鐵元素在鑄造鋁合金中一直被認(rèn)為是一種主要的有害雜質(zhì)，各個(gè)國(guó)家、專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)其作了明確的限制，各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其控制更為嚴(yán)格。這主要是由于隨鐵含量增加，在金相組織中會(huì)形成本身硬度很高的針、片狀脆性鐵相，它的存在割裂了鋁合金的基體，降低了合金的力學(xué)性能，尤其是韌性，并且使零件機(jī)械加工難度增加，刀、刃具磨損嚴(yán)重，尺寸穩(wěn)定性差等等，但是，低品質(zhì)鋁合金錠中鐵含量本身就高，隨著合金爐料的回用，生產(chǎn)中鐵質(zhì)坩堝、工具、置預(yù)件等的使用使合金增鐵在所難免。多年來(lái)一直吸引著廣大鑄造工作者去研究，下面就鐵在Ａｌ－Ｓｉ合金中的作用及其減弱消除對(duì)策進(jìn)行討論。
１ 鑄造Ａｌ－Ｓｉ系合金中鐵的作用
１．１ 鑄造Ａｌ－Ｓｉ合金中鐵的存在形態(tài)
表１是鋁硅系合金中鐵的存在形態(tài)，其中α－ＡｌＦｅＳｉ和β－ＡｌＦｅＳｉ是常見(jiàn)的二種形態(tài)。而ρ－ＡｌＭｇＦｅＳｉ和δ－ＡｌＦｅＳｉ不是很常見(jiàn)。其中ＡｌＦｅＳｉ和Ａｌ（Ｆｅ，Ｃｒ）Ｓｉ的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征目前還不甚祥細(xì)。至于形成什么樣的相，除與合金中的含鐵量有關(guān)外，還與鑄件的冷卻速度、合金元素的數(shù)量、種類等密切相關(guān)。漢字狀的α－ＡｌＦｅＳｉ相對(duì)Ａｌ－Ｓｉ系合金可提高強(qiáng)度、硬度，對(duì)韌性降低不多，而針狀的β－ＡｌＦｅＳｉ相則嚴(yán)懲割裂基體，顯著降低合金的韌性，尤其沖擊韌性，據(jù)報(bào)道，當(dāng)Ｆｅ＞１％時(shí)，可使整個(gè)合金本身變脆。
表１ Ａｌ－Ｓｉ系合金中鐵相形態(tài)
類別晶體結(jié)構(gòu)熔化溫度／℃形狀α－ＡｌＦｅＳｉ六方晶體８６０漢字狀β－ＡｌＦｅＳｉ單晶體８７０針、片狀ρ－ＡｌＭｇＦｅＳｉ立方晶體δ－ＡｌＦｅＳｉ四方晶體 １．２ 鐵對(duì)鋁硅合金機(jī)械性能的影響
１．２．１ 對(duì)室溫機(jī)械性能的影響
對(duì)Ａｌ－Ｓｉ二元合金，當(dāng)Ｆｅ＞０．５％時(shí)，片狀β相可提高合金的強(qiáng)度并稍降低其延伸率；當(dāng)Ｆｅ＞０．８％時(shí)，延伸率開(kāi)始較大幅度降低，當(dāng)合金中的Ｆｅ從０．４％增加到１．２％時(shí)，對(duì)強(qiáng)度值的增加是微乎其微的，但卻顯著降低其延伸率從４％降到１％，對(duì)Ｎａ變質(zhì)的Ａｌ－Ｓｉ共晶合金是每增加Ｆｅ０．１％可使延伸率降低１％多。
１．２．２ 對(duì)高溫性能的影響
鐵雖然降低了Ａｌ－Ｓｉ活塞合金的室溫機(jī)械性能，但卻提高了它的高溫機(jī)械性能，這主要由于高溫時(shí)基體本身強(qiáng)度隨溫度升高下降很多，而此時(shí)以網(wǎng)狀、漢字狀和細(xì)小針狀存在的鐵相，它們?cè)冢常保丁孀笥視r(shí)基本不變，是穩(wěn)定的化合物相，正是它的存在提高高溫下試樣的抗拉強(qiáng)度。對(duì)Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金，當(dāng)Ｆｅ＞０．９５％時(shí)，σ３００℃為９２ＭＰａ。
１．２．３ 對(duì)耐磨、耐腐性的影響
鐵提高Ａｌ－Ｓｉ系合金的耐磨性，這是由于硬質(zhì)針狀鐵相使基體得以強(qiáng)化，抵抗變形能力，同時(shí)又起到支承作用，使耐磨性提高。同時(shí)鐵相使合金表面的氧化膜失去連續(xù)性，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，鐵降低合金的耐腐性。
１．２．４ 對(duì)鑄造性能的影響
隨著鐵含量增加，在合金結(jié)晶時(shí)，由于β相干擾枝晶間流動(dòng)，所以會(huì)使疏松增加，同時(shí)增加合金的熱裂傾向，但是對(duì)壓鑄鋁合金一定Ｆｅ量可防止粘膜，但也有報(bào)道稱一定Ｆｅ量增加合金的流動(dòng)性。
１．２．５ 對(duì)機(jī)械加工性能的影響
鐵相使機(jī)械加工性能惡化，增加刀刃具的磨損量，使尺寸穩(wěn)定性變差。
２ 鐵的有害作用消除、抑制方法
２．１ 機(jī)械方法
常用的機(jī)械去鐵法有過(guò)濾法、沉淀法、離心鑄造法等，它們均是采用在熔體中加入Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ等合金元素使之與鐵形成大的化合物，由于其密度與鋁合金不同會(huì)產(chǎn)生沉淀，使用沉淀的方法稱為沉淀法，它可使鐵降低０．５％。將通過(guò)過(guò)濾布，過(guò)濾網(wǎng)、板，使大塊化合物得以過(guò)濾的方法，稱為過(guò)濾法，它可使Ｆｅ降低０．７％，將加入合金元素的熔體，在離心力作用下，由于密度ｄ的差異使鐵相移向邊緣，而內(nèi)部鐵含量可由２．０７％降低到０．２７％，降低效率達(dá)８７％。不同轉(zhuǎn)速、不同Ｆｅ／Ｍｎ比對(duì)除鐵效率也有影響。生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械方法一般均聯(lián)合使用，如過(guò)濾法與沉淀法，先沉淀后過(guò)濾，以及過(guò)濾與離心鑄造結(jié)合會(huì)取得更加好的效果。
２．２ 熔體處理方法
２．２．１ 加入合金元素中和Ｆｅ的作用（變質(zhì)處理）
熔體中加入合金元素來(lái)改變鐵相形貌，減弱鐵的作用，提高合金強(qiáng)度，改善延伸率，通常加入的元素有：Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓ、Ｍｇ、Ｒｅ等，下面逐個(gè)分析：
ａ．Ｍｎ：是最常用和用得最多的元素，加Ｍｎ能顯著減少鐵相的數(shù)量和尺寸，甚至使鐵相完全消失，由于Ｍｎ的加入擴(kuò)大了α鐵相區(qū)，從而使得鐵相向α鐵相轉(zhuǎn)化，中和鐵相的Ｍｎ的加入量多少現(xiàn)還不能定論。據(jù)稱在Ａｌ－Ｓｉ１３合金中加入０．５％的Ｍｎ，就能使含１．５％Ｆｅ的合金中針、片狀鐵相轉(zhuǎn)變?yōu)棣凌F。有人推薦按Ｍｎ％＝２（％Ｆｅ－０．５）添加Ｍｎ，總之通過(guò)添加Ｍｎ可逐漸使β－Ｆｅ相的數(shù)量減少，尺寸變小，直到不出現(xiàn)為止。
ｂ．Ｃｒ：在ＺＡｌＳｉ７Ｍｇ合金中加Ｃｒ可使粗片狀的β相轉(zhuǎn)變?yōu)闈h字狀的α鐵相，加０．２％～０．６％Ｃｒ能防止含Ｆｅ＞１％的Ａｌ－Ｓｉ１３合金的脆斷，在Ａｌ－５Ｓｉ－１．５Ｃｕ－０．５Ｍｇ合金中加入０．２％～０．３％Ｃｒ使含鐵為０．４％合金的伸長(zhǎng)率由１．７％增加到３．８％，加０．４Ｃｒ可使含Ｆｅ０．７５％的合金伸長(zhǎng)率由０．８％提高到２．６％。
ｃ．Ｃｏ：Ｃｏ的作用與Ｍｎ相似，但需要稍加入以使富鐵相成球形，有人建議Ｆｅ／Ｃｏ的比率應(yīng)為１∶２，同時(shí)Ｃｏ的加入于其本身的偏析體小，所以其效果優(yōu)于Ｍｎ。
ｄ．Ｂｅ：也可作為一種中和劑，當(dāng)Ｂｅ加入量＞０．４％時(shí)，能形成一種ＡｌＦｅＢｅ緊密相，同時(shí)由于Ｂｅ是一種很好的抗氧化劑，能提高Ａｌ合金的性能，在砂型鑄造件能使ＡｌＳｉ０．６Ｍｇ合金的抗拉強(qiáng)度提高５％～１０％，同時(shí)不降低其延伸率，另?yè)?jù)報(bào)道，在Ａｌ－６Ｓｉ合金中加入０．０５％～０．５％Ｂｅ會(huì)使Ｆｅ雜質(zhì)相的形態(tài)由長(zhǎng)針改變?yōu)槲：^小的園球形或近園球形，從而提高合金的塑性。
ｅ．Ｍｏ：可用來(lái)中和Ｆｅ的有害作用，其效果比Ｍｎ好，它是Ａｌ－Ｓｉ合金中Ｆｅ的有效變質(zhì)劑，在含Ｆｅ１．２％的合金中加入０．２％的Ｍｏ和０．１％的Ｓ能使合金的延伸率由１％增加到２．８％，抗拉強(qiáng)度由１６０ＭＰａ增到１８０ＭＰａ。
ｆ．Ｍｇ：也可起到中和雜質(zhì)鐵的有害作用，當(dāng)含量在一定程度時(shí)會(huì)形成ＡｌＦｅＳｉＭｇ化合物相，從而減少β鐵相的形成。
ｇ．Ｎｉ和Ｓ：也是鐵有害作用的中和劑，其中Ｓ還能作為鋁合金的變質(zhì)劑，據(jù)報(bào)道加入硫磺可使鐵相大部分變?yōu)槎虠U狀及漢字狀，有少量是團(tuán)球狀、塊狀。但單獨(dú)加時(shí)效果不理想，須與其它元素如Ｍｎ、Ｃｒ、稀土等配合，其效果明顯。
ｈ．稀土ＲＥ：稀土是一種很好的Ｆｅ相變質(zhì)劑，據(jù)報(bào)道，對(duì)４１３合金加入０．０４％～０．０６％Ｓｒ，可有效減少β鐵相的數(shù)量和尺寸，對(duì)６０６３合金，當(dāng)加入０．０５％Ｓｒ后，所存在鐵相化合物呈漢字狀，且細(xì)化。日本專利也曾報(bào)道加入０．００５％～０．１０％Ｓｒ及相同量的Ｚｎ，可減少β鐵的數(shù)量和尺寸，并且在許多Ａｌ－Ｓｉ系及型材合金中得到證實(shí)，這主要是由于ＲＥ本身是一種變質(zhì)劑，合金凈化劑，它的加入可有效去除鐵的有害作用。
總之，對(duì)于變質(zhì)中和劑，它能減少消除β鐵相的形成，但它本身并不能去除Ｆｅ的有害作用，只起減緩作用，且隨Ｆｅ量增加使用的變質(zhì)劑量也增多，一定程度上降低合金的韌性，并且，由于其形成各種復(fù)雜化合物會(huì)帶來(lái)其它相關(guān)的副作用，因此，我們提倡使用變質(zhì)劑，且使用復(fù)合的綜合性能變質(zhì)劑，盡可能加入量少。
２．２．２ 熔體過(guò)熱和快冷處理
ａ．熔體過(guò)熱
據(jù)報(bào)道，過(guò)熱處理可減少富鐵相的形核核心，這是由于在高溫時(shí)β富鐵相的形核核心是γ（Ａｌ），而γ（Ａｌ）在低溫時(shí)存在，當(dāng)溫度高到一定程度時(shí)（≥８５℃），γ（Ａｌ）相就轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒ǎ粒欤焕讦妈F相的形核，從而抑制了β鐵相的出現(xiàn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨熔體過(guò)熱度的增加，鑄件中富鐵的晶間化合物變的越細(xì)，當(dāng)澆注溫度大于８００℃時(shí)，合金中的片狀β鐵相就轉(zhuǎn)變?yōu)棣凌F相，且這個(gè)過(guò)程不可逆轉(zhuǎn)，即一旦熔體過(guò)熱到足以產(chǎn)生α相的溫度隨后的處理和靜置對(duì)鐵相形態(tài)無(wú)影響，并且當(dāng)鐵量愈高時(shí)，用過(guò)熱方法改變就越來(lái)越困難。在實(shí)際操作中由于過(guò)熱后熔體吸氣，氧化嚴(yán)重，所以一般很少采用。
ｂ．快速冷卻處理
快速冷卻處理可減弱鐵的有害作用，這是大家所共認(rèn)的，國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的砂型鑄造的質(zhì)量小于金屬型也就是這個(gè)道理。快速冷卻時(shí)合金液中形核核心多，界面推進(jìn)速度快，形成的有害鐵相在同等條件下要短、要細(xì)，甚至看不到針狀相，同時(shí)合金中中和Ｆｅ相所需的Ｍｎ量也隨凝固過(guò)程中冷速的變化而變化，冷卻速度對(duì)Ｆｅ相形態(tài)也有很大影響。當(dāng)冷速＜０．１℃／ｓ時(shí)，有助于β鐵相的形成，當(dāng)冷速＞１０℃／ｓ時(shí)，會(huì)抑制β鐵的產(chǎn)生。
３ 討論
（１）合金中Ｆｅ含量是否應(yīng)符合國(guó)標(biāo)？
在合金化處理方法和提高冷卻速度條件下，我們可以減少甚至消除針狀鐵相的危害作用，使其組織性能達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的要求，此時(shí)合金中鐵含量已超標(biāo)，甚至嚴(yán)重超標(biāo)，那么此時(shí)應(yīng)以成分為主呢，還是以性能為主？我們主張Ｆｅ的有害作用消除了，其含量或者說(shuō)鐵含量當(dāng)量（即此時(shí)的鐵含量以平常的國(guó)標(biāo)相當(dāng)?shù)牧浚⿷?yīng)僅作參考，主要以組織性能為依據(jù)，成分不應(yīng)具有否決權(quán)，與國(guó)外鑄造發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)定的Ｆｅ含量明顯嚴(yán)于國(guó)外，因此我們希望我國(guó)專業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能出現(xiàn)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
（２）減少鐵的有害作用在生產(chǎn)中如何操作？
在生產(chǎn)實(shí)際中過(guò)熱處理，由于會(huì)帶來(lái)元素的嚴(yán)重?zé)龘p，吸氣嚴(yán)重，所以不太采用，而離心澆注需要離心機(jī)等設(shè)備，對(duì)專業(yè)合金生產(chǎn)廠猶可，而一般廠家也無(wú)法為了它而上設(shè)備。最實(shí)用且可行的就是合金化變質(zhì)處理和提高冷卻速度，變質(zhì)處理中應(yīng)提倡使用具有復(fù)合作用效果的加入量可小，一種元素多種功能的元素或幾種元素復(fù)合劑，同時(shí)提倡機(jī)械與變質(zhì)方法復(fù)合處理。
