铝合金中含铁相的研究现状和发展趋势分析

论文题目：铝合金中含铁相的研究现状和发展趋势

姓名：韩志强

班级：材硕1511

学号：1570388

2015/10/25

摘要

铝以及铝与其它元素所形成的铝合金具有优良的力学性能，在工业领域内得到了广泛的应用，一直以来在世界范围内备受瞩目。但由于工业上受到工艺及模具的限制，从熔炼到成形的过程中很容易引进杂质元素，从而使其在某些领域中的应用受到了阻碍。

在众多杂质元素中，对铝合金组织及力学性能影响最大的是铁元素。它一直被人们当做合金中的有害元素，铁极难溶于铝中，共晶点的铁含量为 1.8%，不会固溶超过1.9%，超过这个数值，铁会与铝化合成一种中间相，该相组织粗大，尖锐，会影响合金总体的力学性能。

硅同样被认为是合金中的另一种杂质元素，合金中的这两种杂质元素容易形成金属间化合物，分别形成常见的两种相，即β-铁相和α-铁相。

铝合金质量轻，延展性好，大量使用，铝铁合金除了自身优点外，还具有其它的优良性能，良好的耐腐蚀性能、极好的耐磨耐硬和高强度等，使其在工业领域内的关注度逐渐上升。

研究表明富含铁相的铝合金经过变形后再进行T6热处理会发生性能降低的反常现象。

关键词：铝合金；铁元素；硅；热处理

Abstract

Aluminum and aluminum alloys of aluminum and other elements formed have excellent mechanical properties, in the industrial fields has been widely used, it has been well received around the world. However, due to limitations on the process and die by the industry, from smelting to the molding process it is very easy to introduce impurity elements, making it apply in some areas has been hampered.

Among impurity elements in aluminum alloy microstructure and mechanical properties of greatest impact is iron. It has been known as the harmful elements in the alloy, iron extremely difficult to dissolve aluminum and iron content of the eutectic point of 1.8%, not a solid solution over 1.9%, more than the value of iron and aluminum will synthesize an intermediate phase which organization coarse, sharp, it will affect the mechanical properties overall.

Silicon alloy is also considered to be another impurity element, the alloy impurity elements both easy to form inter metallic compounds were formed common to both-phases, phase and α-iron β- iron phases.

Lightweight aluminum quality, scalability, extensive use of aluminum alloy in addition to its own merits, but also has other excellent performance, good corrosion resistance, excellent wear resistance and high strength hard to make it in the field of industry attention gradually increased.

Studies have shown that iron-rich phase deformation of aluminum alloy after T6 heat treatment and then be-reduced performance anomalies occur.

Key words: aluminum alloy; iron; silicon; heat treatment

一、铝合金中含铁相的存在问题

在众多杂质元素中，对铝合金组织及力学性能影响最大的是铁元素。它一直被人们当做合金中的有害元素。硅同样被认为是合金中的另一种杂质元素，合金中的这两种杂质元素容易形成金属间化合物，分别形成常见的两种相，即β-铁相和α-铁相。它们形状各异，其中α-铁相以古文字状和骨架状为主要存在形态，而β-铁相大多数呈尖锐的具有立体感的针片状以及条状。棱角不圆整的金属间化合物极易形成裂纹源，对合金的力学性能影响极大。

以β-铁相为主要影响因素，从其力学性能来分析，它属于偏脆的硬质相，从形态上来分析，它主要以针片状和细针状的形式存在，对基体的割裂作用很难被忽略，影响了Al-Fe合金本身具有的耐热、耐磨以及耐腐蚀性，从而影响了其在现实生活生产中的实际应用。在常规重力铸造以及室温下或者是可控的温度下熔炼成形时，Al-Fe合金更容易形成β-铁相，从而使晶粒粗大化。

为了解决富铁相在基体中以杂质相存在的这一现实状况，减弱对基体的影响，可以从两方面着手分析，一是改变富铁相在铝合金中的存在形态，尽量减少尖锐的针片状形态，利用现有热挤压或者半固态工艺，将晶粒打碎，使其球化分布，削弱其尖锐的棱角，减少对基体的割裂作用，从而降低其对总体合金力学性能的影响。二是从根本上解决问题，即降低铁在铝合金中的含量，减少附加相的形成。20世纪50年代以来，国内外研究学者在这一方面进行了深入的研究，得出了许多有建设性的研究成果，但前期的研究主要利用数学的方法加以推理演算，实际应用不多，利用分离式实验对其检验时很难得出同样的结论。在优化富铁相形态的研究方法中，重点使合金中的含铁量达到所能允许的最大值，在细化的过程中加大铁含量，力求找到一个使合金耐热耐磨耐腐蚀性优良的的最佳铁含量配比。这样一来，合金中的含铁量不断增多，在铁含量增加的同时，不可避免的引入了其它的杂质元素的含量，这样不断地循环往复，日积月累，从而使合金中的杂质成分不断的增加，出炉后的废料很难再回收利用，加上分离净化金属的成本昂贵，无法达到平衡利用，所以降低了合金的使用价值。

降低合金中铁元素的方法有许多种，最为常见的一种是利用电磁原理来减少其含量。这种方法的核心原理是利用合金中所含的杂质的电性能和磁性能与所需使用的合金本身的电性能与磁性能的性能差异，对金属施加外加的电磁力，从而

将杂质从液态金属中分离出来。这种电磁净化方法被认为是目前最有效、最合理的净化熔融金属的方法。电磁净化法的分离驱动力主要是电磁力和磁场力的共同作用，与重力分离方法十分相似。电磁净化法的影响因素很多，例如电磁力体积密度；杂质颗粒与所需熔体在外加磁场中受到磁化作用而产生的磁场力的不同等。

铝合金具有高比强度、高比刚度等良好的力学性能以及优异的铸造性能。因此经常作为重要的结构材料而在各种工业及汽车制造业中广泛应用。随着电解铝技术的不断发展与成熟，铝合金的地位在世界领域内不断提升，这两种合金在当今社会中极为常用，铁与铝结合形成的合金有喜人的应用前景，例如极好的抗腐蚀性能、良好的耐磨性及耐热性。为了满足不同工作环境中对材料组织与性能的要求，使铝合金的应用更加广泛，Al3Fe等金属间化合物的存在合理的满足的这个要求。该合金遗传了铝合金的许多优良特性，低密度是其最为突出的一个特点。该特点使铝铁合金可以作为航天器材材料得以应用。另外，铝和铁两种元素在地壳中的储量分别位居第三和第四，含量丰富，取材容易，来源广，价格合理，在工业领域内有广阔的应用价值。无论在中国还是海外均得到了肯定。

铁极难溶于铝中，共晶点的铁含量为1.8%，不会固溶超过1.9%，超过这个数值，铁会与铝化合成一种中间相，该相组织粗大，尖锐，会影响合金总体的力学性能。并且，这种粗大的针片状的A13Fe相形成于凝固早期，将金属液用于均匀成形时的补缩通道堵塞，阻碍了金属液的流动，形成了大量的缩松缩孔，使合金的力学性能大大降低。基于铝铁合金的这些特性，使其在工业领域内的应用和发展得到了阻碍。很长一段时间，铁一直被作为一种铝合金中的杂质元素来加以研究。重点研究如何尽可能的降低铁相在铝合金中的不良影响，改变铁相化合物的形态，希望以这种方式来提升铝合金的力学性能。直到1970年，随着半固态加工技术的问世和不断的发展，优良的性能使其得到了广泛的应用。半固态成形作为一门新兴技术，涵盖了流体力学、传热学、力学等相关研究领域。虽然已经对半固态成形工艺做出了大量的研究结果，但对其成形后的热处理机制研究的并不深入，尚且存在着大量的问题有待于进一步研究与探讨。所以对经过半固态成形后的Al-Fe合金进行不同的T1及T6热处理，研究其热处理强化机理具有极大的研究价值。前期研究结果表明，可以通过加入其它成分来改变性能。对该合金

进行半固态成形后合金性能得到了进一步的提升，后续对其进行T6热处理后，其性能反而降低，所以其反常热处理机理有待于进一步研究与探讨。

二、铝合金中含铁相的研究现状

因为铝合金质量轻，延展性好，大量使用，铝铁合金除了自身优点外，还具有其它的优良性能，良好的耐腐蚀性能、极好的耐磨耐硬和高强度等，使其在工业领域内的关注度逐渐上升。直到20世纪70年代，铝铁合金已经被逐渐当成一种合金系来加以研究。

研究结果显示，铝合金中铁含量的变化对合金基体力学性能的影响很大。向铝合金中逐渐添加铁元素，当铝合金中铁元素含量大1%时，会影响合金的冲击强度，使强度降低。继续加大铁含量，当其含量从0.25%变化到0.6%时，合金的抗拉强度和伸长率都出现了下降的情况。其抗拉强度由原始的385～415MPa 变为285～315MPa，大约降低了24.1%，伸长率从13%～14%变为4%～5%，约下降了64.29%。另外，具有尖锐棱角的类针状Al3Fe相形成于合金凝固初期，会对合金的流动造成一定的阻碍作用，影响合金的均匀化分布，大量形成宏观及微观偏析，缩松缩孔。从而这些缺陷影响了合金的力学性能。可见，铝合金中铁元素的存在会使合金的性能产生负面的作用，从这个角度分析应该尽量减少铝合金中铁的含量，但这样就无法体现铁在铝合金中形成的耐磨耐热耐腐蚀的优良性能。所以在Al-Fe合金的研究过程中，侧重于如何在保证性能的情况下尽可能多的提升铁含量，使其优点得到体现。至今为止，对于铝铁合金的性能提升方法已经有大量的研究，并且取得了一定的进展，使铝铁合金已经投入的工业使用，已经开发出的一些工艺方法由于其高成本，工艺复杂等因素等特点而使其应用受到限制。为了节约成本，有必要换一种角度对该合金进行研究，传统的合金组织的研究方法显得尤为重要，从微观方面加以研究，通过细化微观组织的方法来提高宏观的力学性能。简化成形方法，在普通的重力铸造下实现高性能批量化生产，使铝铁合金成为一种低成本、高性能、优质的合金体系。

三、铝合金的热处理

合金可以进行固溶热处理的条件是合金中的第二相在基体中的固溶度随着温度的变化而变化，通常是第二相在基体相中的固溶度不断变大依据外部温度不断提升，外部提供很高温度，保温足够的时间，使第二相充分的融入基体相中，

形成过饱和固溶体，为后续的时效处理做准备。但加热之后还要以最快的速度放入到淬火液（油或水）中进行快速淬冷，使合金在室温时保留高温时的高固溶度状态。从而使合金达到了固溶强化的目的。一般的有色金属经过固溶处理后合金的性能例如抗腐蚀和塑性提高，而强度大多数增加，有少数下降。

对合金进行固溶热处理时，可变因素有固溶时间、固溶温度、以及保温时间。合金强化相在基体中的溶解程度随着固溶时间及固溶温度的增加而变得越加充分，合金元素在晶格中的分布也越来越均匀。为了保证第二相最大程度的融入基体中而又不引起过烧或晶粒长大，应该选择合理的固溶温度。同时为了保证强化相能够充分的融入，应该选择合理的固溶时间。

所以，用传统重力铸造制出的合金保温时间要长一些。但时间太长，造成晶粒长大。合理的淬火冷却速度也是固溶热处理成功的前提条件。若速度慢，降低时效效果。若速度过快，产生的强大的内应力使塑性较低的合金发生开裂，提高了废品率。

四、含铁相对铝合金热处理影响的研究现状

研究表明富含铁相的铝合金经过变形后再进行T6热处理会发生性能降低的反常现象，对Al-Fe-Cu合金的热处理现象进行了一系列的研究。

使用半固态成形的方法制备合金，从而细化合金组织。在使合金性能提升的前提下，分析半固态合金的外部性能是如何受热处理影响的。再规划出完善的热处理方案。通过实验我们发现，所研究的合金利用立式挤压机及杯形模具进行半固态处理后，抗拉强度明显上升。但是经过固溶加上时效处理后，抗拉强度反而下降了，无论多少固溶温度及固溶时间，效果均不如之前的理想。通过与文献的对比及查阅相关书籍发现在半固态过程中有630摄氏度的加热过程，相当于一次热处理过程，所以再加热只会使性能更差，而单纯时效热处理后合金性能显著上升。以上可以分析出，该合金适合T1热处理，而不适合T6热处理。Al-Fe-Cu 合金通过630摄氏度的加热后再用挤压机挤压，硬度值明显上升，但经过固溶加上人工时效处理后，硬度却下降了。实验证明，外部受力已经改变了组织内部的应力，有破坏作用。

深入研究Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.5Mn-0.4Mg合计在半固态及热挤压态下经过T6 热处理性能降低的机理。不断改变热处理参数及立式挤压机参数，分析

Al-Fe-Cu 合金在挤压过后的组织与性能。研究结果表明：Al-Fe-Cu合金通过630摄氏度的加热与利用立式挤压机挤压后，硬度值明显上升，但经过固溶加时效处理后，硬度却下降了，实验证明，外部受力已经改变了组织内部应力，有破坏作用。经过固溶加时效处理后，富铁相宏观变厚，并且从微观组织中能发现其长大趋势，但单纯时效处理会提高合金硬度。

在重力铸造情况下，硬度很低，经过630摄氏度加热成固液共存状态，并且用立式挤压机挤压后，硬度值明显上升。但经过固溶加时效处理后，硬度值下降，并且含铜的富集相更加明显。因为温度比较高，内部组织粗大化，所以合金硬度下降，但T1热处理却相反，发生了固溶强化，使性能提升。度硬下降是因为在挤压过程中，使合金内部致密度上升，Cu向富铁相周围扩散，基体中没有Cu 元素，无法形成过饱和固溶体。T1热处理后力学性能有所改善，主要因为没有经过较高的温度，Al-Fe-Cu中各原子基本无扩散，形成均匀分布，发生弥散强化。

对半固态、热挤压过共晶Al-Fe合金热处理机理进行深入研究，分析得出，加入其它成分，改善了细针状的第二相，并且均匀分布于基体中，使合金硬度提升。传统重力铸造态经过固溶加时效后，硬度提升。挤压后硬度进一步提升。第二相形貌得到优化，但挤压后固溶加时效处理后，硬度却下降了。

通过后续的金相分析发现，经过卧式挤压机挤压后，Cu向第二相周围扩散，聚集。温度越高聚集现象越明显，不断改变外部参数，发现添加成分的多少和挤压机的工作参数都不会影响Cu的聚集。利用卧式挤压机形成的合金及立式挤压机形成的杯状合金的变化趋势相同。在经过固溶加时效处理后，Cu向第二相Al3Fe相聚集。但单纯的时效处理会使硬度上升。由以上分析，压力和温度是合金性能下降的主要原因。Cu向Al3Fe周围聚集无关于挤压机工作参数以及加入成分多少，只与加入的Cu的含量有关。挤压后Al-Cu-Fe合金经过固溶加时效处理后，硬度下降，Cu有聚集。单纯时效无Cu的聚集，所以聚集与Cu有关。五、含铁铝合金发展趋势

尽管含铁铝合金的研究工作取得了很多成果，也得到了实际应用，但是在大力提倡节能降耗的环保时代，研究工作还待进一步深入。

（1）进一步开展含铁铝合金成分设计的理论研究，探求合金元素综合作用对铝合金的影响规律，为合金成分设计提供理论支撑。

（2）优化此类合金成分，进一步开发净化合金熔体技术，围绕提高合金综合性能，获得高品质合金的制备开展研究工作。

（3）进一步开展此类合金的成形技术研究工作，优化拉拔和拉拔过程中的热处理工艺，保证在制备过程中具有较高的综合性能。