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铁元素在铝合金中的作用铁元素在铝合金中的作用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。