不斷升高，合金的流動性逐漸下降。

3 結(jié)論

在過共晶鋁硅合金中加入鐵后會形成長針狀的富鐵相。XRD檢測結(jié)果表明，富鐵相為β-Al5FeSi相。

鐵的加入對過共晶鋁硅合金的顯微組織有很大的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著合金中鐵含量的增高，合金中粗大的富鐵相組織也越來越多。當(dāng)鐵含量達(dá)到4 wt.%以后，長針狀的富鐵相開始出現(xiàn)聯(lián)結(jié)。當(dāng)鐵含量進(jìn)一步增加時(shí)，可以看到富鐵相相互搭接糾纏，形成了復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

流動性實(shí)驗(yàn)表明，鐵的加入會對合金的鑄造性能產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)鐵含量從1 wt.%增加到5 wt.%時(shí)，鋁硅合金的流動長度從1 241 mm減小到350 mm。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是，隨著鐵含量的增加，生成的富鐵相越來越多，最終形成網(wǎng)狀，嚴(yán)重堵塞了流道，大大降低了合金的流動性能。因此，必須控制鐵含量，以減小其對過共晶鋁硅合金鑄造性能的損害。

參考文獻(xiàn)

[1]馬鳴圖，石力開，熊柏青，等.噴射沉積成型鋁合金在汽車發(fā)動機(jī)缸套上的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，2001（2）.

[2]孫廷富，張樹勇，楊波，等.高硅鋁合金缸套/缸體制造技術(shù)及應(yīng)用[J].兵器材料科學(xué)與工程，2013（6）.

[3]陳宗民.鑄造金屬凝固原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[4]Flemings，Merton C.Solidification processing.Metallurgical & Materials Transactions A，1974， 5（10）.

[5]大野篤美.金屬凝固學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

〔編輯：白潔〕