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(湖北工业职业技术学院汽车工程系 湖北十堰 442000)
摘 要:铸造铝硅合金性能优良,铁作为该合金中最常见的一种杂质元素,对合金的性能造成了影响,因此,消除铁相在铸造铝硅合金中的有害作用迫在眉睫.本文系统的归纳了国内外除铁的方法和原理.分析认为,加入中和元素法成本最低,操作性最好,但是仍然需要继续研究更加有效的中和元素.其次,将几种方法综合使用,或许除铁效果更好.
关键词:铝硅合金 铁相 性能
中图分类号:TG243 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)05(c)-0084-02
铸造铝硅合金强度高、容重小、铸造性能良好、加工性能优良,是铸造铝合金中被应用最为广泛的一种材料,铁是铸造铝硅合金中最常见的一种杂质[1],减少铁元素在铝合金中的含量是铝回收利用以及铝的常规生产中必须解决的问题.
α-铁相和β-铁相是铝硅合金中最常见的两种铁相[2].经研究发现,α-铁相以汉字状或骨骼状以及其它形态存在,对基体的有害作用不是很明显[3],而β-铁相由于其呈粗大针状,形变不均匀,从而导致铁相与金属基体交界处存在比较高的应力集中,使得铝硅合金的力学性能明显降低.因此,如何减少这种针状铁相,对改善铝硅合金的性能有重要意义.
消除铁相在铝硅合金中有害作用的方法大体有两类:第一类是从根本上减少铁在铝硅合金中的含量,第二类是改变铁相在铝硅合金中的形式,避免针状或者片状铁相的产生,减少β-铁相或者将β-铁相转化为α-铁相,使铁相尽可能的以α-铁相的形式存在[4].
1. 减少铁在合金中的含量
从根本上降低合金中铁的含量,从而减小铁相对合金的有害作用.常见的有重力沉降法,过滤法,离心去除法和电磁去除法.这几种方法有相似之处:都是利用熔体与富铁相的密度差,使铁相与熔体发生分离,从而达到去除铁相的目的.
1.1 重力沉降法[5]
重力沉降法是利用初生铁相的密度大于铝硅合金熔体密度这个特点,将合金熔体在一定的温度下放置一段时间,富铁相由于密度大的原因自由沉降至合金熔体底部而得以消除.但是,由于沉降需要的时间会比较长,而且炉温还必须在一个相对比较低的范围内,待铁相完全分离完成后熔体才能重新升温,否则,沉降的铁相又会因为温度的升高而重新溶入合金的熔体内,所以这种方法在实际应用中十分麻烦.
1.2 过滤法[6]
过滤法的原理是利用过滤布、过滤网、板等一些工具使先析出的大块化合物从熔体中过滤出来,利用这种方法可以使合金中铁的含量下降到0.7%以下.但前提是在过滤时,除铁相之外的其它相必须呈液态的形式,所以它不适用于亚共晶铝硅合金和过共晶铝硅合金.再者,当铝液的粘度比较高时,析出的固相分离起来比较困难,过滤非常不容易,使材料严重浪费,而当铝液粘度较低时,过滤相对容易,但形成的硬质相较难析出.
1.3 离心去除法[7]
利用离心去除法除铁的原理和重力沉降法原理相似,都是利用铁相和熔体之间的密度差使之分离,只不过离心去除法是通过离心力的作用使铁相分离.研究表明,利用这种方法可以使得铝硅合金内部的铁相从2.07%降低至0.27%.但该方法容易造成铝料浪费,而且耗费人力物力.应用于生产实际仍需较大改进.
1.4 电磁去除法[8]
电磁分离法主要是利用电磁驱动力对Fe2Al金属间化合物和铝液的作用方向不同,从而将化合物从铝液中分离出去的方法.这种方法除铁效率较高,但工艺比较复杂,对设备的要求也较高,所以生产成本较高.
2. 改善铁相形貌
这类除铁法是通过加入其它的合金元素或使用工艺方法使得铝硅合金中的针状或者片状β-铁相尽可能多的转化为α-铁相,以此来减小β-铁相对基体的割裂作用,降低铁相对合金机械性能的影响,提高铝硅合金的机械性能.实施这一类措施的方法相对较多,大体有加入中和元素法,熔体过热法,提高冷速法等等.
2.1 加入中和元素法[9]
所谓加入中和元素法是指铝硅合金通过加入一定量的中和元素(合金元素),促使α-铁相的生长,改善针状铁相的相貌,尽可能的使β-铁相转化为α-铁相,以此来提高铝硅合金的机械性能.常用的中和元素有很多种,比如锰,铬,铍,钼等.它们都能够不同程度的将片状或者针状β-铁相转化为对基体危害很小的α-铁相.Mn是最常见的中和元素,在铝硅合金中加入一定量的Mn能使针状的β-铁相的尺寸和形状均发生显著变化,甚至能够将其完全转化为α-铁相.
另外还有一些应用相对较少的中和剂, 如 Cr、Co、B e、T i、Mo、Ni、S、V、RE等.Cr能与合金中的铁、铝、硅等元素发生化学反应,生成多种金属间化合物,以此抑制针、片状富铁相的产生.在铝硅合金中加入适量的Cr能减少针状或片状β-铁相存在的含量和大小,使得铁相大多以骨骼状或者汉字状存在于合金中,从而减小了对基体的危害.Murali研究发现,铝硅合金中加入Cr能使得针状的β-铁相转化为星型或者汉字状的Cr2Fe相,并且铁相的形状随着冷速的提高而越来越好.但是有人发现,尽管Cr元素能够减少或者消除合金中的β-铁相,但它并不能使铁相的有害作用完全消除.加入Cr会使得富铁相在合金中的比重随着(Fe、Cr)量的增多而越来越大,这最终会导致铝硅合金的延伸率降低,塑性下降.
Murali比较系统地研究了Be对铝硅合金中铁相的影响.发现在加入适量的Be后,铝硅合金中的铁相成为多角形、六角形及汉字状.当高Fe(1.0%)高Be(>,0.2%)时,六角形Be2Fe相较多,当Fe含量较低(<,0.6%)且Be含量也较低(<,0.18%)时,铁相一般呈汉字状,甚至在高Fe(>,0.70%)低Be(<,0.18%)时,也仅见有汉字状铁相,如果Fe和Be含量都很低时,则基本上不能区分铁相.有专利称,在铝硅合金(含6%～10%Si)中加入0.05%～0.5%的Be,可以促使富铁的金属化合物成为圆形、球形或椭球形.
钛含量对铁相形态和性能影响的研究指出,随着合金中钛含量的变化,铁相形态和体积均发生变化.
除此以外,有人发现Sr对铝硅合金中的铁相也有一定的变质作用,G.K.Sigworth和Alcan专利均发现加入适量的Sr可以使得铝硅合金中的β-Fe相转化为α-Fe相,有效的改善了合金中铁相的形貌,减小其对基体的危害.但也有人指出,Sr其实并没有使Fe相的形态发生改变.由于Sr能够变质共晶硅,使其由针状变成纤维状,这样铁相就更加清楚的暴露在外面,从而更容易在金相上观察到.有实验表明Sr只能使得针状β-铁相发生溶断、弯曲、分解,而不能从根本上转化为α-铁相.
2.2 熔体过热法[10]
熔体过热法不需要在合金中添加任何元素就能改善合金中铁相的形式.并且作用对象的范围相对较广.浇注前的充分过热能有效的改善熔体内有害铁相的形核.高温条件会使得γ-相直接转化为α-铁相,从而避免了在低温下转化为针状的β-铁相.但影响熔体过热效果的因素也有很多,有研究发现,当铝硅合金中有镁存在,或者硅的相对含量低,或者冷却速度较慢,都会影响这种方法的最终效果.除此以外,熔体温度过高,对合金的烧损会加重,合金内部的夹杂物增多等等,这些都会最终影响到合金的整体性能.
2.3 提高冷速法[11]
提高冷速法是通过提高铁的临界值含量去抑制针状β-铁相的产生,从而达到改善基体性能的目的.β-铁相产自于平衡凝固,由于较低的冷却速度有利于β-铁相的产生,而当冷却速度很高时,就会对β-铁相产生抑制作用.所以冷却速度的提高使得合金中的β-铁相大幅减少,而骨骼状或者汉字状的α-铁相增多.正因如此,铁相对砂型铸造的害处要远大于铁相对金属型的危害.但又有研究指出,当冷却速度太大时,更有利于析出β-铁相.
2.4 热处理法
铝合金的常规热处理方法是将其加热到液相线以下某一温度,然后保温.在固相线温度进行热处理,能使富Fe相溶解、碎断、球化,从而改善合金的性能.
3. 结语
第一类方法是从根本上减少合金中铁的含量,而实际结果表明,将铁从合金中分离出去是比较困难的,而且这种方法成本太高.需要额外增加很多设备,调整很多技术,因此实际生产中应用并不多.
第二类方法是改善铁的形貌,尽可能的减少合金中针状铁相的数量,从而达到提高合金性能的目的.这类方法操作性更好,成本也较低,其中,添加中和元素法最值得应用和推广,但仍然需要大量研究以寻找更为适合的中和元素.此外,也可以将两类方法综合起来,或许能够达到更好的除铁效果.
参考文献
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