Fe含量對過共晶鋁硅合金組織及流動性的影響

黃大賀　梁新理　劉文鳳　劉玲卓　王金國

摘 要：研究了鐵含量對過共晶鋁硅合金組織和流動性的影響規(guī)律。結果表明，隨著鐵含量的增加，合金組織中出現了越來越多的針狀富鐵相。XRD和EDS檢測表明，合金中的粗大針狀組織為β-Al5FeSi相。流動性實驗表明，隨著鐵含量的增加，過共晶鋁硅合金的流動性逐漸下降。

關鍵詞：過共晶鋁硅合金；顯微組織；流動性；富鐵相

中圖分類號：TB333 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.011

考慮到轎車輕量化的發(fā)展需求，采用全鋁發(fā)動機缸體已經是必然趨勢。采用過共晶鋁硅合金制造轎車發(fā)動機缸套，與傳統(tǒng)的鑄鐵缸套相比，具有質量輕、熱導率高、熱膨脹性能和活塞更加匹配、與缸體材料有更好的結合性能等優(yōu)點。為了提高過共晶鋁硅合金缸套的抗高溫磨損性能，向過共晶鋁硅合金中添加了鐵、鎳、銅等合金元素，但會使合金的鑄造性能變差。德國PEAK公司和Daimler-Benz公司用噴射沉積技術成功地研制出了過共晶鋁硅合金缸套，并應用于V6發(fā)動機。然而，噴射沉積技術存在著工藝復雜、成本高等缺點，限制了高硅鋁合金缸套的推廣和應用。因此，采用傳統(tǒng)鑄造法生產過共晶鋁硅合金缸套是未來發(fā)展的趨勢。鐵的加入可以在過共晶鋁硅合金中形成富鐵相，具有高溫穩(wěn)定性能，可以提高合金的抗磨損性能。然而，鐵的加入會降低鋁硅合金的流動性能，探究合適的鐵含量對鋁硅合金流動性能的影響具有一定的應用價值。

1 實驗材料與方法

采用過共晶鋁硅合金作為基體材料，通過添加Al-Fe、純Si或純Al配制不同Fe含量的過共晶Al-Si-Fe合金，即Al-16Si、Al-16Si-1Fe、Al-16Si-2F、Al-16Si-3Fe、Al-16Si-4Fe、Al-16Si-5Fe。采用螺旋型試樣測定過共晶鋁硅合金的流動性，使用XJZ-6 Olympus光學顯微鏡觀察試樣的鑄態(tài)組織，日本理學D/Max 2500PC Rigaku型X射線衍射儀對試樣進行X射線衍射分析。

2 實驗結果與討論

2.1 流動性實驗

圖1和表1為Al-16Si-xFe 實驗合金流動性測定結果。當鋁硅合金中不加鐵時（此時合金中含有少量鐵雜質），合金流動性試樣長度為1 342 mm。隨著鐵含量從1 wt.%增加到5 wt.%時，Al-16Si-xFe合金的流動性試樣長度從1 241 mm減小到350 mm。當鐵含量為5 wt.%時，流動性試樣長度與不加鐵時相比減小了73%.由此可見，鐵對鋁硅合金的流動性有巨大的影響，大大降低了鋁硅合金的充型能力，嚴重影響了合金的鑄造性能。

2.2 鐵對過共晶鋁硅合金鑄態(tài)組織的影響

圖2為不同鐵含量下Al-Si-xFe合金的鑄態(tài)組織圖。圖2（a）、2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）對應的成分分別為Al-16Si、Al-16Si-1Fe、Al-16Si-2Fe、Al-16Si-3Fe、Al-16Si-4Fe、Al-16Si-5Fe。從圖2（a）中可以看出，未加入鐵時，鋁硅合金主要是由塊狀的初生硅、短針狀共晶硅和-Al組成。當加入不同質量分數的鐵后，從圖2（b）、2（c）、2（d）、2（e）、2（f）中可以看出，Al-Si-xFe合金中開始出現長針狀的組成相。隨著鐵含量的增加，生成的新相逐漸增多，而塊狀初生硅相逐漸減少。當鐵含量增加到4 wt.%以后，合金中的大量新相開始出現纏結，形成網狀。

圖3為實驗合金Al-16Si和Al-16Si-2Fe合金的XRD 圖譜。由圖3可知，在過共晶鋁硅合金中，主要的相組成為α-Al和Si相。加入鐵后，在過共晶Al-Si-Fe合金中，除了含有α-Al和Si相外，又形成了AlxFeSi新相。

2.3 鐵對過共晶鋁硅合金流動性的影響

液態(tài)金屬本身的性質對流動性具有決定性的作用。實驗時，控制鐵含量為單一變量，盡可能地減小實驗誤差。合金凝固方式對其流動性有非常重要的影響。大野篤美認為，具有一定結晶溫度范圍的合金在結晶過程中會在流股前端形成大量的等軸晶顆粒。金屬液的黏度隨著凝固的進行而逐漸增加，最后因為前端等軸晶的堵塞而停止流動。對于鋁硅合金來說，其流動性的最佳值并不是在鋁硅合金的共晶點處，而當硅含量為16%～18%時，會達到最大值。造成這種反常現象的原因是硅結晶時潛熱的釋放。有關數據表明，硅的結晶潛熱為1.41×106 J/kg，其結晶潛熱比α-Al的大3倍左右。當硅含量進一步增加時，過共晶鋁硅合金中由于粗大初生硅的析出使其流動性降低。當在鋁硅合金中加入鐵后，當其凝固時，會形成粗大的富鐵相。這些富鐵相會在流股前端塞積，隨著含鐵量的增加，析出的富鐵相越來越多，尺寸也越來越大，最終聯(lián)結成網狀，嚴重堵塞了流道。隨著流股前端析出的相越來越多，合金液的黏度也越來越大，最終流股前端因壓頭過小而停止流動。因此，隨著過共晶鋁硅合金中鐵含量的不斷升高，合金的流動性逐漸下降。

3 結論

在過共晶鋁硅合金中加入鐵后會形成長針狀的富鐵相。XRD檢測結果表明，富鐵相為β-Al5FeSi相。

鐵的加入對過共晶鋁硅合金的顯微組織有很大的影響。實驗發(fā)現，隨著合金中鐵含量的增高，合金中粗大的富鐵相組織也越來越多。當鐵含量達到4 wt.%以后，長針狀的富鐵相開始出現聯(lián)結。當鐵含量進一步增加時，可以看到富鐵相相互搭接糾纏，形成了復雜的網狀結構。

流動性實驗表明，鐵的加入會對合金的鑄造性能產生不利的影響。當鐵含量從1 wt.%增加到5 wt.%時，鋁硅合金的流動長度從1 241 mm減小到350 mm。產生這種結果的原因是，隨著鐵含量的增加，生成的富鐵相越來越多，最終形成網狀，嚴重堵塞了流道，大大降低了合金的流動性能。因此，必須控制鐵含量，以減小其對過共晶鋁硅合金鑄造性能的損害。

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〔編輯：白潔〕