淺議鐵元素對鋁合金的影響

摘要：6系列鋁合金是指通過澆鑄、擠壓而成的合金材料，具有良好的加工性能，在多個領域內得到廣泛應用。在GIS產品中，6系列鋁合金廣泛應用于法蘭、母線、管材和棒材等。不同鐵元素含量在6系列鋁合金的電學性能、機械性能的影響有著決定性的作用，如若處理不好，容易發生各類生產事故。6063鋁合金通常用作導電產品的導體、觸頭等，是一種常見的鋁合金材料。因此，有必要對6063鋁合金中Fe元素的作用進行研究。

關鍵詞：6系列鋁合金；鐵元素；影響消除方法；合金材料；耐腐蝕性；機械性能 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG115 文章編號：1009-2374（2015）05-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0368

1 概述

6系列鋁合金是指通過澆鑄、擠壓而成的合金材料，除了NC2標號之外，其余都是以6字頭命名的，其中6063為常規型號。6系列鋁合金在機械加工、汽車、飛機、船舶制造、通訊設施、建筑型材、農業管網等領域得到廣泛應用。因為其具有良好的加工性能，在實際應用中，可以被加工成管、棒、方形以及各種異型，是一種常見的鋁合金材料。

在生產實踐中，由于6063鋁合金中的Fe的變量對鋁合金性能影響較大，會在后期加工中對型材的機械性能產生較大范圍的改變，嚴重時可以導致氧化著色不均、機械性能降低等缺陷，所以，必須認真研究所含Fe元素對6063鋁合金的負面影響。

2 鐵元素在6063鋁合金中的影響

2.1 鐵元素對6063鋁合金的耐腐蝕性能的影響

在戶外和潮濕環境中，金屬材料等極易腐蝕。因此，對化學性質較為活潑的鋁材的耐腐蝕性能要求較高。

純鋁以及鋁合金在空氣中很容易氧化，生成致密堅實的氧化膜，具有很好的自我保護作用，而且，當氧化膜被破壞的時候，還可以與氧氣反應，重新生成氧化膜，具有很好的“自愈”功能。但是，鐵元素對鋁合金的這種“自愈”功能卻有著嚴重的影響。隨著鐵含量的增加，鋁合金的腐蝕程度依然是呈現劇烈的增長勢頭。實驗可知，鐵含量近乎0的時候，年腐蝕深度最小；鐵含量增加到0.1%，年腐蝕深度增加到2倍；鐵含量增加到0.3%，年腐蝕深度增加到4倍；鐵含量增加到0.4%，年腐蝕深度增加到近乎6倍；這是因為鋁與鐵的電勢差高達1.2V，鐵元素以A1FeSi、FeA13等化合物存在，散布在鋁合金各個地方，先產生點腐蝕，然后逐步沿著晶線方向發展，由點腐蝕發展成剝層腐蝕，消弱了鋁合金的耐腐蝕能力。

2.2 鐵元素對6063鋁合金機械性能的影響

Fe原子在鋁合金中可以形成各種形狀的鐵相，其中以片狀鐵相最易形成、最為常見，該鐵相的最大負作用是可以造成鋁合金基體的斷裂，降低鋁合金的機械性能。

由此可知，為了滿足生產加工的需要，就需要對鋁合金中的Fe元素含量進行調整，從而消除Fe元素的有害作用。通過金相研究得知，Fe多以富鐵質金屬化合物的狀態存在于鋁合金中，其中，粗大針片狀β鐵相具有小面特征，會割裂基體，造成應力集中，降低合金的力學性能，降低其伸長率，對其塑性造成不利影響。因此，消除β鐵相具有重要意義。

2.3 相關的數據分析與總結

鐵鋁基合金材料在加入不同的金屬非金屬元素之后，可以表現出強度高、耐腐蝕、抗氧化、重量輕等機械特點。

當鋁合金在鑄造和拉伸的時候，由于Fe、Al、Ti、Si、B等元素在一定的溫度下可以形成復合粒子，所以會出現鑄造縮孔、氧化膜等缺陷，其最大屈服強度為216.64MPa，隨著拉伸長度的增加而逐漸減小；最大斷裂強度為224MPa，表現為先減小后增大的特性。這是因為，在共晶粒子與基體結合部出現的裂紋，其發展方向是沿著柱狀晶的生長方向發展的，當受到方向不一致的共晶粒子的阻擋的時候，就會增大斷裂強度。

通過實驗，可以得知，α-Fe固熔體彌散分布于基體之中，當加入1.5%Ti、0.1%B，可以有效抑制柱狀晶的形成，鋁合金的抗拉強度為585MPa，此時鋁合金的塑性較差。當加入1.5%Ti、0.1%B、3%Mn，Fe-AI合金的抗拉強度為530MPa，雖有小幅度的下降，但是其伸長率≥4%，延展性明顯得到提高。

3 消除Fe相的有害作用兩種思路的應用

消除Fe相的有害作用，多依據兩種思路而行：（1）改善Fe元素在鋁合金內部的形貌形成，減少危害較大的針狀鐵相，使其變為危害較小的漢字狀α相或其他形狀；（2）通過物理或化學方法，降低鋁熔體中Fe元素的含量。

3.1 改變Fe相的存在形貌

3.1.1 加入其他金屬中和Fe相。通過加入特定的金屬，將Fe分子的排列形態變成漢字狀α相，減少針狀β鐵相，進而改變合金的強度、塑性與機械性能。常用金屬Mn作為中和媒介，加入適量的Mn，可以有效減少β鐵相的數量，甚至能夠讓β鐵相完全消失。

3.1.2 熔體過熱。根據β鐵相在γ-氧化鋁夾雜物上可以生核的原理，澆注過熱鋁液，人為制造充分過熱條件，能夠顯著消滅有害富鐵相的形核。將合金加熱到導致合金結構發生變化的溫度之上，然后迅速冷卻，迫使粗大針片狀鐵相的生成受到抑制。

3.1.3 提高冷卻速度。提高冷卻速度，可以縮短鐵相化合物的形成尺寸，在鋁合金內部生成漢字狀化合物，替代β鐵相的生成。研究證明，低速（O.1℃/s）冷卻可以促進β鐵相的形成，高速（10℃/s）冷卻可以有效減少β鐵相的產生。另外，提高冷卻速度還可以促進鐵相的均勻分布，從而降低應力不均勻的危害。

3.1.4 熱處理。常用的熱處理方法如下：加熱鋁合金到液相線之下的某一溫度并保持住，經過一段時間，富Fe相即被溶解，發生碎斷和球化變化。

3.2 降低鋁熔體Fe元素含量

3.2.1 稀釋法。把純鋁或含鐵量較低的鋁合金，投入到含鐵量較高的鋁熔體中，從含量百分比的角度降低鋁合金的含鐵量。

3.2.2 沉淀法。沉淀法有兩種：（1）自由沉降法；（2）化學沉淀法。

自由沉降法的原理是：初生鐵相比鋁熔體密度大，在過熱溫度下，靜置鋁合金熔體，一段時間后，富鐵相就會下沉至熔體底部，類似水中沉淀泥沙。

化學沉淀法的原理是：在過熱溫度下，使用添加劑，與鐵相發生化學凝聚或置換反應，生成密度更大的富鐵相化合物，一段時間后，富鐵相化合物從熔體底部析出。添加劑多使用含有Mn、Cr、Ni等金屬元素的金屬化合物。

3.2.3 離心法。根據離心力原理，鋁合金熔體中密度較大的鐵相會移向外緣，與鋁熔體分離。該方法的優點是可以快速高效地降低鋁合金的含鐵量，缺點是浪費很大，生產工序增多。

在實際工作中，多采用綜合辦法以提高祛除效率。如中和劑+沉淀+過濾，中和劑+沉淀+離心法等。

4 結語

鋁合金的耐腐蝕性和機械性能等性能都與鐵元素含量有明顯的關系。通過上述方法可以有效降低鐵元素含量，可以有效改變鐵相狀態，從而提高了鋁合金的機械性能。當鐵相狀態被改變后，鋁合金的耐腐蝕性提高1～2.5倍，拉伸強度提高1.49～1.64倍，延伸率提高1.22～1.78倍，可以得到組織致密的鋁合金原件，對機械加工有著極大的幫助。

參考文獻

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[2] 王宗和，周光水.根據工藝和用途控制6063鋁合金的成分[J].輕合金加工技術，2000，（12）.

（責任編輯：黃銀芳）