錳、鍶含量對鑄造鋁硅合金鐵相形貌和相組成的影響

吳星宇，龍思遠，2，劉 歡，王 林

（重慶大學1.材料科學與工程學院；2.國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶400044）

0 引 言

鋁硅合金具有良好的鑄造性能和耐腐蝕性能，一般適用于制造薄壁、形狀復雜和中等負荷的零件。鐵相不可避免地存在于合金中，而且一般以針狀形態出現，這極大惡化了合金的性能［1-2］。添加錳能降低鐵元素的有害影響，提高合金的性能，當鐵的質量分數大于1.5%并且錳含量較低時，富鐵相呈針狀，并且隨著錳含量增多，鐵相逐漸由針狀轉變成漢字狀；當鋁硅合金中錳與鐵的質量比約為0.6時，其中的β-Al9Fe2Si2相轉變成AlSiMnFe相，有效消除了β-Al9Fe2Si2相對合金力學性能的有害影響，并且在壓鑄過程中還能防止粘型［3-5］。鋁硅合金的變質劑很多，生產中普遍采用的變質劑主要有鍶、鈉和銻，但鈉的變質持續時間短，且腐蝕坩堝；銻的價格雖然比鍶的低，但其變質效果不如鍶的好［1］。有人認為，在添加錳的同時添加鍶，不但可以改善β-Al9Fe2Si2相的形狀，還可使其變得更加細小，這對合金的力學性能更加有利［6-7］。所以，研究錳和鍶對鋁硅合金的變質效果具有工程實際意義。鑒于此，作者詳細研究了錳和鍶元素含量對鋁硅合金中鐵相種類、形貌及相組成分的影響。

1 試樣制備與試驗方法

以鐵含量較高的鑄造鋁硅合金為試驗原料，其化學成分（質量分數，下同）為8.0%Si，0.35%Mg，0.15%Ti，0.6%Fe，余 Al。

為了研究錳含量對鋁硅合金中鐵相形貌和相組成的影響，設計了鍶含量相同而錳含量不同的合金1～4，即在保持鍶設計含量為0.02%的情況下，添加0，0.1%，0.3%，0.5%的錳；為了研究鍶含量對鋁硅合金中鐵相形貌和相組成的影響，設計了錳含量相同而鍶含量不同的合金5～8，即在保持錳設計含量為0.3%的情況下，添加0.01%，0.02%，0.03%，0.05%的鍶。錳和鍶元素分別以純錳、Al-10Sr中間合金的形式加入。每次試驗在730℃的合金液中添加純錳，熔體攪拌0.5h直至其完全熔化后再采用氮氣與氬氣的混合氣體對合金熔體進行精煉除氣，扒渣并靜置0.5h；在720℃的合金液中添加Al-10Sr中間合金進行變質處理1h，在720℃扒渣后澆注。

使用XRF-1800型X熒光光譜分析儀（XRF）測合金中的元素含量，結果如表1所示。

從鑄錠中切取相同部位的試樣，對其研磨拋光后，采用體積分數為0.5%的HF溶液腐蝕10s，然后使用OLYMPUS GX41型光學顯微鏡（OM）觀察顯微組織，并使用D/max 1200型X射線衍射儀（XRD）檢測合金中的相組成。

表1 不同合金的錳、鍶設計含量和化學成分（質量分數）Tab.1 Mn，Sr design composition and chemical composition of different alloys %

2 試驗結果與討論

2.1 錳含量對鐵相形貌的影響

由圖1可見，合金1的組織中存在大量針片狀β-Al9Fe2Si2相以及少量淺灰色骨骼狀相，經分析可以斷定它為Al8Mg3FeSi6相［8］；合金2中部分針片狀β相發生了明顯的彎曲，另有部分β相變成了骨骼狀AlSiMnFe相；合金3中的AlSiMnFe相變得更粗、更短，錳的作用得到了充分發揮；合金4的組織中出現了大量粗大的魚骨狀AlSiMnFe相，且部分相呈規則形狀，如白色箭頭所指，其惡化了合金的性能。

鋁硅合金中的富鐵相實際上是固溶體，它的晶格空位可以容納其它元素。當在鋁硅合金中加入錳后，錳能使β相轉變成AlSiMnFe相。從顯微組織上看，當針狀鐵相在單一方向上生長時，錳可以依附在針狀鐵相的尖端，從而改變其原始的生長方向，使晶體朝其它方向生長，故而，那些尺寸較小的鐵相會變成骨骼狀或漢字狀，但尺寸很大的鐵相則可能保持其原有的形狀［9］。從熱力學上看，相總是向能量低的方向轉變，針狀鐵相的表面積大，能量高，而AlSiMnFe相的表面積小，能量低，加入的錳元素會依附于鐵的核心與其生成AlSiMnFe相［10］。

2.2 鍶含量對鐵相形貌的影響

由圖1可以看出，合金5中的AlSiMnFe相、β相與共晶硅相、Mg2Si相有明顯的區別，共晶硅相和Mg2Si相分別呈小顆粒狀和黑色骨骼狀，鐵相以兩種形式存在，部分為針片狀β相，而大部分則以骨骼狀AlSiMnFe相分布于α-Al基體中；合金6中的黑色骨骼狀 Mg2Si相逐漸減少，淺灰色骨骼狀Al8Mg3FeSi6相增多，這說明更多的鐵元素以骨骼狀Al8Mg3FeSi6相存在，這有利于消除針片狀β相的有害影響，而且部分針片狀β相（箭頭2）和骨骼狀AlSiMnFe相（箭頭1）出現了彎曲與斷裂的現象，這都有利于改善合金的力學性能；合金7的組織中沒有發現針片狀β相，但骨骼狀AlSiMnFe相出現了聚集；合金8中不僅出現了AlSiMnFe相的聚集，而且還出現了有規則形狀的AlSiMnFe相（如黑色箭頭所示），惡化了合金性能。此外，合金中還發現了更多淺灰色骨骼狀Al8Mg3FeSi6相分布于基體中。

圖1 不同合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of different alloys：（a）alloy 1；（b）alloy 2；（c）alloy 3；（d）alloy 4；（e）alloy 5；（f）alloy 6；（g）alloy 7and（h）alloy 8

2.3 鍶元素對相組成的影響

由圖2可以看出，合金5的主要物相有α-Al、共晶硅、AlSiMnFe、β相、Mg2Si相；合金7的主要物相有α-Al、共晶硅、AlSiMnFe、Al8Mg3FeSi6。對比分析可以發現，當合金中的鍶加入量從0.01%增加到0.03%時，針片狀β相和骨骼狀 Mg2Si相逐漸減少，但淺灰色骨骼狀Al8Mg3FeSi6相卻有增多的趨勢。由此可見，鍶在鋁硅合金中雖然不能改變鐵相的形貌，但卻能使β相和AlSiMnFe相發生破碎，還能使更多的鐵元素以骨骼狀Al8Mg3FeSi6相存在，以減少β相的有害影響。

圖2 不同合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of alloy 5（a）and alloy（7）

在一定面積內，β相的數量和長度與其形核和成長機理有關，先析出的β相優先形核，進而繼續分支形成更大的β相。研究表明，鍶會減小α-Al相和β相的界面表面能，從而影響β相的成核過程。此外，鍶的添加能減小β相的長度和降低其體積分數，這與鍶對鐵相的變質有關，它的變質機理與對共晶硅的細化機理極其相似，鍶能吸附在β相某些晶體的晶格面上，從而破碎掉這些優先形核的β相，使它們的分支更少［11-12］，達到消除粗大 β 相的目的。

3 結 論

（1）在含0.02%鍶的鋁硅合金中，隨著錳含量的增多，合金中的β-Al9Fe2Si2相逐漸轉變成骨骼狀或魚骨狀AlSiMnFe相，但錳含量達到0.5%后，出現了有規則形狀的AlSiMnFe相，它對合金的力學性能不利。

（2）在含0.3%錳的鋁硅合金中，隨著鍶含量的增加，合金中AlSiMnFe相和β-Al9Fe2Si2相的尺寸變小，β-Al9Fe2Si2相甚至消失，MgSi2相有轉變為Al8Mg3FeSi6相的趨勢，減弱了β-Al9Fe2Si2相對合金力學性能的有害影響；當鍶含量為0.02%時，鐵相的形態達到最佳，當鍶含量超過0.03%時，AlSiMnFe相出現了聚集的現象，甚至出現了有規則形狀的AlSiMnFe相，這對合金的力學性能不利。

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