铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质

铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质，各个国家、专业标准均对其作了明确的限制，各企业标准对其控制更为严格。这主要是由于随铁含量增加，在金相组织中会形成本身硬度很高的针、片状脆性铁相，它的存在割裂了铝合金的基体，降低了合金的力学性能，尤其是韧性，并且使零件机械加工难度增加，刀、刃具磨损严重，尺寸稳定性差等等，但是，低品质铝合金锭中铁含量本身就高，随着合金炉料的回用，生产中铁质坩埚、工具、置预件等的使用使合金增铁在所难免。多年来一直吸引着广大铸造工作者去研究，下面就铁在Ａｌ－Ｓｉ合金中的作用及其减弱消除对策进行讨论。１铸造Ａｌ－Ｓｉ系合金中铁的作用１．１铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中铁的存在形态表１是铝硅系合金中铁的存在形态，其中α－ＡｌＦｅＳｉ和β－ＡｌＦｅＳｉ是常见的二种形态。而ρ－ＡｌＭｇＦｅＳｉ和δ－ＡｌＦｅＳｉ不是很常见。其中ＡｌＦｅＳｉ和Ａｌ（Ｆｅ，Ｃｒ）Ｓｉ的结晶结构特征目前还不甚祥细。至于形成什么样的相，除与合金中的含铁量有关外，还与铸件的冷却速度、合金元素的数量、种类等密切相关。汉字状的α－ＡｌＦｅＳｉ相对Ａｌ－Ｓｉ系合金可提高强度、硬度，对韧性降低不多，而针状的β－ＡｌＦｅＳｉ相则严惩割裂基体，显著降低合金的韧性，尤其冲击韧性，据报道，当Ｆｅ＞１％时，可使整个合金本身变脆。表１Ａｌ－Ｓｉ系合金中铁相形态类别晶体结构熔化温度／℃形状α－ＡｌＦｅＳｉ六方晶体８６０汉字状β－ＡｌＦｅＳｉ单晶体８７０针、片状ρ－ＡｌＭｇＦｅＳｉ立方晶体δ－ＡｌＦｅＳｉ四方晶体１．２铁对铝硅合金机械性能的影响１．２．１对室温机械性能的影响对Ａｌ－Ｓｉ二元合金，当Ｆｅ＞０．５％时，片状β相可提高合金的强度并稍降低其延伸率；当Ｆｅ＞０．８％时，延伸率开始较大幅度降低，当合金中的Ｆｅ从０．４％增加到１．２％时，对强度值的增加是微乎其微的，但却显著降低其延伸率从４％降到１％，对Ｎａ变质的Ａｌ－Ｓｉ共晶合金是每增加Ｆｅ０．１％可使延伸率降低１％多。１．２．２对高温性能的影响铁虽然降低了Ａｌ－Ｓｉ活塞合金的室温机械性能，但却提高了它的高温机械性能，这主要由于高温时基体本身强度随温度升高下降很多，而此时以网状、汉字状和细小针状存在的铁相，它们在３１６℃左右时基本不变，是稳定的化合物相，正是它的存在提高高温下试样的抗拉强度。对Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金，当Ｆｅ＞０．９５％时，σ３００℃为９２ＭＰａ。１．２．３对耐磨、耐腐性的影响铁提高Ａｌ－Ｓｉ系合金的耐磨性，这是由于硬质针状铁相使基体得以强化，抵抗变形能力，同时又起到支承作用，使耐磨性提高。同时铁相使合金表面的氧化膜失去连续性，易发生电化学腐蚀，铁降低合金的耐腐性。１．２．４对铸造性能的影响随着铁含量增加，在合金结晶时，由于β相干扰枝晶间流动，所以会使疏松增加，同时增加合金的热裂倾向，但是对压铸铝合金一定Ｆｅ量可防止粘膜，但也有报道称一定Ｆｅ量增加合金的流动性。１．２．５对机械加工性能的影响铁相使机械加工性能恶化，增加刀刃具的磨损量，使尺寸稳定性变差。２铁的有害作用消除、抑制方法２．１机械方法常用的机械去铁法有过滤法、沉淀法、离心铸造法等，它们均是采用在熔体中加入Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ等合金元素使之与铁形成大的化合物，由于其密度与铝合金不同会产生沉淀，使用沉淀的方法称为沉淀法，它可使铁降低０．５％。将通过过滤布，过滤网、板，使大块化合物得以过滤的方法，称为过滤法，它可使Ｆｅ降低０．７％，将加入合金元素的熔体，在离心力作用下，由于密度ｄ的差异使铁相移向边缘，而内部铁含量可由２．０７％降低到０．２７％，降低效率达８７％。不同转速、不同Ｆｅ／Ｍｎ比对除铁效率也有影响。生产中应用的机械方法一般均联合使用，如过滤法与沉淀法，先沉淀后过滤，以及过滤与离心铸造结合会取得更加好的效果。２．２熔体处理方法２．２．１加入合金元素中和Ｆｅ的作用（变质处理）熔体中加入合金元素来改变铁相形貌，减弱铁的作用，提高合金强度，改善延伸率，通常加入的元素有：Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓ、Ｍｇ、Ｒｅ等，下面逐个分析：ａ．Ｍｎ：是最常用和用得最多的元素，加Ｍｎ能显著减少铁相的数量和尺寸，甚至使铁相完全消失，由于Ｍｎ的加入扩大了α铁相区，从而使得铁相向α铁相转化，中和铁相的Ｍｎ的加入量多少现还不能定论。据称在Ａｌ－Ｓｉ１３合金中加入０．５％的Ｍｎ，就能使含１．５％Ｆｅ的合金中针、片状铁相转变为α铁。有人推荐按Ｍｎ％＝２（％Ｆｅ－０．５）添加Ｍｎ，总之通过添加Ｍｎ可逐渐使β－Ｆｅ相的数量减少，尺寸变小，直到不出现为止。ｂ．Ｃｒ：在ＺＡｌＳｉ７Ｍｇ合金中加Ｃｒ可使粗片状的β相转变为汉字状的α铁相，加０．２％～０．６％Ｃｒ能防止含Ｆｅ＞１％的Ａｌ－Ｓｉ１３合金的脆断，在Ａｌ－５Ｓｉ－１．５Ｃｕ－０．５Ｍｇ合金中加入０．２％～０．３％Ｃｒ使含铁为０．４％合金的伸长率由１．７％增加到３．８％，加０．４Ｃｒ可使含Ｆｅ０．７５％的合金伸长率由０．８％提高到２．６％。ｃ．Ｃｏ：Ｃｏ的作用与Ｍｎ相似，但需要稍加入以使富铁相成球形，有人建议Ｆｅ／Ｃｏ的比率应为１∶２，同时Ｃｏ的加入于其本身的偏析体小，所以其效果优于Ｍｎ。ｄ．Ｂｅ：也可作为一种中和剂，当Ｂｅ加入量＞０．４％时，能形成一种ＡｌＦｅＢｅ紧密相，同时由于Ｂｅ是一种很好的抗氧化剂，能提高Ａｌ合金的性能，在砂型铸造件能使ＡｌＳｉ０．６Ｍｇ合金的抗拉强度提高５％～１０％，同时不降低其延伸率，另据报道，在Ａｌ－６Ｓｉ合金中加入０．０５％～０．５％Ｂｅ会使Ｆｅ杂质相的形态由长针改变为危害较小的园球形或近园球形，从而提高合金的塑性。ｅ．Ｍｏ：可用来中和Ｆｅ的有害作用，其效果比Ｍｎ好，它是Ａｌ－Ｓｉ合金中Ｆｅ的有效变质剂，在含Ｆｅ１．２％的合金中加入０．２％的Ｍｏ和０．１％的Ｓ能使合金的延伸率由１％增加到２．８％，抗拉强度由１６０ＭＰａ增到１８０ＭＰａ。ｆ．Ｍｇ：也可起到中和杂质铁的有害作用，当含量在一定程度时会形成ＡｌＦｅＳｉＭｇ化合物相，从而减少β铁相的形成。ｇ．Ｎｉ和Ｓ：也是铁有害作用的中和剂，其中Ｓ还能作为铝合金的变质剂，据报道加入硫磺可使铁相大部分变为短杆状及汉字状，有少量是团球状、块状。但单独加时效果不理想，须与其它元素如Ｍｎ、Ｃｒ、稀土等配合，其效果明显。ｈ．稀土ＲＥ：稀土是一种很好的Ｆｅ相变质剂，据报道，对４１３合金加入０．０４％～０．０６％Ｓｒ，可有效减少β铁相的数量和尺寸，对６０６３合金，当加入０．０５％Ｓｒ后，所存在铁相化合物呈汉字状，且细化。日本专利也曾报道加入０．００５％～０．１０％Ｓｒ及相同量的Ｚｎ，可减少β铁的数量和尺寸，并且在许多Ａｌ－Ｓｉ系及型材合金中得到证实，这主要是由于ＲＥ本身是一种变质剂，合金净化剂，它的加入可有效去除铁的有害作用。总之，对于变质中和剂，它能减少消除β铁相的形成，但它本身并不能去除Ｆｅ的有害作用，只起减缓作用，且随Ｆｅ量增加使用的变质剂量也增多，一定程度上降低合金的韧性，并且，由于其形成各种复杂化合物会带来其它相关的副作用，因此，我们提倡使用变质剂，且使用复合的综合性能变质剂，尽可能加入量少。２．２．２熔体过热和快冷处理ａ．熔体过热据报道，过热处理可减少富铁相的形核核心，这是由于在高温时β富铁相的形核核心是γ（Ａｌ），而γ（Ａｌ）在低温时存在，当温度高到一定程度时（≥８５℃），γ（Ａｌ）相就转变为α（Ａｌ），不利于β铁相的形核，从而抑制了β铁相的出现。同时发现随熔体过热度的增加，铸件中富铁的晶间化合物变的越细，当浇注温度大于８００℃时，合金中的片状β铁相就转变为α铁相，且这个过程不可逆转，即一旦熔体过热到足以产生α相的温度随后的处理和静置对铁相形态无影响，并且当铁量愈高时，用过热方法改变就越来越困难。在实际操作中由于过热后熔体吸气，氧化严重，所以一般很少采用。ｂ．快速冷却处理快速冷却处理可减弱铁的有害作用，这是大家所共认的，国家专业标准中规定的砂型铸造的质量小于金属型也就是这个道理。快速冷却时合金液中形核核心多，界面推进速度快，形成的有害铁相在同等条件下要短、要细，甚至看不到针状相，同时合金中中和Ｆｅ相所需的Ｍｎ量也随凝固过程中冷速的变化而变化，冷却速度对Ｆｅ相形态也有很大影响。当冷速＜０．１℃／ｓ时，有助于β铁相的形成，当冷速＞１０℃／ｓ时，会抑制β铁的产生。３讨论（１）合金中Ｆｅ含量是否应符合国标？在合金化处理方法和提高冷却速度条件下，我们可以减少甚至消除针状铁相的危害作用，使其组织性能达到国标规定的要求，此时合金中铁含量已超标，甚至严重超标，那么此时应以成分为主呢，还是以性能为主？我们主张Ｆｅ的有害作用消除了，其含量或者说铁含量当量（即此时的铁含量以平常的国标相当的量）应仅作参考，主要以组织性能为依据，成分不应具有否决权，与国外铸造发达国家相比，我国国标规定的Ｆｅ含量明显严于国外，因此我们希望我国专业行业标准能出现相应的标准。（２）减少铁的有害作用在生产中如何操作？在生产实际中过热处理，由于会带来元素的严重烧损，吸气严重，所以不太采用，而离心浇注需要离心机等设备，对专业合金生产厂犹可，而一般厂家也无法为了它而上设备。最实用且可行的就是合金化变质处理和提高冷却速度，变质处理中应提倡使用具有复合作用效果的加入量可小，一种元素多种功能的元素或几种元素复合剂，同时提倡机械与变质方法复合处理。在铝中最大固溶超过1%的有八个：银、铜、镓、锗、锂、镁、硅和锌。过渡族元素锰、铬、铁，锆以及一些微量添加元素，在铝中的溶解度不是很大，但对铝合金的工艺性能或使用性能产生明显的影响。一、锰在Al—Mn合金中，锰含量一直增加到极限溶度1.82%时，合金强度不断增加。锰含量为0.8%时，伸长率达最大值。锰能阻止铝及其合金的再结晶过程，提高结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。MnAl6是与Al—Mn固溶体相平衡的相，它除了能提高合金强度，细化再结晶晶粒外，另一重要作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6,减小铁的有害影响。锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成二元Al—Mn合金，多数是与其它合金一同加入。另外锰会明显增加铝的电阻，作为电导体材料应控制锰的含量。合金中锰含量过多时，会形成粗大、硬脆的MnAl6化合物，损害合金的性能。二、镁镁对铝的强化作用是明显的，每增加1%的镁，抗拉强度大约升高34MPa。镁可以单独加入形成二元Al—Mg合金，含镁量在7%以下的合金在室温时稳定，一般加工铝合金含镁量在6%以下。镁也可其他元素一同加入。Mg5Al8相的形态和分布对合金抗蚀性能有明显影响。1）镁和锰以镁为主要合金元素的Al—Mg合金中通常还加入了1%以下的锰。锰可以起补充强化作用，比等量的镁效果更好，因此加锰后可降低镁含量。同时可以降低热裂倾向，尤其是有钠存在时更为明显。另外锰还可以使Mg5Al8均匀沉淀，改善合金的抗蚀性能和焊接性能。2）镁和硅镁硅同时加入铝中，形成Al—Mg—Si系合金，这是一类重要的可热处理强化的铝合金。强化相为Mg2Si。其镁与硅的重量比为1.73：1。Al—Mg—Si系合金基本上按这一比例设计镁、硅含量。Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低溶解度减小，相对合金的强化作用有：1、镁和硅总量不超1.5%，Mg2Si一般在0.8～1.2%之间。典型合金6063。固溶处理温度高，淬火敏感性低，挤压性能好，挤压后可直接风淬，抗蚀性高阳极氧化效果好。2、镁、硅总量较高，Mg2Si为1.4%左右。镁、硅比亦为1.73：1的平衡成分。合金中加入了适量的铜以提高强度，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不良影响。典型合金6061，比6063抗拉强度高70MPa，但淬火敏感性较高，不能实现风淬。3、镁、硅总量虽然也是1.5%，但有过剩的硅。其作用是细化Mg2Si质点，同时硅沉淀后亦有强化作用。但硅易于在晶界偏析将引起合金脆化，降低塑形。加入铬有助于减小过剩硅的不良作用。三、铜铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化作用。CuAl2有着明显的时效强化效果。Al—Cu合金各种状态的力学性能与铜含量有关，铜含量在4～6%时强化效果最好，多数硬铝合