铝硅合金金相组织图片 不同工艺制备铝铁合金微观组织与性能比较
时间：2019-02-03 03:26:35 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 本文分别采用普通金属型铸造、电磁搅拌、半固态挤压方法制备铝铁合金，通过扫描电镜、透射电镜和力学性能测试等手段分析了不同成型方法后合金的性能和组织。结果表明，铝铁合金经过半固态成型后组织被细化，力学性能得到大幅度提高，抗拉强度由普通金属型铸造时的160MPa提高到了271MPa。
关键词： 铝铁合金 电磁搅拌 半固态挤压 组织与性能
1.引言
自从电解铝技术获得应用以来，世界铝业迅猛发展，铝合金已成为最常用的两种工业合金之一。铝与过渡族金属元素铁形成的Ale等金属间化合物具有极好的耐热、耐磨，以及抗腐蚀性能［１－４］。铁在铝中的固溶度很低，一旦超过固溶极限便在铸造铝合金中与铝形成质脆的针状或片状富铁相，严重割裂基体，成为应力集中源，大大降低铝合金的力学性能［5－8］。半固态金属铸造工艺被认为是21世纪最具发展前途的近净成型和新材料制备技术之一［9］，是细化合金组织的有效途径。本文针对铝铁合金易形成粗大相，割裂基体，降低力学性能的问题，开展了旨在通过半固态成型改善合金微观组织及力学性能的研究工作，以求使铝铁合金具有更加广泛的应用前景。
2.实验材料及方法
2.1实验材料
熔配合金所用的原材料主要有:纯铝、纯锌、纯镁、Fe、Mn、Cu等合金元素以中间合金的形式加入，具体化学成分见表1。熔炼所用覆盖剂的成分配比见表2，所用精炼剂为CCl。
2.2实验方法
2.2.1合金的熔炼
合金的熔炼在井式电阻炉中进行。首先将熔点较低的合金及纯Al放入坩埚中，升温至820℃，待坩埚中的合金部分熔化后将Mg和Zn加入。Zn直接放入坩埚中，Mg用金属液包住，然后投入坩埚中。然后在金属液表面放入覆盖剂，防止合金氧化。将井式炉升温到820℃，保温40min。
2.2.2电磁搅拌工艺
首先将已经预热到300℃左右的石墨坩埚放到电机中，调至外加磁场的电压为150V，然后将准备好的金属液浇铸到石墨坩埚中进行电磁搅拌5min左右，直至其完全凝固。最后将所得的合金试样车削成尺寸为Φ63×72mm的圆柱形。
2.2.3半固态挤压工艺
将坯料和模具一起加热到630℃，保温40min后进行挤压。半固态挤压成形时，采取挤压比为8:1的半固态成型模具，挤压力为200t，保压时间为2min，挤压速度为2mm/s。
2.2.4力学性能试验及微观组织观察
合金拉伸性能的测试在CSS-55100型万能电子拉伸试验机上进行，加载速率为0.1mm/s。用JSM-6301F型冷场发射扫描电子显微镜和PHILIPSEM400透射电子显微镜观察合金微观组织。
3.实验结果分析
3.1不同工艺下铝铁合金力学性能
在不同工艺下所制得合金的拉伸性能如表3所示。从表中可以看出，普通金属型铸造由于第二相的存在形式多数比较粗大，而且具有尖锐的棱角，这种形态的相严重割裂基体，尤其是初生AlFe相最为明显，对提高合金的力学性能极为不利，所以该合金铸态力学性能很差。合金的最大拉伸强度值为161.6MPa，而且伸长率同样很差，仅为0.5%。采用电磁搅拌后合金抗拉强度有了大幅度的提高，而经过半固态挤压后所制得的合金的力学性能更是得到了明显的改善，最大拉伸强度达到了270.1MPa，提高了67%。同时，伸长率也得到了一定的改善，最高达到了1.5%。可见，采用半固态成形技术可有效提高Al-Fe基合金的力学性能。
3.2不同成型方式下铝铁合金微观组织
3.2.1金属型铸造合金微观组织
铸态Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金经过X-射线衍射分析，结果见图1，测得合金中含有二元相AlFe、AlFe、AlCu，三元相AlCuMn、AlCuFe，其微观组织如图2所示。其中，AlFe相呈长度不均的针片状结构，数量较多。尺寸较大的AlFe相是初晶相，尺寸较小的AlFe相是共晶相，其生长具有一定的方向性。
3.2.2电磁搅拌合金微观组织
Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金电磁搅拌后的微观组织如图3所示。合金的组织组成并未发生变化。与在常规凝固条件下得到的合金微观组织比较，电磁搅拌后得到的合金微观组织的最大特点是针片状AlFe相厚度变薄、尺寸变小、尖角钝化，并伴有明显的断裂趋势，其余的多元相也具有相同倾向。但是电磁搅拌后组织中粗大的FeAl相依然存在，同时还存在着一些尺寸稍大的三元相。这是因为结晶开始时，搅拌促进的晶核的产生，随着温度的下降，虽然晶粒继续生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒间相互磨损、剪切，以及液相对晶粒剧烈冲刷。这样枝晶臂被打断，形成了更多细小晶粒。这为后续半固态挤压成形破碎、细化组织提供了有力的保障。
3.2.3半固态挤压合金微观组织
图4为Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金经过半固态挤压后的微观组织图片。从图中可以看出，经过半固态挤压后，针片状初生AlFe相及一些二元、三元相，得到了进一步细化。这种细化实际上是破碎细化，原来的针状相和多边形状相，部分变为粒状相。多数AlFe相尺寸由铸态的约0.2mm，变为约50μm左右，较铸态减少约75%，第二相在基体上的分布更加均匀，有效地减轻了第二相对基体的割裂作用，导致合金力学性能显著提高。上述实验现象说明，半固态挤压可以有效地细化Al-Fe基合金的第二相，尤其对针片状AlFe相的细化作用更加明显。
图5为半固态挤压后合金基体的TEM形貌。从图中可见半固态合金的基体组织中存在大量的位错。这是由于在半固态挤压过程中，合金发生了较强的塑性变形，因而会在基体中形成大量的位错。这些位错的形成也是半固态挤压后合金力学性能提高的一个重要因素。
4.结语
（1）Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金经过经过半固态成形加工后合金的力学性能有了较大程度的提高。合金的抗拉强度从161MPa上升到了270MPa，伸长率也由0.5%提高到了1.5%。
（2）半固态成形细化了Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金的组织，多数AlFe相尺寸由铸态的约0.2mm，变为约50μm左右，较铸态减少约75%。同时，使第二相在基体上的分布也更加均匀。
参考文献：
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［9］符寒光.半固态铸造技术研究现状与展望.冶金信息导刊，2002（5）:16-20.
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