汽车用铝合金富铁相形貌研究

周鹏飞,陆从相

（1.盐城工业职业技术学院，江苏盐城 2240 05；2.江苏中色锐毕利实业有限公司，江苏盐城 2240 05）

汽车用铝合金富铁相形貌研究

周鹏飞[1,2],陆从相[1]

（1.盐城工业职业技术学院，江苏盐城 2240 05；2.江苏中色锐毕利实业有限公司，江苏盐城 2240 05）

由于A l-S i合金优异的机械性能，从而广泛应用于汽车制造业，然而F e是这类合金中最主要的杂质元素，显著地降低了合金的力学性能。本文运用X射线来鉴别F e相组织，同时用扫描电镜技术来观察富铁的特征。通过X射线图谱已经证实A l-S i合金显微结构中存在三种富铁相，其为α-F e (A l15F e3S i2)，β-F e(A l5F e S i)和δ-F e (F e S i2A l4)。在形态特征上，α-F e, β-F e 和δ-F e分别为长针状、汉字状和长块状。并简要分析了针状F e相孪晶生长过程。

A l-S i；富F e相；显微结构；形态

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 3

Al-Si合金具有优越的铸造性能较高的强度、低密度和良好的耐蚀性, 广泛地应用于航空、航天、汽车、电子等行业。随着现代工业及铸造新技术的发展, 对铸造铝合金需求量越来越大。然而Fe被认为是铝合金中最为有害的杂质元素，由于它铝合金中的固溶度很低, 少量的便与铝合金中的其它元素化形成针片状的Fe相，它割裂了基体, 大大降低了铝合金的机械性能，尤其是延伸率[1-4]。铝硅合金中的铁通常以金属间化合物的形式存在, 含铁量超过0.8%时，铁元素将与铝及其他元素形成明显的针状、片状的金属间化合物，常见的有α-Fe相(Al8SiFe2)和β-Fe相(Al5SiFe)两种，前者的微观组织表现为汉字状，后者为针状(立体为片状)。针状铁相对合金的力学性能有害，硬而脆的针状的β-Fe相会破坏金属基体的连接强度,大幅降低合金的力学性能，尤其是合金的塑性。目前消除Al-Si合金中Fe危害作用的方法主要有：①设法去除己经存在于Al-Si合金中的Fe元素; ②改善Al-Si合金中Fe相的形貌。本文主要研究Al-Si合金组织中的富Fe相的形态、大小。

1 实验材料与方法

实验所用原材料有：ZL101、Al-20.48%Fe中间合金。

在GR2-5-10井式坩埚溶铝炉中熔炼ZL101。升温800 ℃时用六氯乙烷对熔体进行精练处理，静置15 min后扒渣。在熔炼温度为800 ℃时, 再将称量好的Al-20.48%Fe合金（配制成含1.2%Fe的合金）加入到合金液中,把熔炼好的合金液在800℃时浇注到预先准备好圆筒铸钢模,模具预热到200 ℃，模具其尺寸为φ10 mm×100 mm。浇注完毕后,分别把试样截断，取其中间部位，加工成φ10 mm×6 mm的圆柱。金相试样经过预磨、粗磨、细磨和手工抛光,最后用0.5%HF水溶液进行显微组织浸蚀,然后用MeF3型光学显微镜观察金相组织，并对1.2%Fe的试样进行了XRD检测，并进行SEM扫描分析Fe相形貌。

2 实验结果与分析

2.1 含1.2%Fe合金XRD分析

根据查阅的文献[5]可知，析出的富Fe相有两种截然不同的结构特征：片状β- Al5FeSi和汉字状（骨骼状）α-Fe(Al15Fe3Si2)，文献中所报道的化学计量式分别为β-Al9Fe2Si2和α-Al12Fe3Si2。富Fe相析出可分为三个阶段：①先枝晶前（Pre-dendrite）析出的初生Fe相，一般出现在高Fe（大于0.8%）的合金中；②后枝晶或者是先共晶前析出的共晶Fe相，其析出温度为590 ℃，Richard[5]指出，在亚共晶Al-Si合金中，当枝晶α-Al界面前沿的Fe原子溶质浓度达到0.05%时，析出β-Al9Fe2Si2相；③共晶（Co-eutectic）富Fe相析出，主要是指三元共晶Fe相。

为确定合金中的Fe相，因此对配备好的合金进行XRD衍射花样分析，如图1。从图样分析中可明显看出合金中含有Al相，Si相，微量的α-Fe相和β-Fe相。

图1 含1.2%Fe合金的XRD衍射分析图样

2.2 含1.2%Fe合金的铁相形貌分析

在铸造铝硅合金的成分范围内, 常见的铁相为α相和 β相二种, 其晶体结构分别为六角晶型 (也有人认为是立方晶型) 和单斜晶型[4,5],相通常以α-Al8SiFe2汉字状 (或骨骼状) 的形式存在,β-Al5FeSi则以针状 (立体为板状) 形式存在相出现在含镁的合金中, 在固溶热处理过程中会溶入到基体中去[6]。对铝硅合金有不利作用的主要是β铁相, 在正常的凝固条件下, 铁更倾向于以针状β-Al5FeSi相结晶, 又Al5FeSi易粗大化。

本文通过SEM分析，得出如图2所示，同一试样中不同部位可找到不同形态的Fe相，图2.a为典型的汉字状Fe相，b为六角状Fe相，c为骨骼状Fe相， d中可以形象的看出鱼骨状Fe相，而在e、f中可以看出长块状和长针状的Fe相。由于熔体处理及精炼处理等工艺的影响致使Fe弥散分布在集体上，因此给Fe相形貌分析带来了不少困难，目前的研究只找出这几种Fe相形貌。

对本文的亚共晶铝硅合金来说[7-9], 铁相的析出应随着合金液体冷却, 首先初生铁相开始生长,然后才是铝枝晶，再后是汉字状(或树枝状) 铁相。当在冷却速度较慢时，基本可消耗掉铁元素, 则合金组织中没有针状铁相；而在非平衡凝固(冷却速度特别快) 时，铁相基本上以针状铁相和树枝状铁相为主。铝硅合金中最终铁相的形态取决于铁相生长的时间, 若在A2Al 枝晶之前生长则铁相生长为初生A铁相；若与A2Al枝晶同时生长, 铁相成为树枝状。

2.3 针状Fe相的生长机理

由于铝合金中的长针状Fe相的存在严重割裂了集体，因此分析针状Fe相的生长机理对改善Fe相形态或者去除Fe相有很大的影响。如图3示意了针片状Fe相生长的机理，可以看出针片状的Fe相首先是形核并以孪晶的方式生长如图3.a，然后枝晶沿每一个择优方向生长如图3.b所示，从图3.c可看出最后长成细长的片状。

图2 不同Fe相形貌

图3 针状Fe相生长示意图

3 结语

(1)本文研究的亚共晶铝硅合金中Fe相有多种形貌：长针状、长块状、汉字状、骨骼状、六角状、鱼骨状等；

(2)长针状Fe相以孪晶方式生长，并沿每个择优方向生长，最终形成细长的片状。

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Study on the iron-rich phase of automobile aluminum

ZHOU PengFei[1,2],LU CongXiang[1]
（1.Yancheng Vocational Institute of Industry Technology, Yancheng 224005, Jiangsu,China;2.Jiangsu CNPT-RABILY Co., Ltd., Yancheng 224005, Jiangsu,China）

For the excellent mechanical properties of Al-Si alloy, so it widely used in automobile manufacturing, but the Fe is the main impurity element which signif i cantly reduces the mechanical properties of the alloy. In this paper, XRD is used to identify the Fe-phase structure, and SEM is also applied to observe the iron-rich features.By X-ray spectra, there are three iron-rich phase, which is α-Fe (Al15Fe3Si2), β-Fe (Al5FeSi) and δ-Fe (FeSi2Al4). On the morphology, α-Fe, γ-Fe and γ-Fe were long needle-like、characters and fi ne block. And a brief analysis of the twin growth process of needle-Fe phase.

Al-Si; iron-rich phase;microstructure;morphology

T G 146.21；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 08-03

2017-03-28

稿件编号:170 3-1722

周鹏飞（198 8—），硕士研究生，主要研究方向：汽车用铝合金.