Fe含量对Al-Fe合金组织及性能的影响

刘　航,刘新宽,刘　平,陈小红,李　伟,何代华

(1.上海理工大学 机械工程学院,上海　200093;2.上海理工大学 材料工程学院,上海　200093)



Fe含量对Al-Fe合金组织及性能的影响

刘航1,刘新宽2,刘平1,陈小红2,李伟2,何代华2

(1.上海理工大学 机械工程学院,上海200093;2.上海理工大学 材料工程学院,上海200093)

摘要通过扫描电镜、能谱分析、电化学工作站、金相显微分析和化学分析等手段研究Fe元素含量对Al-Fe合金的组织,导电性及抗腐蚀性能的影响,并从理论上分析了Fe的作用机理。研究结果表明,Fe在Al基体当中形成针状第二相,随着Fe含量的增加,第二相的数量也有所增加,但大小与形态变化较小。宏观上反映为铝合金硬度增加,导电性下降。同时,Al-Fe合金中的第二相Al3Fe,使铝合金具有良好的耐腐蚀性能。

关键词Al-Fe合金;Fe含量;显微组织;导电率

Al-Fe系合金是以Al-Fe合金为基础加入第三元素Si、Cu、Mg、Co等的一类耐热、耐磨和耐腐蚀的新型铝合金,Al-Fe合金因其耐热性好、质量轻、原料丰富、价格低,可部分取代常规耐热铝合金,钛合金和钢等材料,减轻构件质量和降低成本,在航空航天、军工以及汽车等领域具有广阔的应用前景[1-2]。虽在国外已得到较为广泛的研究,但至今Al-Fe合金还未作为一种工程结构材料应用于工业生产实践中。

1实验材料与方法

在功率为8 kW的电阻炉中用不锈钢坩埚熔炼相应的Al-Fe铝合金。主要成分为:0.1%Si,0.3%～0.95%Fe,剩余为Al。将纯铝及坩埚放入电阻炉中,缓慢升温至830 K,烘干纯铁粉,纯硅粉,加入不锈钢坩埚中,不断搅拌。保温10 min后,用砂型模浇铸成Φ30 mm的圆形铸锭。将实验材料的铸态组织取样,用ARL4460光电直读光谱仪进行化学分析,检测各元素含量,用Perkin Elmer场发射环境扫描电子显微镜观察铸态组织以及断口形貌,用D60k数字金属导电率测量仪测量试样的导电性能,用Zeiss偏光显微镜观察试样金相组织,用化学工作站进行电化学腐蚀试验,检测试样的抗腐蚀性能。

2实验结果与分析

本研究的铝合金通过熔炼法制备,用砂型模浇筑得到Φ30 mm的圆形铸锭,其成分如表1所示。从每个圆形铸锭切取Φ30 mm×6 mm的试样,并对其进行组织分析。

表1　铝合金成分　wt%

2.1金相显微组织分析

图1为不同Fe含量的Al-Fe合金组织形貌。由图可看出,铝基体中有针片状第二相析出。

图1　不同Fe含量Al-Fe合金的金相组织形貌

图2　Al-Fe二元合金相图

2.2扫描电镜铸态组织分析

图3所示为不同Fe含量Al-Fe合金试样的SEM组织形貌,可清晰看到Al基体析出细小针状第二相,且随着Fe含量的增加,第二相的形貌并未发生显著变化。

图3　不同Fe含量Al-Fe合金试样SEM组织形貌照片

为了探究第二相的元素组成,分别对试样进行能谱分析,结果如表2及图4所示。

表2　不同Fe含量Al-Fe合金针状第二相成分

图4　不同Fe含量Al-Fe合金试样能谱照片

通过能谱分析可得,铝基体中针状物为含Fe第二相,结合Al-Fe相图分析,针状第二相为 Al3Fe化合物。Al3Fe化合物是在1 420 K温度下直接从液体中形成,单位晶胞中含有102个原子,晶体结构极其复杂,密度为3.896×103kg/m3,属于单斜晶系。在常规铸造条件下,Al3Fe相的金相形貌为典型的针状或针片状[4]。

2.3Fe对材料腐蚀性能的影响

表3是由电化学工作站测得的电化学参数,结合参数分析有:4个样品的自腐蚀电位基本相同,随着样品中Fe元素含量的增加,腐蚀电流icorr逐渐减小,但当Fe含量>0.7%,腐蚀电流开始增大。用Tafel的直线外推法测得阳极、阴极Tafel斜率和腐蚀电流密度icorr,并采用Stem-Geary方程计算极化电阻Rp,可以发现,随着Fe元素含量的增加,极化电阻并没有呈现有规律的增加趋势。但在评价活性溶解材料的耐腐蚀能力时,最重要的参数是腐蚀电流[5],由于腐蚀电流是由材料溶解时有电子的得失所造成,腐蚀电流越小,材料的耐腐蚀性能越好[6]。

由此可得出结论,Fe对铝合金耐腐蚀性有重要影响。Fe含量<0.7%,随着Fe元素含量在铝合金中的增加,铝合金具有更好的耐腐蚀性。但当Fe含量>0.7%,随着Fe元素含量的增加,铝合金的耐腐蚀性变差。

由相关文献分析,Al-Fe合金中的第二相Al3Fe,使铝合金具有良好的耐腐蚀性能[7]。但随着Fe含量的增加,在铝基体中形成粗大第二相以及亚稳定的Al6Fe等第二相,使合金的耐腐蚀性能下降[8]。

表3　由极化曲线测得的电化学参数

2.4Fe对材料导电性的影响

影响铝合金导电率的因素众多。根据金属电子理论,金属材料中微观组织结构的不完整性使导电材料产生电阻。因此,所有破坏金属材料晶格完整周期性的因素,均可使受电场加速的电子在传播过程中受到影响,使传播的电子产生散射,从而减弱了电子的导电作用,产生电阻。因此,金属材料中的各种晶体缺陷,均可作为电子的散射源,例如异类原子,位错,空位,晶界以及细小的第二相粒子[9]。化学成分是最基本的影响因素,即铝导体的电导率主要取决于原材料的化学成分。本研究采用D60k数字金属导电率测量仪检测试样导电率,如图5所示,随着Fe元素含量的增加,铝合金的导电率逐渐下降。

图5　不同Fe含量Al-Fe合金试样导电率

2.5Fe对材料硬度的影响

在一定程度上,铝合金的硬度反应了其强度的高低。硬度越大,其抗拉强度也越高。将实验所得的硬度数据经Origin软件处理,可推断相应强度的变化趋势。用维氏硬度计进行硬度的多点测量并求平均值。

图6是不同Fe含量的Al-Fe合金硬度于Fe含量的关系曲线。由图可知,随着Fe含量的逐渐增加,硬度值逐渐增加。从合金的强韧化机理分析,合金的硬度指标主要受到加工硬化,晶粒细化,固溶强化以及第二相强化的影响。本研究的Al-Fe合金的硬度主要受制于合金元素的第二相强化作用,而强化与第二相的形态、大小、数量以及分布相关[10]。随着Fe元素含量的增加,Al基体中第二相的数量不断增加,由前面金相分析及扫描显微分析可知,第二相成细长针状,大小形态并未发生大的改变。因此,随着第二相数量的增加,第二相强化作用不断增强,使铝合金试样的硬度不断增加。

图6　不同Fe含量Al-Fe合金试样硬度

3结束语

(1)Fe元素在Al基体中形成针状第二相,随着Fe元素含量的增加,第二相的数量增加,但大小,形态基本保持不变。

(2)随着Fe元素含量的增加,第二相强化作用增强,铝合金的硬度提高。根据金属电子理论,金属材料中微观组织结构的不完整性使导电材料产生电阻,Fe元素的加入形成第二相,使Al发生晶格畸变,导致铝合金的导电率下降。

参考文献

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[3]周振平.Al-Fe合金熔体处理及凝固特性研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2008.

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[5]汪俊英,孔小东,刘信.铝合金在NaCl溶液中的电化学腐蚀行为[J].装备环境工程,2010,7(3):38-41.

[6]单毅敏,罗兵辉,柏振海.5083铝合金在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为研究[J].铝加工,2007(1):11-14.

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[10]周振平,李荣德,马建超,等.Fe含量对Al-Fe合金组织和硬度的影响[J].铸造,2004,53(6):456-458.

Effect of Fe Content on Microstructure and Electrical Properties of Al-Fe Aluminum Alloys

LIU Hang1,LIU Xinkuan2,LIU Ping1,CHEN Xiaohong2,LI Wei2,HE Daihua2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.School of Materials Science and Engineering,University of Shanghai for Science & Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThe influence of Fe content on the microstructure,conductivity and corrosion resistance of Al-Fe alloy is tested and analyzed by SEM,EDS,electrochemistry,metallographic examination and chemical analysis.Research results indicate that Fe forms second phase in Al matrix.The increase of Fe content in Al matrix yields more second phases with no evident change of morphology and scale.On macroscopic scale,the hardness increases while the conductivity decreases.Moreover,the second phase FeAl3 of Al-Fe alloy leads to better corrosion resistance.

KeywordsAl-Fe aluminum alloy;Fe content;microscopic structure;conductivity

中图分类号TN304;TG146.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-006-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.002

作者简介:刘航(1990—),男,硕士研究生。研究方向:高强高导铝合金的制备及表征。

基金项目:上海市教委创新基金资助项目(11YZ112);上海市科委基础研究重点基金资助项目(10JC1411800)

收稿日期:2015- 09- 07