镁对过共晶铝铁合金组织形貌的影响

王正军，刘莲香

(宿迁学院,江苏宿迁223800)

材料开发

镁对过共晶铝铁合金组织形貌的影响

王正军，刘莲香

(宿迁学院,江苏宿迁223800)

针对普通熔铸条件下过共晶Al-Fe合金初生富铁相严重割裂基体、恶化合金性能的问题，采用元素Mg对过共晶Al-5%Fe合金进行变质细化处理，Mg以Al-10%Mg中间合金形式加入。借助光学显微镜等分析了Al-10%Mg中间合金晶粒细化剂加入量和熔体保温时间对过共晶Al-5%Fe合金微观组织形貌及性能的影响。试验表明：在过共晶Al-5%Fe合金中加入Al-10%Mg中间合金细化剂，当加入量为1.2%、保温时间90min时，细化效果较好，Al-5%Fe合金中初生A13Fe相由未添加细化剂时的粗大板条状变为花朵状和颗粒状，并且尺寸明显减小,从而显著提高材料的强度和塑性。

Al-10%Mg中间合金；变质细化处理；过共晶铝铁合金

改善过共晶Al-Fe合金中富铁相的大小、形态及分布，可以充分提高Fe在Al中的优良作用。要发展Al-Fe合金，使Al-Fe合金成为一种具有实用价值的结构材料，必须找到控制和细化铁相的有效方法，尽可能地减轻或消除铁相对铝基体的不良影响。因此，控制和改善富铁相的形态，提高合金的力学性能是发展A1-Fe合金的关键。研究表明：微量镁可使铝中富铁杂质相由粗大针状或针片状变为细小的团球状或短棒状,且分布较均匀。本文研究了镁对过共晶Al-5%Fe合金组织形态的影响。由于镁元素化学性质较活泼易氧化,烧损严重,故一般均以中间合金的形式加入，铝镁中间合金中以Al-10%Mg中间合金使用的最多。

1 试验

1.1 试验材料

试验用Al-Fe二元合金Al-5%Fe(质量分数，%，下同)由Al-10%Fe或Al-15%Fe中间合金，按铸锭成形后Fe的质量分数为5%加入相应的工业纯铝配置而成；试验用Mg为保证成分均匀以及减少烧损率，以Al-10%Mg中间合金形式加入。

1.2 试验方法

1.2.1 熔炼过程

根据二元Al-Fe合金平衡相图（图1）[9]，经计算配料后，将铝锭和Al-15%Fe中间合金同时加入石墨坩埚中，升温至900℃，上面撒上一层干燥的覆盖剂。当铝锭和Al-15%Fe中间合金全部熔化后，把Al-10%Mg中间合金料放置在石墨制的有孔的钟罩中，然后一起放入合金液内，钟罩放置在坩埚中部，待前一块Al-10%Mg中间合金料熔化后，保温，再加入第二块，直到所有Al-10%Mg中间合金料全部熔化。将合金液升温至950℃，静置保温20～25min，每8min搅拌一次，最后一次搅拌后进行初次扒渣。用炉料总重量的0.3%～0.5%除气剂、除渣剂精炼合金液，除气、除渣。5～8min后再进行二次扒渣，之后将合金液浇入金属锭模中，获得尺寸为Φ30 mm× 100mm的试棒。

图1 二元Al-Fe合金平衡相图

1.2.2 金相制备过程

浇铸后的铸锭冷却后取模，除去表面的飞边毛刺后从中间锯开。试样需打磨倒角处理，经金相砂纸粗磨、细磨后，再在型号为P-2型、抛盘直径为200mm金相试样抛光机上进行粗抛和精抛。抛光后的试样用浓度为0.5%的HF水溶液腐蚀后，在光显微镜下观察分析试样的金相组织,检验细化效果。

2 试验结果与分析

试验重点研究了Al-10%Mg中间合金不同添加量对过共晶Al-5%Fe合金的组织形态变化规律的影响，以及Al-10%Mg中间合金细化的长效性。图2是Al-10%Mg中间合金加入量对Al-5%Fe合金中初生A13Fe相的影响。未加入Al-10%Mg中间合金时，合金中的初生A13Fe相的形貌大多为典型的粗大针状和针片状，少量为不规则的花朵状，如图2a所示；加入量为0.2%时，初生A13Fe发生了一些变化，主干还是较为发达的针状，细化效果不明显，但针状的末端已变尖变细，出现了分枝，在粗大的针状相之间，存在许多相对较小的分枝富铁相，如图2b所示；加入量达到0.6%时，初生A13Fe相的形貌发生了显著改变，生长尖端的分枝增多，以花朵状、短棒状为主，尺寸相对较小，分布也比较均匀，如图c所示；进一步增加Mg的含量，当加入量达到0.8%时，分枝现象加剧，在一次分枝上还出现了二次分枝，呈现典型的树状，组织中出现花朵状初生A13Fe相，如图2d所示；当加入量为1.2%时，初生A13Fe相的形状发生了明显不同于前三者的变化，富铁相的分枝消失，长成了较为短小的针状或者是不规则的块状，极个别长成板片状，如图2e所示；加入量为1.5%时，初生A13Fe相的尺寸明显增大，以针片状和不规则的花朵状为主，这主要是由于Mg的富集，抑制了A13Fe沿择优取向长大，使A13Fe相的尺寸增大，如图2f所示。

图3为在Al-5%Fe合金中加入1.2%的Al-10%Mg中间合金细化剂，不同保温时间合金中的初生A13Fe相的形态分布。当保温45min时，初生A13Fe相主要以长针状形式存在于基体上，同时含有尺寸较大的不规则花朵状组织，如图3a所示；当保温时间为60min时，相比较来看，经过60min的保温，通过原子的溶解扩散，针状和针片状组织变得细小，初生A13Fe相主要为花朵状，但尺寸、形态不一，分布也不均匀，如图3b所示；延长保温时间至90min时，初生A13Fe相为粗大的不规则花朵状形貌和颗粒状，如图3中c所示。时间进一步延长，组织变化更加显著，针状几乎全部转变为规则的块状和粒状。导致这种变化的原因可能是针状尖角处表面能比较大，容易扩散和溶解。

图2 加入不同含量Al-10%Mg中间合金的Al-5%Fe合金铸态组织

图3 Al-5%Fe合金中加入含量为1.2%Al-10%Mg中间合金不同保温时间的铸态组织

试验结果表明，随着时间的进一步延长，出现的A13Fe偏聚、沉淀、烧损等现象会明显降低其细化效果。然而，当保温时间达120min时，仍有一定的细化效果，也就是说，Al-10%Mg中间合金细化有效时间较长，能适应大量连续生产需要，尤其对低压铸造、压力釜铸造和差压铸造等新工艺相适应，是一种良好的长效细化剂。

3 结论

（1）铝与过渡金属元素铁形成的A13Fe金属间化合物具有极佳的耐热、耐磨和抗腐蚀性能，并且Al-Fe合金依旧保持了Al合金密度小的特点，这些特点使得Al-Fe合金能适应航天器件对材料性能的要求。

（2）微量镁可使铝中富铁杂质相由粗大针状或针片状变为细小的团球状或短棒状,且分布较均匀,从而明显提高材料的强度和塑性。

（3）在过共晶Al-5%Fe合金中加入Al-10%Mg中间合金细化剂，当加入量为1.2%、保温时间为90 min时，细化效果仍较好。

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Effect of M g on m icrostructure of hypereutectic A l-Fe alloys

WANG Zheng-jun，LIU Lian-xiang

In order to solve the problems of the primary Fe-rich phase separating themetalmatrix seriously and deteriorating the property of hypereutectic Al-Fe alloy,Mg was added so as tomodify hypereutectic Al-5%Fe alloy.Mg is added as Al-10%master alloy form.By changing the addition and holding time,the influences of refiners Al-10%Mg Master Alloy on the microstructure and mechanical property of hypereutectic Al-Fe alloy were investigated by using optical microscope.The results indicate that when 1.2%Al-10%Mg Master Alloy was added in the hypereutectic Al-5%Fe alloy,and the holding time of alloy meltwas kept 90 min,the refining effect on the alloy was better.The primary A13Fe phase changed from the extremely thick plate-like to fine par⁃ticle-like and flower-like,furthermore,the size was reduced and can increase obviously the materials intensity and plasticity.

Al-10%Mgmaster alloy；modification；hypereutectic Al-Fe alloy

TG146.2

A

1672-6103（2010）05-0071-04

近年来有色金属一直以质轻、延展性好等特点广泛应用于各个工业领域。尤其是铝合金的应用最为引人注目[1]。铝具有质轻，耐蚀性良好，比强度高，有一定的延展性，外表美观，加工成型性好，可焊接等优点。加入其他合金元素制成铝合金后，不仅能够保留纯铝的优点，而且各种性能还在很大程度上得到提高[2～3]。对于铝合金家族中的铝铁合金，由铁和铝形成的金属间化合物A13Fe具有许多优良的性能，如富铁相具有其独特的耐热、耐磨和抗硫化腐蚀优点，并且Al-Fe合金保持了铝合金密度小的特点，这些特点使得Al-Fe合金能适应航天器件对材料性能的要求[4-6]。此外，Al和Fe是地壳中储量最为丰富的两种金属元素，也是工业中最常用的原料，来源广，价格便宜，若能用铝铁合金代替目前在工业中所应用的铁合金，将会大大降低生产成本。

由于Al-Fe合金有着十分诱人的发展前景，故受到了国内外的高度重视。从20世纪70年代开始，人们就把Al-Fe合金作为单独的一个合金系进行研究，将其作为一种工程结构材料应用于工业生产实际中[7]。Al-Fe合金虽然具有许多优点，但铁在铝中的固溶度很低，一旦超过固溶度极限，便在铸造铝合金中与铝及其它元素化合，形成质脆的针状或板片状铁相，一方面，割裂基体，使用过程中会在针状富铁相尖端前沿造成应力集中，大大降低铝合金的强度，严重降低合金的力学性能；另一方面，粗大的针状相在凝固早期形成，阻碍了液体金属在补缩通道的流动，造成铸造缺陷。以上两个原因很大程度上限制了该类合金的发展[8]。

王正军(1975—)，男，吉林抚松县人，硕士，主要从事材料非平衡制备等方面的研究。

2010-03-08

江苏省2008年度高校"青蓝工程"资助；2010年度江苏省宿迁学院重点科研基金项目（2010KY10）