魏芳璽++雷一鳴++馬斌

摘 要：鑄造鋁硅合金性能優(yōu)良，鐵作為該合金中最常見(jiàn)的一種雜質(zhì)元素，對(duì)合金的性能造成了影響，因此，消除鐵相在鑄造鋁硅合金中的有害作用迫在眉睫。本文系統(tǒng)的歸納了國(guó)內(nèi)外除鐵的方法和原理。分析認(rèn)為，加入中和元素法成本最低，操作性最好，但是仍然需要繼續(xù)研究更加有效的中和元素。其次，將幾種方法綜合使用，或許除鐵效果更好。

關(guān)鍵詞：鋁硅合金 鐵相 性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（c）-0084-02

鑄造鋁硅合金強(qiáng)度高、容重小、鑄造性能良好、加工性能優(yōu)良，是鑄造鋁合金中被應(yīng)用最為廣泛的一種材料，鐵是鑄造鋁硅合金中最常見(jiàn)的一種雜質(zhì)[1]，減少鐵元素在鋁合金中的含量是鋁回收利用以及鋁的常規(guī)生產(chǎn)中必須解決的問(wèn)題。

α-鐵相和β-鐵相是鋁硅合金中最常見(jiàn)的兩種鐵相[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，α-鐵相以漢字狀或骨骼狀以及其它形態(tài)存在，對(duì)基體的有害作用不是很明顯[3]；而β-鐵相由于其呈粗大針狀，形變不均勻，從而導(dǎo)致鐵相與金屬基體交界處存在比較高的應(yīng)力集中，使得鋁硅合金的力學(xué)性能明顯降低。因此，如何減少這種針狀鐵相，對(duì)改善鋁硅合金的性能有重要意義。

消除鐵相在鋁硅合金中有害作用的方法大體有兩類(lèi)：第一類(lèi)是從根本上減少鐵在鋁硅合金中的含量；第二類(lèi)是改變鐵相在鋁硅合金中的形式，避免針狀或者片狀鐵相的產(chǎn)生，減少β-鐵相或者將β-鐵相轉(zhuǎn)化為α-鐵相，使鐵相盡可能的以α-鐵相的形式存在[4]。

1 減少鐵在合金中的含量

從根本上降低合金中鐵的含量，從而減小鐵相對(duì)合金的有害作用。常見(jiàn)的有重力沉降法，過(guò)濾法，離心去除法和電磁去除法。這幾種方法有相似之處：都是利用熔體與富鐵相的密度差，使鐵相與熔體發(fā)生分離，從而達(dá)到去除鐵相的目的。

1.1 重力沉降法[5]

重力沉降法是利用初生鐵相的密度大于鋁硅合金熔體密度這個(gè)特點(diǎn)，將合金熔體在一定的溫度下放置一段時(shí)間，富鐵相由于密度大的原因自由沉降至合金熔體底部而得以消除。但是，由于沉降需要的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，而且爐溫還必須在一個(gè)相對(duì)比較低的范圍內(nèi)，待鐵相完全分離完成后熔體才能重新升溫，否則，沉降的鐵相又會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨匦氯苋牒辖鸬娜垠w內(nèi)，所以這種方法在實(shí)際應(yīng)用中十分麻煩。

1.2 過(guò)濾法[6]

過(guò)濾法的原理是利用過(guò)濾布、過(guò)濾網(wǎng)、板等一些工具使先析出的大塊化合物從熔體中過(guò)濾出來(lái)，利用這種方法可以使合金中鐵的含量下降到0.7%以下。但前提是在過(guò)濾時(shí)，除鐵相之外的其它相必須呈液態(tài)的形式，所以它不適用于亞共晶鋁硅合金和過(guò)共晶鋁硅合金。再者，當(dāng)鋁液的粘度比較高時(shí)，析出的固相分離起來(lái)比較困難，過(guò)濾非常不容易，使材料嚴(yán)重浪費(fèi)；而當(dāng)鋁液粘度較低時(shí)，過(guò)濾相對(duì)容易，但形成的硬質(zhì)相較難析出。

1.3 離心去除法[7]

利用離心去除法除鐵的原理和重力沉降法原理相似，都是利用鐵相和熔體之間的密度差使之分離，只不過(guò)離心去除法是通過(guò)離心力的作用使鐵相分離。研究表明，利用這種方法可以使得鋁硅合金內(nèi)部的鐵相從2.07%降低至0.27%。但該方法容易造成鋁料浪費(fèi)，而且耗費(fèi)人力物力。應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際仍需較大改進(jìn)。

1.4 電磁去除法[8]

電磁分離法主要是利用電磁驅(qū)動(dòng)力對(duì)Fe2Al金屬間化合物和鋁液的作用方向不同，從而將化合物從鋁液中分離出去的方法。這種方法除鐵效率較高，但工藝比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的要求也較高，所以生產(chǎn)成本較高。

2 改善鐵相形貌

這類(lèi)除鐵法是通過(guò)加入其它的合金元素或使用工藝方法使得鋁硅合金中的針狀或者片狀β-鐵相盡可能多的轉(zhuǎn)化為α-鐵相，以此來(lái)減小β-鐵相對(duì)基體的割裂作用，降低鐵相對(duì)合金機(jī)械性能的影響，提高鋁硅合金的機(jī)械性能。實(shí)施這一類(lèi)措施的方法相對(duì)較多，大體有加入中和元素法；熔體過(guò)熱法；提高冷速法等等。

2.1 加入中和元素法[9]

所謂加入中和元素法是指鋁硅合金通過(guò)加入一定量的中和元素（合金元素），促使α-鐵相的生長(zhǎng)，改善針狀鐵相的相貌，盡可能的使β-鐵相轉(zhuǎn)化為α-鐵相，以此來(lái)提高鋁硅合金的機(jī)械性能。常用的中和元素有很多種，比如錳，鉻，鈹，鉬等。它們都能夠不同程度的將片狀或者針狀β-鐵相轉(zhuǎn)化為對(duì)基體危害很小的α-鐵相。Mn是最常見(jiàn)的中和元素，在鋁硅合金中加入一定量的Mn能使針狀的β-鐵相的尺寸和形狀均發(fā)生顯著變化，甚至能夠?qū)⑵渫耆D(zhuǎn)化為α-鐵相。

另外還有一些應(yīng)用相對(duì)較少的中和劑， 如 Cr、Co、B e、T i、Mo、Ni、S、V、RE等。Cr能與合金中的鐵、鋁、硅等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多種金屬間化合物，以此抑制針、片狀富鐵相的產(chǎn)生。在鋁硅合金中加入適量的Cr能減少針狀或片狀β-鐵相存在的含量和大小，使得鐵相大多以骨骼狀或者漢字狀存在于合金中，從而減小了對(duì)基體的危害。Murali研究發(fā)現(xiàn)，鋁硅合金中加入Cr能使得針狀的β-鐵相轉(zhuǎn)化為星型或者漢字狀的Cr2Fe相，并且鐵相的形狀隨著冷速的提高而越來(lái)越好。但是有人發(fā)現(xiàn)，盡管Cr元素能夠減少或者消除合金中的β-鐵相，但它并不能使鐵相的有害作用完全消除。加入Cr會(huì)使得富鐵相在合金中的比重隨著（Fe、Cr）量的增多而越來(lái)越大，這最終會(huì)導(dǎo)致鋁硅合金的延伸率降低，塑性下降。

Murali比較系統(tǒng)地研究了Be對(duì)鋁硅合金中鐵相的影響。發(fā)現(xiàn)在加入適量的Be后，鋁硅合金中的鐵相成為多角形、六角形及漢字狀。當(dāng)高Fe（1.0%）高Be（>0.2%）時(shí)，六角形Be2Fe相較多；當(dāng)Fe含量較低（<0.6%）且Be含量也較低（<0.18%）時(shí)，鐵相一般呈漢字狀；甚至在高Fe（>0.70%）低Be（<0.18%）時(shí)，也僅見(jiàn)有漢字狀鐵相；如果Fe和Be含量都很低時(shí)，則基本上不能區(qū)分鐵相。有專(zhuān)利稱(chēng)，在鋁硅合金（含6%～10%Si）中加入0.05%～0.5%的Be，可以促使富鐵的金屬化合物成為圓形、球形或橢球形。endprint

鈦含量對(duì)鐵相形態(tài)和性能影響的研究指出，隨著合金中鈦含量的變化，鐵相形態(tài)和體積均發(fā)生變化。

除此以外，有人發(fā)現(xiàn)Sr對(duì)鋁硅合金中的鐵相也有一定的變質(zhì)作用，G.K.Sigworth和Alcan專(zhuān)利均發(fā)現(xiàn)加入適量的Sr可以使得鋁硅合金中的β-Fe相轉(zhuǎn)化為α-Fe相，有效的改善了合金中鐵相的形貌，減小其對(duì)基體的危害。但也有人指出，Sr其實(shí)并沒(méi)有使Fe相的形態(tài)發(fā)生改變。由于Sr能夠變質(zhì)共晶硅，使其由針狀變成纖維狀，這樣鐵相就更加清楚的暴露在外面，從而更容易在金相上觀察到。有實(shí)驗(yàn)表明Sr只能使得針狀β-鐵相發(fā)生溶斷、彎曲、分解，而不能從根本上轉(zhuǎn)化為α-鐵相。

2.2 熔體過(guò)熱法[10]

熔體過(guò)熱法不需要在合金中添加任何元素就能改善合金中鐵相的形式。并且作用對(duì)象的范圍相對(duì)較廣。澆注前的充分過(guò)熱能有效的改善熔體內(nèi)有害鐵相的形核。高溫條件會(huì)使得γ-相直接轉(zhuǎn)化為α-鐵相，從而避免了在低溫下轉(zhuǎn)化為針狀的β-鐵相。但影響熔體過(guò)熱效果的因素也有很多，有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁硅合金中有鎂存在，或者硅的相對(duì)含量低，或者冷卻速度較慢，都會(huì)影響這種方法的最終效果。除此以外，熔體溫度過(guò)高，對(duì)合金的燒損會(huì)加重，合金內(nèi)部的夾雜物增多等等，這些都會(huì)最終影響到合金的整體性能。

2.3 提高冷速法[11]

提高冷速法是通過(guò)提高鐵的臨界值含量去抑制針狀β-鐵相的產(chǎn)生，從而達(dá)到改善基體性能的目的。β-鐵相產(chǎn)自于平衡凝固；由于較低的冷卻速度有利于β-鐵相的產(chǎn)生，而當(dāng)冷卻速度很高時(shí)，就會(huì)對(duì)β-鐵相產(chǎn)生抑制作用。所以冷卻速度的提高使得合金中的β-鐵相大幅減少，而骨骼狀或者漢字狀的α-鐵相增多。正因如此，鐵相對(duì)砂型鑄造的害處要遠(yuǎn)大于鐵相對(duì)金屬型的危害。但又有研究指出，當(dāng)冷卻速度太大時(shí)，更有利于析出β-鐵相。

2.4 熱處理法

鋁合金的常規(guī)熱處理方法是將其加熱到液相線以下某一溫度，然后保溫。在固相線溫度進(jìn)行熱處理，能使富Fe相溶解、碎斷、球化，從而改善合金的性能。

3 結(jié)語(yǔ)

第一類(lèi)方法是從根本上減少合金中鐵的含量，而實(shí)際結(jié)果表明，將鐵從合金中分離出去是比較困難的，而且這種方法成本太高。需要額外增加很多設(shè)備，調(diào)整很多技術(shù)，因此實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用并不多。

第二類(lèi)方法是改善鐵的形貌，盡可能的減少合金中針狀鐵相的數(shù)量，從而達(dá)到提高合金性能的目的。這類(lèi)方法操作性更好，成本也較低，其中，添加中和元素法最值得應(yīng)用和推廣，但仍然需要大量研究以尋找更為適合的中和元素。此外，也可以將兩類(lèi)方法綜合起來(lái)，或許能夠達(dá)到更好的除鐵效果。

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