Fe-Al-C系合金的結構和性能的分析與研究

王雪峰 吳志東 王鳳娟

(齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

在Fe-Al系合金的α-固溶體區域，當含碳量少時，就已經析出了第二相(K)，它是鐵磁性的，具有面心晶格，是Fe3AlCn型的化合物。同時發現，該相的存在對某些物理性能——耐熱性、磁性及其它性能，具有巨大的影響。Fe-Al-C平衡圖的鐵的一角，只是對高碳含量(>1%)的合金構制的。當碳含量為0.02～0.04%及更低時，也發現了K相。含8～16% Al的合金是一系列軟磁材料中最基本的，其磁性對結構的不均勻性是敏感的。因此，對低碳含量Fe-Al-C合金的結構、K相析出對磁性的影響進行系統的研究，以及確定碳在所指成分的Fe-Al系合金中的溶解度極限的研究是很有意義的。

1 Fe-Al-C合金的制備

含C量在0.002～0.003%的Fe-Al系合金，是用氫中精煉的鐵(純度99.97%)在10 kg真空爐中熔煉得到，其余的合金都在30 kg的真空爐中熔煉得到。為了制得各種碳含量的合金，在爐料中加入石墨。所有合金的鑄坯都軋成厚3.0 mm的板材和鍛成直徑為8 mm的棒料。合金的熱加工在1 100～1 150 ℃的溫度范圍內進行。合金的熱軋坯通過無中間熱處理的溫軋，軋成厚0.2 mm的鋼帶。含10%和8% Al的合金結構化試樣，也按相同的工藝制得，不同的是采用了中間熱處理。

2 研究的方法和試樣

采用金相分析和膨脹分析法確定碳的溶解度極限。磨片由熱軋板(厚3.0 mm)和鍛造細棒(直徑8 mm)制成的試樣上取下來的。膨脹圖采用由鍛造細棒制成的直徑3.8 mm，長50 mm的試樣，在立式膨脹儀上放大500倍獲得。

在各向異性儀上，通過磁性方法進行了織構的研究，采用直徑為20 mm的圓片以及X射線法。在專門的綜合式暗箱中，以Mo-Kα，β輻射，在“窗口”上攝取X射線照片。根據單個的X射線照片，對取向特點從本質上進行了估計。無論對沿軋向切取的尺寸為0.2×10×100 mm的織構薄片，或者對由熱軋薄片制成的3×10×100毫米的無織構試樣，均采用伸長計法測量了磁致伸縮。在尺寸為20×30 mm的沖制圓環上，用沖擊法測量了磁性。

3 實驗結果及其討論

金相分析結果于圖1～圖4。在1 200 ℃淬火時，固定了含碳量低于0.1%的8%和10% Al合金的單相固溶體狀態，而對于含碳量低于0.06%的12～16% Al合金亦如此(圖1，a)。在更高含碳量的合金中，由于1 200 ℃淬火不能固定單相固溶體狀態，這時，第二相(K)沿磨片的整個視場呈針葉狀析出，顯然它是在冷卻過程中形成的(圖1,b)。在更多含碳量(0.5%)的情況下，析出物仍舊是沿著邊界呈窄邊狀(圖1，c)，這表明在1 200 ℃它未完全溶解。

圖2表示出了在1 200 ℃淬火和800 ℃回火之后，含8% Al和各種碳含量(0.002～0.51%)合金的顯微組織。所有的熱處理保溫時間均為10 h。由圖中分析可得，K相的數量隨含碳量的增高而增加。并且在10～16% Al合金中，甚至當0.002～0.003% C時，也呈細邊狀沿邊界析出。只是在含8% Al和0.002% C的合金中才不形成第二相(圖2，a)。對于這種鋁含量，K相析出的特點依據碳的數量而變化。例如，微量碳(千分之一或萬分之一)時，析出物主要呈細邊狀沿邊界分布。當含碳量高于0.1%時，除了沿邊界的析出物以外，還在晶粒內部發現有點狀和針狀析出物。邊界析出物的附近形成貧碳區(無點狀和針狀析出物的光亮區)。

(a)8%Al,0.002%C

(a)8.65%Al,0.002%C

在含0.5%C的合金中，K相主要呈大圓夾雜狀沿磨片整個現場析出。在這種情況下，針狀和點狀夾雜占據面積不大。

圖3表示出了含10% Al和0.1% C的合金由1 200 ℃ 淬火并在400、800、900 ℃保溫之后的顯微組織。低回火溫度(400～600 ℃)下K相是很分散的。隨著溫度的升高，它沿邊界凝聚。這些析出物周圍形成了貧碳層區。高于900 ℃它開始溶解，1 050 ℃ 時溶解結束。

圖4表示出了含10% Al和0.1% C的合金，由1 200 ℃的溫度緩冷和快冷之后的顯微組織。如圖4中所看到的那樣，合金在快速冷卻(在空氣中或在水中)時，導致形成細小針狀的第二相析出物(圖4，a)。

(a)400 ℃

如上所述，類馬氏體組織的這種針狀析出物，在含量高于0.06% C的合金中形成。極少含碳量時不形成針葉。緩慢冷卻時，K相主要呈大而透明的夾雜狀沿邊界的晶內析出(圖4，b)。

圖5表示出了根據金相分析和膨脹分析的數據，所研究的全部合金的第二相溶解溫度。隨著鋁和碳含量的增加，其溶解溫度由930 ℃提高到1 150 ℃。

圖5 含碳相的溶解度與含碳量和含鋁量的關系Fig.5 Relationship between the solubility of carbon-containing phase and the content of carbon and cllumiuum

圖6表示出了含8%和10% Al及各種含碳量的合金織構化和未織構化試樣的飽和磁致伸縮。在織構化合金中，當含碳量由0.002%增加到0.1%時，飽和磁致伸縮大大降低(降低1/3)，這同織構的完整度下降有關。織構的X射線研究表明，在具有各種不同含碳量的試樣中，都發現有(100)[001]和(110)[001]取向。隨著含碳量的增加，織構最大值的清晰度降低，這表明完整的織構比較少。

(a)在水中冷卻

1-織構化試樣；2-未織構化試樣；·-·-8%Al；○-○-10%Al圖6 各種不同含碳量的8和10% Al合金的飽和磁致伸縮Fig.6 Saturation magneto striction of various alloys with different carbon content (8% and 10% Al)

測量轉矩時，含碳量增加時合金中織構完整度的下降，顯然可以解釋為是由于含碳的K相析出的影響，因其數量隨著合金中碳含量的增加而增加。如果合金中不超過0.1% C，這種析出物對其他磁性參數沒有明顯影響。

只有當0.5% C時(此時K相的數量大)，矯頑力大大增加，初始和最大導磁率以及飽和磁感下降。這種與含碳量有關的性能變化的規律，在12%和14% Al合金中也發現了。Fe-Al合金在低含碳量情況下，磁性參數變化相當大，顯然首先同400 ℃ 回火之后K相夾雜彌散度大有關，其次同所研究的合金(Ю16)高的性能水平有關，可見它對結構的不均勻性是很敏感的。

對合金機械性能的研究表明，對于8% Al合金，隨著含碳量增高，相對延伸率大大降低(由0.003% C時的17.4%降低到0.1% C時的7.9%)。對于鋁含量更高的合金，由于高鋁合金塑性低，碳的相對延伸率的影響較小。

由此可見，Fe-Al合金中數量不大的碳的存在，都會影響到它的結構，使塑性惡化，磁性降低。因此，制備該合金時，建議采用純凈的爐料。

4 研究結論

在Fe-Al系合金(10～16% Al)中，當含有高于0.003% C時，形成第二相(K)，在含8% Al的合金中，當含有高于0.011% C時，形成第二相。該相的溶解溫度，隨著其中鋁和碳含量的增高，由930 ℃增加到1 170 ℃。含8～10% Al的合金中，碳由0.003%增加到0.1%時，大大降低了織構試樣的磁致伸縮，這一點是由織構完整度的下降所決定的。其它磁性參數μ0、μmax、Hc此時沒有本質上的變化。