不同工藝制備鋁鐵合金微觀組織與性能比較

　　摘 要： 本文分別采用普通金屬型鑄造、電磁攪拌、半固態擠壓方法制備鋁鐵合金，通過掃描電鏡、透射電鏡和力學性能測試等手段分析了不同成型方法后合金的性能和組織。結果表明，鋁鐵合金經過半固態成型后組織被細化，力學性能得到大幅度提高，抗拉強度由普通金屬型鑄造時的160MPa提高到了271MPa。
　　關鍵詞： 鋁鐵合金 電磁攪拌 半固態擠壓 組織與性能
　　
　　1.引言
　　自從電解鋁技術獲得應用以來，世界鋁業迅猛發展，鋁合金已成為最常用的兩種工業合金之一。鋁與過渡族金屬元素鐵形成的Ale等金屬間化合物具有極好的耐熱、耐磨，以及抗腐蝕性能［１－４］。鐵在鋁中的固溶度很低，一旦超過固溶極限便在鑄造鋁合金中與鋁形成質脆的針狀或片狀富鐵相，嚴重割裂基體，成為應力集中源，大大降低鋁合金的力學性能［5－8］。半固態金屬鑄造工藝被認為是21世紀最具發展前途的近凈成型和新材料制備技術之一［9］，是細化合金組織的有效途徑。本文針對鋁鐵合金易形成粗大相，割裂基體，降低力學性能的問題，開展了旨在通過半固態成型改善合金微觀組織及力學性能的研究工作，以求使鋁鐵合金具有更加廣泛的應用前景。
　　2.實驗材料及方法
　　2.1實驗材料
　　熔配合金所用的原材料主要有:純鋁、純鋅、純鎂、Fe、Mn、Cu等合金元素以中間合金的形式加入，具體化學成分見表1。熔煉所用覆蓋劑的成分配比見表2，所用精煉劑為CCl。
　　2.2實驗方法
　　2.2.1合金的熔煉
　　合金的熔煉在井式電阻爐中進行。首先將熔點較低的合金及純Al放入坩堝中，升溫至820℃，待坩堝中的合金部分熔化后將Mg和Zn加入。Zn直接放入坩堝中，Mg用金屬液包住，然后投入坩堝中。然后在金屬液表面放入覆蓋劑，防止合金氧化。將井式爐升溫到820℃，保溫40min。
　　2.2.2電磁攪拌工藝
　　首先將已經預熱到300℃左右的石墨坩堝放到電機中，調至外加磁場的電壓為150V，然后將準備好的金屬液澆鑄到石墨坩堝中進行電磁攪拌5min左右，直至其完全凝固。最后將所得的合金試樣車削成尺寸為Φ63×72mm的圓柱形。
　　2.2.3半固態擠壓工藝
　　將坯料和模具一起加熱到630℃，保溫40min后進行擠壓。半固態擠壓成形時，采取擠壓比為8:1的半固態成型模具，擠壓力為200t，保壓時間為2min，擠壓速度為2mm/s。
　　2.2.4力學性能試驗及微觀組織觀察
　　合金拉伸性能的測試在CSS-55100型萬能電子拉伸試驗機上進行，加載速率為0.1mm/s。用JSM-6301F型冷場發射掃描電子顯微鏡和PHILIPSEM400透射電子顯微鏡觀察合金微觀組織。
　　3.實驗結果分析
　　3.1不同工藝下鋁鐵合金力學性能
　　在不同工藝下所制得合金的拉伸性能如表3所示。從表中可以看出，普通金屬型鑄造由于第二相的存在形式多數比較粗大，而且具有尖銳的棱角，這種形態的相嚴重割裂基體，尤其是初生AlFe相最為明顯，對提高合金的力學性能極為不利，所以該合金鑄態力學性能很差。合金的最大拉伸強度值為161.6MPa，而且伸長率同樣很差，僅為0.5%。采用電磁攪拌后合金抗拉強度有了大幅度的提高，而經過半固態擠壓后所制得的合金的力學性能更是得到了明顯的改善，最大拉伸強度達到了270.1MPa，提高了67%。同時，伸長率也得到了一定的改善，最高達到了1.5%。可見，采用半固態成形技術可有效提高Al-Fe基合金的力學性能。
　　3.2不同成型方式下鋁鐵合金微觀組織
　　3.2.1金屬型鑄造合金微觀組織
　　鑄態Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金經過X-射線衍射分析，結果見圖1，測得合金中含有二元相AlFe、AlFe、AlCu，三元相AlCuMn、AlCuFe，其微觀組織如圖2所示。其中，AlFe相呈長度不均的針片狀結構，數量較多。尺寸較大的AlFe相是初晶相，尺寸較小的AlFe相是共晶相，其生長具有一定的方向性。
　　3.2.2電磁攪拌合金微觀組織
　　Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金電磁攪拌后的微觀組織如圖3所示。合金的組織組成并未發生變化。與在常規凝固條件下得到的合金微觀組織比較，電磁攪拌后得到的合金微觀組織的最大特點是針片狀AlFe相厚度變薄、尺寸變小、尖角鈍化，并伴有明顯的斷裂趨勢，其余的多元相也具有相同傾向。但是電磁攪拌后組織中粗大的FeAl相依然存在，同時還存在著一些尺寸稍大的三元相。這是因為結晶開始時，攪拌促進的晶核的產生，隨著溫度的下降，雖然晶粒繼續生長，但由于攪拌的作用，造成晶粒間相互磨損、剪切，以及液相對晶粒劇烈沖刷。這樣枝晶臂被打斷，形成了更多細小晶粒。這為后續半固態擠壓成形破碎、細化組織提供了有力的保障。
　　3.2.3半固態擠壓合金微觀組織
　　圖4為Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金經過半固態擠壓后的微觀組織圖片。從圖中可以看出，經過半固態擠壓后，針片狀初生AlFe相及一些二元、三元相，得到了進一步細化。這種細化實際上是破碎細化，原來的針狀相和多邊形狀相，部分變為粒狀相。多數AlFe相尺寸由鑄態的約0.2mm，變為約50μm左右，較鑄態減少約75%，第二相在基體上的分布更加均勻，有效地減輕了第二相對基體的割裂作用，導致合金力學性能顯著提高。上述實驗現象說明，半固態擠壓可以有效地細化Al-Fe基合金的第二相，尤其對針片狀AlFe相的細化作用更加明顯。
　　圖5為半固態擠壓后合金基體的TEM形貌。從圖中可見半固態合金的基體組織中存在大量的位錯。這是由于在半固態擠壓過程中，合金發生了較強的塑性變形，因而會在基體中形成大量的位錯。這些位錯的形成也是半固態擠壓后合金力學性能提高的一個重要因素。
　　
　　4.結語
　　（1）Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金經過經過半固態成形加工后合金的力學性能有了較大程度的提高。合金的抗拉強度從161MPa上升到了270MPa，伸長率也由0.5%提高到了1.5%。
　　（2）半固態成形細化了Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金的組織，多數AlFe相尺寸由鑄態的約0.2mm，變為約50μm左右，較鑄態減少約75%。同時，使第二相在基體上的分布也更加均勻。
　　
　　參考文獻：
　　［1］Couture，A.Iron in Aluminum Casting Alloys——A Literature Survey. AFS Inter.Cast Met. J，1981（12）:9-17.
　　［2］劉相法，邊秀房，馬家驥等.鋁合金團球化熔劑的研制.特種鑄造及有色合金，1994（5）:13-16.
　　［3］V.Stefaniay，A.Criger and T. Turmezey. Intermetallic Phases inthe Aluminum-side Corner of the AlFeSi Alloy System. J. Mater.Sci.，1987，22: 539-546.
　　［4］S.Gowrz and F.H.Samuel. Effect of Alloying Elements on the Solidification Characteristics and Microstructure of Al-Si-Cu-Mg-Fe380 Alloy. Metatll. Mater. Trans. A， 1994， 25A（2）:437-447.
　　［5］黃健，李洪濤，王汝耀.Fe對Al-Si合金強度的影響.兵器材料科學與工程，1990，（4）:1-7.
　　［6］Couture A. Iron in aluminum casting alloys——A literature survey. AFS Transactions， 1981，（11）:17.
　　［7］潘冶，孫國雄，吳照金.Al-Si-Fe合金中鐵相的粒化.鑄造，1992，（12）:6-9.
　　［8］潘冶，孫國雄.鋁合金中鐵相形態控制及對性能的影響.特種鑄造及有色合金，1993，（5）:1-3.
　　［9］符寒光.半固態鑄造技術研究現狀與展望.冶金信息導刊，2002（5）:16-20.