劉　航,劉新寬,劉　平,陳小紅,李　偉,何代華

(1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,上?！?00093;2.上海理工大學(xué) 材料工程學(xué)院,上?！?00093)

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Fe含量對Al-Fe合金組織及性能的影響

劉航1,劉新寬2,劉平1,陳小紅2,李偉2,何代華2

(1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海200093;2.上海理工大學(xué) 材料工程學(xué)院,上海200093)

摘要通過掃描電鏡、能譜分析、電化學(xué)工作站、金相顯微分析和化學(xué)分析等手段研究Fe元素含量對Al-Fe合金的組織,導(dǎo)電性及抗腐蝕性能的影響,并從理論上分析了Fe的作用機理。研究結(jié)果表明,Fe在Al基體當(dāng)中形成針狀第二相,隨著Fe含量的增加,第二相的數(shù)量也有所增加,但大小與形態(tài)變化較小。宏觀上反映為鋁合金硬度增加,導(dǎo)電性下降。同時,Al-Fe合金中的第二相Al3Fe,使鋁合金具有良好的耐腐蝕性能。

關(guān)鍵詞Al-Fe合金;Fe含量;顯微組織;導(dǎo)電率

Al-Fe系合金是以Al-Fe合金為基礎(chǔ)加入第三元素Si、Cu、Mg、Co等的一類耐熱、耐磨和耐腐蝕的新型鋁合金,Al-Fe合金因其耐熱性好、質(zhì)量輕、原料豐富、價格低,可部分取代常規(guī)耐熱鋁合金,鈦合金和鋼等材料,減輕構(gòu)件質(zhì)量和降低成本,在航空航天、軍工以及汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。雖在國外已得到較為廣泛的研究,但至今Al-Fe合金還未作為一種工程結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實踐中。

1實驗材料與方法

在功率為8 kW的電阻爐中用不銹鋼坩堝熔煉相應(yīng)的Al-Fe鋁合金。主要成分為:0.1%Si,0.3%～0.95%Fe,剩余為Al。將純鋁及坩堝放入電阻爐中,緩慢升溫至830 K,烘干純鐵粉,純硅粉,加入不銹鋼坩堝中,不斷攪拌。保溫10 min后,用砂型模澆鑄成Φ30 mm的圓形鑄錠。將實驗材料的鑄態(tài)組織取樣,用ARL4460光電直讀光譜儀進行化學(xué)分析,檢測各元素含量,用Perkin Elmer場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察鑄態(tài)組織以及斷口形貌,用D60k數(shù)字金屬導(dǎo)電率測量儀測量試樣的導(dǎo)電性能,用Zeiss偏光顯微鏡觀察試樣金相組織,用化學(xué)工作站進行電化學(xué)腐蝕試驗,檢測試樣的抗腐蝕性能。

2實驗結(jié)果與分析

本研究的鋁合金通過熔煉法制備,用砂型模澆筑得到Φ30 mm的圓形鑄錠,其成分如表1所示。從每個圓形鑄錠切取Φ30 mm×6 mm的試樣,并對其進行組織分析。

表1　鋁合金成分　wt%

2.1金相顯微組織分析

圖1為不同F(xiàn)e含量的Al-Fe合金組織形貌。由圖可看出,鋁基體中有針片狀第二相析出。

圖1　不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金的金相組織形貌

圖2　Al-Fe二元合金相圖

2.2掃描電鏡鑄態(tài)組織分析

圖3所示為不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金試樣的SEM組織形貌,可清晰看到Al基體析出細(xì)小針狀第二相,且隨著Fe含量的增加,第二相的形貌并未發(fā)生顯著變化。

圖3　不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金試樣SEM組織形貌照片

為了探究第二相的元素組成,分別對試樣進行能譜分析,結(jié)果如表2及圖4所示。

表2　不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金針狀第二相成分

圖4　不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金試樣能譜照片

通過能譜分析可得,鋁基體中針狀物為含F(xiàn)e第二相,結(jié)合Al-Fe相圖分析,針狀第二相為 Al3Fe化合物。Al3Fe化合物是在1 420 K溫度下直接從液體中形成,單位晶胞中含有102個原子,晶體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,密度為3.896×103kg/m3,屬于單斜晶系。在常規(guī)鑄造條件下,Al3Fe相的金相形貌為典型的針狀或針片狀[4]。

2.3Fe對材料腐蝕性能的影響

表3是由電化學(xué)工作站測得的電化學(xué)參數(shù),結(jié)合參數(shù)分析有:4個樣品的自腐蝕電位基本相同,隨著樣品中Fe元素含量的增加,腐蝕電流icorr逐漸減小,但當(dāng)Fe含量>0.7%,腐蝕電流開始增大。用Tafel的直線外推法測得陽極、陰極Tafel斜率和腐蝕電流密度icorr,并采用Stem-Geary方程計算極化電阻Rp,可以發(fā)現(xiàn),隨著Fe元素含量的增加,極化電阻并沒有呈現(xiàn)有規(guī)律的增加趨勢。但在評價活性溶解材料的耐腐蝕能力時,最重要的參數(shù)是腐蝕電流[5],由于腐蝕電流是由材料溶解時有電子的得失所造成,腐蝕電流越小,材料的耐腐蝕性能越好[6]。

由此可得出結(jié)論,Fe對鋁合金耐腐蝕性有重要影響。Fe含量<0.7%,隨著Fe元素含量在鋁合金中的增加,鋁合金具有更好的耐腐蝕性。但當(dāng)Fe含量>0.7%,隨著Fe元素含量的增加,鋁合金的耐腐蝕性變差。

由相關(guān)文獻(xiàn)分析,Al-Fe合金中的第二相Al3Fe,使鋁合金具有良好的耐腐蝕性能[7]。但隨著Fe含量的增加,在鋁基體中形成粗大第二相以及亞穩(wěn)定的Al6Fe等第二相,使合金的耐腐蝕性能下降[8]。

表3　由極化曲線測得的電化學(xué)參數(shù)

2.4Fe對材料導(dǎo)電性的影響

影響鋁合金導(dǎo)電率的因素眾多。根據(jù)金屬電子理論,金屬材料中微觀組織結(jié)構(gòu)的不完整性使導(dǎo)電材料產(chǎn)生電阻。因此,所有破壞金屬材料晶格完整周期性的因素,均可使受電場加速的電子在傳播過程中受到影響,使傳播的電子產(chǎn)生散射,從而減弱了電子的導(dǎo)電作用,產(chǎn)生電阻。因此,金屬材料中的各種晶體缺陷,均可作為電子的散射源,例如異類原子,位錯,空位,晶界以及細(xì)小的第二相粒子[9]?；瘜W(xué)成分是最基本的影響因素,即鋁導(dǎo)體的電導(dǎo)率主要取決于原材料的化學(xué)成分。本研究采用D60k數(shù)字金屬導(dǎo)電率測量儀檢測試樣導(dǎo)電率,如圖5所示,隨著Fe元素含量的增加,鋁合金的導(dǎo)電率逐漸下降。

圖5　不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金試樣導(dǎo)電率

2.5Fe對材料硬度的影響

在一定程度上,鋁合金的硬度反應(yīng)了其強度的高低。硬度越大,其抗拉強度也越高。將實驗所得的硬度數(shù)據(jù)經(jīng)Origin軟件處理,可推斷相應(yīng)強度的變化趨勢。用維氏硬度計進行硬度的多點測量并求平均值。

圖6是不同F(xiàn)e含量的Al-Fe合金硬度于Fe含量的關(guān)系曲線。由圖可知,隨著Fe含量的逐漸增加,硬度值逐漸增加。從合金的強韌化機理分析,合金的硬度指標(biāo)主要受到加工硬化,晶粒細(xì)化,固溶強化以及第二相強化的影響。本研究的Al-Fe合金的硬度主要受制于合金元素的第二相強化作用,而強化與第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量以及分布相關(guān)[10]。隨著Fe元素含量的增加,Al基體中第二相的數(shù)量不斷增加,由前面金相分析及掃描顯微分析可知,第二相成細(xì)長針狀,大小形態(tài)并未發(fā)生大的改變。因此,隨著第二相數(shù)量的增加,第二相強化作用不斷增強,使鋁合金試樣的硬度不斷增加。

圖6　不同F(xiàn)e含量Al-Fe合金試樣硬度

3結(jié)束語

(1)Fe元素在Al基體中形成針狀第二相,隨著Fe元素含量的增加,第二相的數(shù)量增加,但大小,形態(tài)基本保持不變。

(2)隨著Fe元素含量的增加,第二相強化作用增強,鋁合金的硬度提高。根據(jù)金屬電子理論,金屬材料中微觀組織結(jié)構(gòu)的不完整性使導(dǎo)電材料產(chǎn)生電阻,Fe元素的加入形成第二相,使Al發(fā)生晶格畸變,導(dǎo)致鋁合金的導(dǎo)電率下降。

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Effect of Fe Content on Microstructure and Electrical Properties of Al-Fe Aluminum Alloys

LIU Hang1,LIU Xinkuan2,LIU Ping1,CHEN Xiaohong2,LI Wei2,HE Daihua2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.School of Materials Science and Engineering,University of Shanghai for Science & Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThe influence of Fe content on the microstructure,conductivity and corrosion resistance of Al-Fe alloy is tested and analyzed by SEM,EDS,electrochemistry,metallographic examination and chemical analysis.Research results indicate that Fe forms second phase in Al matrix.The increase of Fe content in Al matrix yields more second phases with no evident change of morphology and scale.On macroscopic scale,the hardness increases while the conductivity decreases.Moreover,the second phase FeAl3 of Al-Fe alloy leads to better corrosion resistance.

KeywordsAl-Fe aluminum alloy;Fe content;microscopic structure;conductivity

中圖分類號TN304;TG146.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-006-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.002

作者簡介:劉航(1990—),男,碩士研究生。研究方向:高強高導(dǎo)鋁合金的制備及表征。

基金項目:上海市教委創(chuàng)新基金資助項目(11YZ112);上海市科委基礎(chǔ)研究重點基金資助項目(10JC1411800)

收稿日期:2015- 09- 07