Fe含量对过共晶铝硅合金组织及流动性的影响

黄大贺　梁新理　刘文凤　刘玲卓　王金国

摘 要：研究了铁含量对过共晶铝硅合金组织和流动性的影响规律。结果表明，随着铁含量的增加，合金组织中出现了越来越多的针状富铁相。XRD和EDS检测表明，合金中的粗大针状组织为β-Al5FeSi相。流动性实验表明，随着铁含量的增加，过共晶铝硅合金的流动性逐渐下降。

关键词：过共晶铝硅合金；显微组织；流动性；富铁相

中图分类号：TB333 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.011

考虑到轿车轻量化的发展需求，采用全铝发动机缸体已经是必然趋势。采用过共晶铝硅合金制造轿车发动机缸套，与传统的铸铁缸套相比，具有质量轻、热导率高、热膨胀性能和活塞更加匹配、与缸体材料有更好的结合性能等优点。为了提高过共晶铝硅合金缸套的抗高温磨损性能，向过共晶铝硅合金中添加了铁、镍、铜等合金元素，但会使合金的铸造性能变差。德国PEAK公司和Daimler-Benz公司用喷射沉积技术成功地研制出了过共晶铝硅合金缸套，并应用于V6发动机。然而，喷射沉积技术存在着工艺复杂、成本高等缺点，限制了高硅铝合金缸套的推广和应用。因此，采用传统铸造法生产过共晶铝硅合金缸套是未来发展的趋势。铁的加入可以在过共晶铝硅合金中形成富铁相，具有高温稳定性能，可以提高合金的抗磨损性能。然而，铁的加入会降低铝硅合金的流动性能，探究合适的铁含量对铝硅合金流动性能的影响具有一定的应用价值。

1 实验材料与方法

采用过共晶铝硅合金作为基体材料，通过添加Al-Fe、纯Si或纯Al配制不同Fe含量的过共晶Al-Si-Fe合金，即Al-16Si、Al-16Si-1Fe、Al-16Si-2F、Al-16Si-3Fe、Al-16Si-4Fe、Al-16Si-5Fe。采用螺旋型试样测定过共晶铝硅合金的流动性，使用XJZ-6 Olympus光学显微镜观察试样的铸态组织，日本理学D/Max 2500PC Rigaku型X射线衍射仪对试样进行X射线衍射分析。

2 实验结果与讨论

2.1 流动性实验

图1和表1为Al-16Si-xFe 实验合金流动性测定结果。当铝硅合金中不加铁时（此时合金中含有少量铁杂质），合金流动性试样长度为1 342 mm。随着铁含量从1 wt.%增加到5 wt.%时，Al-16Si-xFe合金的流动性试样长度从1 241 mm减小到350 mm。当铁含量为5 wt.%时，流动性试样长度与不加铁时相比减小了73%.由此可见，铁对铝硅合金的流动性有巨大的影响，大大降低了铝硅合金的充型能力，严重影响了合金的铸造性能。

2.2 铁对过共晶铝硅合金铸态组织的影响

图2为不同铁含量下Al-Si-xFe合金的铸态组织图。图2（a）、2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）对应的成分分别为Al-16Si、Al-16Si-1Fe、Al-16Si-2Fe、Al-16Si-3Fe、Al-16Si-4Fe、Al-16Si-5Fe。从图2（a）中可以看出，未加入铁时，铝硅合金主要是由块状的初生硅、短针状共晶硅和-Al组成。当加入不同质量分数的铁后，从图2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）中可以看出，Al-Si-xFe合金中开始出现长针状的组成相。随着铁含量的增加，生成的新相逐渐增多，而块状初生硅相逐渐减少。当铁含量增加到4 wt.%以后，合金中的大量新相开始出现缠结，形成网状。

图3为实验合金Al-16Si和Al-16Si-2Fe合金的XRD 图谱。由图3可知，在过共晶铝硅合金中，主要的相组成为α-Al和Si相。加入铁后，在过共晶Al-Si-Fe合金中，除了含有α-Al和Si相外，又形成了AlxFeSi新相。

2.3 铁对过共晶铝硅合金流动性的影响

液态金属本身的性质对流动性具有决定性的作用。实验时，控制铁含量为单一变量，尽可能地减小实验误差。合金凝固方式对其流动性有非常重要的影响。大野笃美认为，具有一定结晶温度范围的合金在结晶过程中会在流股前端形成大量的等轴晶颗粒。金属液的黏度随着凝固的进行而逐渐增加，最后因为前端等轴晶的堵塞而停止流动。对于铝硅合金来说，其流动性的最佳值并不是在铝硅合金的共晶点处，而当硅含量为16%～18%时，会达到最大值。造成这种反常现象的原因是硅结晶时潜热的释放。有关数据表明，硅的结晶潜热为1.41×106 J/kg，其结晶潜热比α-Al的大3倍左右。当硅含量进一步增加时，过共晶铝硅合金中由于粗大初生硅的析出使其流动性降低。当在铝硅合金中加入铁后，当其凝固时，会形成粗大的富铁相。这些富铁相会在流股前端塞积，随着含铁量的增加，析出的富铁相越来越多，尺寸也越来越大，最终联结成网状，严重堵塞了流道。随着流股前端析出的相越来越多，合金液的黏度也越来越大，最终流股前端因压头过小而停止流动。因此，随着过共晶铝硅合金中铁含量的不断升高，合金的流动性逐渐下降。

3 结论

在过共晶铝硅合金中加入铁后会形成长针状的富铁相。XRD检测结果表明，富铁相为β-Al5FeSi相。

铁的加入对过共晶铝硅合金的显微组织有很大的影响。实验发现，随着合金中铁含量的增高，合金中粗大的富铁相组织也越来越多。当铁含量达到4 wt.%以后，长针状的富铁相开始出现联结。当铁含量进一步增加时，可以看到富铁相相互搭接纠缠，形成了复杂的网状结构。

流动性实验表明，铁的加入会对合金的铸造性能产生不利的影响。当铁含量从1 wt.%增加到5 wt.%时，铝硅合金的流动长度从1 241 mm减小到350 mm。产生这种结果的原因是，随着铁含量的增加，生成的富铁相越来越多，最终形成网状，严重堵塞了流道，大大降低了合金的流动性能。因此，必须控制铁含量，以减小其对过共晶铝硅合金铸造性能的损害。

参考文献

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〔编辑：白洁〕