添加中和元素对铸造铝硅合金中铁相的影响

雷一鸣 马斌 赵锐

摘 要：铁作为铸造铝硅合金中最常见的一种杂质元素，大大降低了合金的力学性能，因此消除铁相在铸造铝硅合金中的有害作用是改善合金基体性能的重要方法。而添加中和元素是成本最低而且最为有效的方法。本文总结了添加不同中和元素对合金中铁相的影响。

关键词：铝硅合金 铁相 中和元素

中图分类号：TG291 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0239-02

由于生产工具以及原材料的原因，铸造铝硅合金中不可避免的存在杂质铁元素，铁元素在铝硅合金中以金属间化合物的形式存在。常见的铁相有α-Fe和β-Fe[1]。研究发现，α-Fe主要呈汉字状或骨骼状，对合金基体的伤害作用不明显，而针状的β-Fe会对合金基体产生割裂作用，从而严重的影响了铝硅合金的力学性能[2]。

消除铁相在铝硅合金中有害作用的方法大体有种[3]。第一种是从根本上减少铁在铝硅合金中的含量；第二种是改变铁相在铝硅合金中的形式，避免针状或者片状铁相的产生，减少β-Fe或者将β-Fe转化为α-Fe，使铁相尽可能的以α-Fe的形式存在。通过实践证明，从根本上消除铝硅合金中的Fe，成本过高，效果也不明显；而通过加入中和元素来改变Fe在合金基体中的形态是最为直接也是最为有效的方式[4]。

所谓中和元素法是指在铸造Al-Si系合金中加入一定量的合金元素，从而促使合金中α-铁相的生长，同时改善针状铁相的相貌，使针状的β-铁相尽可能的转化为α-铁相，以此来改善合金基体的组织，从而提高Al-Si合金的力学性能[5]。常用的中和元素有很多种，比如锰，铬，铍，钼，锶等等。它们都能够不同程度的将对基体有害的β-铁相转化为对基体危害很小的α-铁相。

Mn在铝硅合金中是最为常见也是最为常用的中和元素，在Al-Si合金中加入适量的Mn能够大幅度的减少β-Fe的数量与尺寸[5]。究其原因，主要是Mn能与合金基体中的Al、Si、Fe等元素发生反应，生成金属间化合物，从而使得针状的β-Fe转变为对基体影响较小的α-Fe。目前，锰铁比还没有一个确定的数值。在ZAlSi13合金中，当ω（Fe）<1.5%，添加ω（Mn）=0.5%可抑制β-Fe相生成；当ω（Fe）<1.9%时，按ω（Mn）=0.8ω（Fe）添加Mn，可抵消ω（Fe）>1.0%时β-Fe相所引起的脆性。但是要注意的是，尽管Mn能抑制针状β-Fe相的生成，减少或消除针状铁相，但Fe相对合金的有害作用依然存在。首先，Mn不能完全消除合金中的铁，且合金中富铁相总的比例随Mn、Fe加入量的增大而增大，这会导致铝硅合金的塑性下降；其次，Mn的加入还给合金带来了一些副作用。Shabestari发现，在铝硅系合金中，增加Fe或Mn的含量会导致富铁金属间化合物的体积含量增加。

Cr也是很好的中和元素。Cr能与合金中的铁、铝、硅等元素发生化学反应，生成多种金属间化合物，以此抑制针、片状富铁相的产生[4]。在铝硅合金中加入适量的Cr能减少针状或片状β-铁相存在的含量和大小，使得铁相大多以骨骼状或者汉字状存在于合金中，从而减小了对基体的危害。Murali研究发现，铝硅合金中加入Cr能使得针状的β-铁相转化为星型或者汉字状的Cr2Fe相，并且铁相的形状随着合金过冷度的增大而越来越好。当然，Cr含量并不是越多越好。但有数据表明在Al-7Si-0.3Mg合金中，Cr元素能让针状的β-铁相（Al5FeSi）转化成骨骼状或者汉字状的α-铁相（如Al3（Fe，Cr）4Si4Mg）。含铁量超过1%的Al-13Si容易发生脆性断裂，而当在该合金中加入0.2%～0.6%的Cr元素时，这种现象能得到有效的控制。又如在合金Al-5Si-1.5Cu-0.5Mg中，若该合金含铁量为0.4%时，当添加0.2%～0.3%的Cr，会使其延伸率从1.7%上升到3.8%；若该合金的含铁量为0.75%时，添加0.4%的Cr，将使得该合金的延伸率从0.8%上升至2.6%。

Sr在铝硅合金中是一种常见的变质剂，它能够细化粗大针片状的共晶Si，将其变成细小的纤维状[5]。于此同时，有人发现Sr对铝硅合金中的铁相也有一定的变质作用，G.K.Sigworth[6]和Alcan专利[7]均指出，加入适量的Sr可以使得铝硅合金中的β-Fe相转化为α-Fe相，有效的改善了合金中铁相的形貌，减小其对基体的危害。A. Pennors[8]等也通过实验发现，在319合金中添加Sr元素，合金中的Fe相形态发生了非常明显的变化，保持冷却速度在较低的状态下，加入0.04%～0.06%的Sr使长针片状的β-铁相发生碎裂和熔断，但是当加入过量的Sr时，β-铁相反而更加粗大化。但也有人指出，Sr其实并没有改变Fe相的形态。由于Sr能够变质共晶硅，使其由针状变成纤维状，这样铁相就更加清楚的暴露在外面，从而更容易在金相上观察到。有实验表明Sr只能使得针状β-铁相发生溶断、弯曲、分解，而不能从根本上转化为α-铁相。

Co与Mn的作用有些相似，但加入量较Mn来说稍多一些。Alfaro等人建议，钴铁比应保持在2∶1[9]。Co的加入可以使得铁相聚集，形成对合金塑性和强度无害的树枝状Fe相。Mn很容易偏析而形成结构复杂的粗大晶体，而Co不会出现这种现象。

Be也是一种中和剂，在铝硅合金中加入少量的Be，能够增加Al-Si合金熔体的抗氧性，并提高其力学性能[10]。在砂型和激冷铸造条下，0.2%的Be能使Al-7Si-0.6Mg合金（0.1%～0.16%的Fe）的抗拉强度和屈服强度增加5%～10%，同時不降低合金延伸率。有专利指出，在Al-6-10Si合金中加0.05%～0.5%的Be，会使铁相的形态由针状转化为圆球形，从而使合金的塑性大大提高。

Mo也可用来中和Fe相，并比Mn效果更好。Mo是Al-11Si合金中Fe的有效的中和剂[11]。在1.2%Fe的铝硅合金中加入0.2%的Mo和0.1%的S能够使合金的延伸率从1%提高至2.8%，抗拉强度从160 MPa上升为180 MPa。

Mg也能抑制针状铁相对合金基体的有害作用。当合金中Fe含量较低时，Mg与Si能够形成Mg2Si相，当铁量增加时，还能够形成Al-Fe-Si-Mg金属间化合物，从而减Fe的危害。

Ni和S也能作为中和剂。关于S对铁相的影响目前还不清楚，有人把Mo和S混合使用，作为Fe的中和剂。从相图上推断，硫在液态铝中具有较高的溶度，如果S能消除Fe有害作用，则在合金中加S，既能起变质作用，又可起改善铁相的作用。

结论

（1）通过在铝硅合金中加入不同中和元素的方式来消除针状铁相的有害作用，其原理基本一致，都是将对基体有害作用较大的针状铁相熔为尺寸较短、形状较圆润对基体伤害作用不明显的α-Fe，从而大大提高合金的力学性能。

（2）在高铁铝硅合金中加入的中和元素并不是越多越好。无论是哪种元素，过量的添加不仅不会改善合金的力学性能，而且会导致合金的塑性、韧性降低。

（3）在铝硅合金中加入中和元素并不能减少合金基体中Fe的含量，只是改变其微观形态。

参考文献

[1] 方东.Ce、RE对高铁铝硅合金组织和性能的影响[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[2] 周曉霞，张仁元，刘银赤.铝硅合金中铁相存在的形态及影响其形成的因素[J].广东有色金属学报，2003，15（1）：51-54.

[3] 孙益民.消除铁在铝合金中有害作用的途径[J].铸造技术，2009，30（4）：520-522.

[4] 马斌.Cr、Sr对高铁A356合金组织与力学性能的影响[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[5] 刘建方.锶、锰对改善铸造铝硅合金中铁相有害作用的研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[6] [2] G.K.Sigworth.Determining grain size and eutectic modification in aluminum alloy castings[J].Modern Castings，1987（7）：23-25.

[7] L.R.Morris，F.B.Miners.US Patent [P]：4711762 （1975）.

[8] A.Pennors，A.M.Samuel，F.J.Samuel，et al.Precipitatation of β-Al5FeSi iron intermetallic in Al-6%Si-3.5%Cu（319）type alloys：role of Sr and P[J].AFS Transactions，1998：251-264.

[9] A.Couture.Iron in Aluminium Casting Alloys-A Literature Survey[J].AFS Transactions，1981（11）：9-17.

[10] 林小征，印飞，孙宝德.铁对铝硅合金性能的影响及抵消其有害作用的措施[J].铸造技术，1999（5）：29-32.

[11] P.N.Crepeau.Effect of Iron in Al-Si Casting Alloys： A Critical Re-view[J].AFS transactions，1995（103）：361-365.