汽車用鋁合金富鐵相形貌研究

周鵬飛,陸從相

（1.鹽城工業職業技術學院，江蘇鹽城 2240 05；2.江蘇中色銳畢利實業有限公司，江蘇鹽城 2240 05）

汽車用鋁合金富鐵相形貌研究

周鵬飛[1,2],陸從相[1]

（1.鹽城工業職業技術學院，江蘇鹽城 2240 05；2.江蘇中色銳畢利實業有限公司，江蘇鹽城 2240 05）

由于A l-S i合金優異的機械性能，從而廣泛應用于汽車制造業，然而F e是這類合金中最主要的雜質元素，顯著地降低了合金的力學性能。本文運用X射線來鑒別F e相組織，同時用掃描電鏡技術來觀察富鐵的特征。通過X射線圖譜已經證實A l-S i合金顯微結構中存在三種富鐵相，其為α-F e (A l15F e3S i2)，β-F e(A l5F e S i)和δ-F e (F e S i2A l4)。在形態特征上，α-F e, β-F e 和δ-F e分別為長針狀、漢字狀和長塊狀。并簡要分析了針狀F e相孿晶生長過程。

A l-S i；富F e相；顯微結構；形態

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 3

Al-Si合金具有優越的鑄造性能較高的強度、低密度和良好的耐蝕性, 廣泛地應用于航空、航天、汽車、電子等行業。隨著現代工業及鑄造新技術的發展, 對鑄造鋁合金需求量越來越大。然而Fe被認為是鋁合金中最為有害的雜質元素，由于它鋁合金中的固溶度很低, 少量的便與鋁合金中的其它元素化形成針片狀的Fe相，它割裂了基體, 大大降低了鋁合金的機械性能，尤其是延伸率[1-4]。鋁硅合金中的鐵通常以金屬間化合物的形式存在, 含鐵量超過0.8%時，鐵元素將與鋁及其他元素形成明顯的針狀、片狀的金屬間化合物，常見的有α-Fe相(Al8SiFe2)和β-Fe相(Al5SiFe)兩種，前者的微觀組織表現為漢字狀，后者為針狀(立體為片狀)。針狀鐵相對合金的力學性能有害，硬而脆的針狀的β-Fe相會破壞金屬基體的連接強度,大幅降低合金的力學性能，尤其是合金的塑性。目前消除Al-Si合金中Fe危害作用的方法主要有：①設法去除己經存在于Al-Si合金中的Fe元素; ②改善Al-Si合金中Fe相的形貌。本文主要研究Al-Si合金組織中的富Fe相的形態、大小。

1 實驗材料與方法

實驗所用原材料有：ZL101、Al-20.48%Fe中間合金。

在GR2-5-10井式坩堝溶鋁爐中熔煉ZL101。升溫800 ℃時用六氯乙烷對熔體進行精練處理，靜置15 min后扒渣。在熔煉溫度為800 ℃時, 再將稱量好的Al-20.48%Fe合金（配制成含1.2%Fe的合金）加入到合金液中,把熔煉好的合金液在800℃時澆注到預先準備好圓筒鑄鋼模,模具預熱到200 ℃，模具其尺寸為φ10 mm×100 mm。澆注完畢后,分別把試樣截斷，取其中間部位，加工成φ10 mm×6 mm的圓柱。金相試樣經過預磨、粗磨、細磨和手工拋光,最后用0.5%HF水溶液進行顯微組織浸蝕,然后用MeF3型光學顯微鏡觀察金相組織，并對1.2%Fe的試樣進行了XRD檢測，并進行SEM掃描分析Fe相形貌。

2 實驗結果與分析

2.1 含1.2%Fe合金XRD分析

根據查閱的文獻[5]可知，析出的富Fe相有兩種截然不同的結構特征：片狀β- Al5FeSi和漢字狀（骨骼狀）α-Fe(Al15Fe3Si2)，文獻中所報道的化學計量式分別為β-Al9Fe2Si2和α-Al12Fe3Si2。富Fe相析出可分為三個階段：①先枝晶前（Pre-dendrite）析出的初生Fe相，一般出現在高Fe（大于0.8%）的合金中；②后枝晶或者是先共晶前析出的共晶Fe相，其析出溫度為590 ℃，Richard[5]指出，在亞共晶Al-Si合金中，當枝晶α-Al界面前沿的Fe原子溶質濃度達到0.05%時，析出β-Al9Fe2Si2相；③共晶（Co-eutectic）富Fe相析出，主要是指三元共晶Fe相。

為確定合金中的Fe相，因此對配備好的合金進行XRD衍射花樣分析，如圖1。從圖樣分析中可明顯看出合金中含有Al相，Si相，微量的α-Fe相和β-Fe相。

圖1 含1.2%Fe合金的XRD衍射分析圖樣

2.2 含1.2%Fe合金的鐵相形貌分析

在鑄造鋁硅合金的成分范圍內, 常見的鐵相為α相和 β相二種, 其晶體結構分別為六角晶型 (也有人認為是立方晶型) 和單斜晶型[4,5],相通常以α-Al8SiFe2漢字狀 (或骨骼狀) 的形式存在,β-Al5FeSi則以針狀 (立體為板狀) 形式存在相出現在含鎂的合金中, 在固溶熱處理過程中會溶入到基體中去[6]。對鋁硅合金有不利作用的主要是β鐵相, 在正常的凝固條件下, 鐵更傾向于以針狀β-Al5FeSi相結晶, 又Al5FeSi易粗大化。

本文通過SEM分析，得出如圖2所示，同一試樣中不同部位可找到不同形態的Fe相，圖2.a為典型的漢字狀Fe相，b為六角狀Fe相，c為骨骼狀Fe相， d中可以形象的看出魚骨狀Fe相，而在e、f中可以看出長塊狀和長針狀的Fe相。由于熔體處理及精煉處理等工藝的影響致使Fe彌散分布在集體上，因此給Fe相形貌分析帶來了不少困難，目前的研究只找出這幾種Fe相形貌。

對本文的亞共晶鋁硅合金來說[7-9], 鐵相的析出應隨著合金液體冷卻, 首先初生鐵相開始生長,然后才是鋁枝晶，再后是漢字狀(或樹枝狀) 鐵相。當在冷卻速度較慢時，基本可消耗掉鐵元素, 則合金組織中沒有針狀鐵相；而在非平衡凝固(冷卻速度特別快) 時，鐵相基本上以針狀鐵相和樹枝狀鐵相為主。鋁硅合金中最終鐵相的形態取決于鐵相生長的時間, 若在A2Al 枝晶之前生長則鐵相生長為初生A鐵相；若與A2Al枝晶同時生長, 鐵相成為樹枝狀。

2.3 針狀Fe相的生長機理

由于鋁合金中的長針狀Fe相的存在嚴重割裂了集體，因此分析針狀Fe相的生長機理對改善Fe相形態或者去除Fe相有很大的影響。如圖3示意了針片狀Fe相生長的機理，可以看出針片狀的Fe相首先是形核并以孿晶的方式生長如圖3.a，然后枝晶沿每一個擇優方向生長如圖3.b所示，從圖3.c可看出最后長成細長的片狀。

圖2 不同Fe相形貌

圖3 針狀Fe相生長示意圖

3 結語

(1)本文研究的亞共晶鋁硅合金中Fe相有多種形貌：長針狀、長塊狀、漢字狀、骨骼狀、六角狀、魚骨狀等；

(2)長針狀Fe相以孿晶方式生長，并沿每個擇優方向生長，最終形成細長的片狀。

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Study on the iron-rich phase of automobile aluminum

ZHOU PengFei[1,2],LU CongXiang[1]
（1.Yancheng Vocational Institute of Industry Technology, Yancheng 224005, Jiangsu,China;2.Jiangsu CNPT-RABILY Co., Ltd., Yancheng 224005, Jiangsu,China）

For the excellent mechanical properties of Al-Si alloy, so it widely used in automobile manufacturing, but the Fe is the main impurity element which signif i cantly reduces the mechanical properties of the alloy. In this paper, XRD is used to identify the Fe-phase structure, and SEM is also applied to observe the iron-rich features.By X-ray spectra, there are three iron-rich phase, which is α-Fe (Al15Fe3Si2), β-Fe (Al5FeSi) and δ-Fe (FeSi2Al4). On the morphology, α-Fe, γ-Fe and γ-Fe were long needle-like、characters and fi ne block. And a brief analysis of the twin growth process of needle-Fe phase.

Al-Si; iron-rich phase;microstructure;morphology

T G 146.21；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 08-03

2017-03-28

稿件編號:170 3-1722

周鵬飛（198 8—），碩士研究生，主要研究方向：汽車用鋁合金.