铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质

1、铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质，各个国家、专业标准均对其作了明确的限制，各企业标准对其控制更为严格。这主要是由于随铁含量增加，在金相组织中会形成本身硬度很高的针、片状脆性铁相，它的存在割裂了铝合金的基体，降低了合金的力学性能，尤其是韧性，并且使零件机械加工难度增加，刀、刃具磨损严重，尺寸稳定性差等等，但是，低品质铝合金锭中铁含量本身就高，随着合金炉料的回用，生产中铁质坩埚、工具、置预件等的使用使合金增铁在所难免。多年来一直吸引着广大铸造工作者去研究，下面就铁在合金中的作用及其减弱消除对策进行讨论。 铸造系合金中铁的作用 铸造合金中铁的存在形态 表是铝硅系合金中铁的存在形态，其中

2、和是常见的二种形态。而和不是很常见。其中和（，）的结晶结构特征目前还不甚祥细。至于形成什么样的相，除与合金中的含铁量有关外，还与铸件的冷却速度、合金元素的数量、种类等密切相关。汉字状的相对系合金可提高强度、硬度，对韧性降低不多，而针状的相则严惩割裂基体，显著降低合金的韧性，尤其冲击韧性，据报道，当时，可使整个合金本身变脆。 表系合金中铁相形态 类别晶体结构熔化温度形状六方晶体汉字状单晶体针、片状立方晶体四方晶体铁对铝硅合金机械性能的影响 对室温机械性能的影响 对二元合金，当时，片状相可提高合金的强度并稍降低其延伸率；当时，延伸率开始较大幅度降低，当合金中的从增加到时，对强度值的增加是微乎其微的

3、，但却显著降低其延伸率从降到，对变质的共晶合金是每增加可使延伸率降低多。 对高温性能的影响 铁虽然降低了活塞合金的室温机械性能，但却提高了它的高温机械性能，这主要由于高温时基体本身强度随温度升高下降很多，而此时以网状、汉字状和细小针状存在的铁相，它们在左右时基本不变，是稳定的化合物相，正是它的存在提高高温下试样的抗拉强度。对合金，当时，为。 对耐磨、耐腐性的影响 铁提高系合金的耐磨性，这是由于硬质针状铁相使基体得以强化，抵抗变形能力，同时又起到支承作用，使耐磨性提高。同时铁相使合金表面的氧化膜失去连续性，易发生电化学腐蚀，铁降低合金的耐腐性。 对铸造性能的影响 随着铁含量增加，在合金结晶时，由

4、于相干扰枝晶间流动，所以会使疏松增加，同时增加合金的热裂倾向，但是对压铸铝合金一定量可防止粘膜，但也有报道称一定量增加合金的流动性。 对机械加工性能的影响 铁相使机械加工性能恶化，增加刀刃具的磨损量，使尺寸稳定性变差。 铁的有害作用消除、抑制方法 机械方法 常用的机械去铁法有过滤法、沉淀法、离心铸造法等，它们均是采用在熔体中加入、等合金元素使之与铁形成大的化合物，由于其密度与铝合金不同会产生沉淀，使用沉淀的方法称为沉淀法，它可使铁降低。将通过过滤布，过滤网、板，使大块化合物得以过滤的方法，称为过滤法，它可使降低，将加入合金元素的熔体，在离心力作用下，由于密度的差异使铁相移向边缘，而内部铁含量可

5、由降低到，降低效率达。不同转速、不同比对除铁效率也有影响。生产中应用的机械方法一般均联合使用，如过滤法与沉淀法，先沉淀后过滤，以及过滤与离心铸造结合会取得更加好的效果。 熔体处理方法 加入合金元素中和的作用（变质处理） 熔体中加入合金元素来改变铁相形貌，减弱铁的作用，提高合金强度，改善延伸率，通常加入的元素有：、等，下面逐个分析： ：是最常用和用得最多的元素，加能显著减少铁相的数量和尺寸，甚至使铁相完全消失，由于的加入扩大了铁相区，从而使得铁相向铁相转化，中和铁相的的加入量多少现还不能定论。据称在合金中加入的，就能使含的合金中针、片状铁相转变为铁。有人推荐按（）添加，总之通过添加可逐渐使相的数

6、量减少，尺寸变小，直到不出现为止。 ：在合金中加可使粗片状的相转变为汉字状的铁相，加能防止含的合金的脆断，在合金中加入使含铁为合金的伸长率由增加到，加可使含的合金伸长率由提高到。 ：的作用与相似，但需要稍加入以使富铁相成球形，有人建议的比率应为，同时的加入于其本身的偏析体小，所以其效果优于。 ：也可作为一种中和剂，当加入量时，能形成一种紧密相，同时由于是一种很好的抗氧化剂，能提高合金的性能，在砂型铸造件能使合金的抗拉强度提高，同时不降低其延伸率，另据报道，在合金中加入会使杂质相的形态由长针改变为危害较小的园球形或近园球形，从而提高合金的塑性。 ：可用来中和的有害作用，其效果比好，它是合金中的有

7、效变质剂，在含的合金中加入的和的能使合金的延伸率由增加到，抗拉强度由增到。 ：也可起到中和杂质铁的有害作用，当含量在一定程度时会形成化合物相，从而减少铁相的形成。 和：也是铁有害作用的中和剂，其中还能作为铝合金的变质剂，据报道加入硫磺可使铁相大部分变为短杆状及汉字状，有少量是团球状、块状。但单独加时效果不理想，须与其它元素如、稀土等配合，其效果明显。 稀土：稀土是一种很好的相变质剂，据报道，对合金加入，可有效减少铁相的数量和尺寸，对合金，当加入后，所存在铁相化合物呈汉字状，且细化。日本专利也曾报道加入及相同量的，可减少铁的数量和尺寸，并且在许多系及型材合金中得到证实，这主要是由于本身是一种变质

8、剂，合金净化剂，它的加入可有效去除铁的有害作用。 总之，对于变质中和剂，它能减少消除铁相的形成，但它本身并不能去除的有害作用，只起减缓作用，且随量增加使用的变质剂量也增多，一定程度上降低合金的韧性，并且，由于其形成各种复杂化合物会带来其它相关的副作用，因此，我们提倡使用变质剂，且使用复合的综合性能变质剂，尽可能加入量少。 熔体过热和快冷处理 熔体过热 据报道，过热处理可减少富铁相的形核核心，这是由于在高温时富铁相的形核核心是（），而（）在低温时存在，当温度高到一定程度时（），（）相就转变为（），不利于铁相的形核，从而抑制了铁相的出现。同时发现随熔体过热度的增加，铸件中富铁的晶间化合物变的越细，

9、当浇注温度大于时，合金中的片状铁相就转变为铁相，且这个过程不可逆转，即一旦熔体过热到足以产生相的温度随后的处理和静置对铁相形态无影响，并且当铁量愈高时，用过热方法改变就越来越困难。在实际操作中由于过热后熔体吸气，氧化严重，所以一般很少采用。 快速冷却处理 快速冷却处理可减弱铁的有害作用，这是大家所共认的，国家专业标准中规定的砂型铸造的质量小于金属型也就是这个道理。快速冷却时合金液中形核核心多，界面推进速度快，形成的有害铁相在同等条件下要短、要细，甚至看不到针状相，同时合金中中和相所需的量也随凝固过程中冷速的变化而变化，冷却速度对相形态也有很大影响。当冷速时，有助于铁相的形成，当冷速时，会抑制铁

10、的产生。 讨论 （）合金中含量是否应符合国标？ 在合金化处理方法和提高冷却速度条件下，我们可以减少甚至消除针状铁相的危害作用，使其组织性能达到国标规定的要求，此时合金中铁含量已超标，甚至严重超标，那么此时应以成分为主呢，还是以性能为主？我们主张的有害作用消除了，其含量或者说铁含量当量（即此时的铁含量以平常的国标相当的量）应仅作参考，主要以组织性能为依据，成分不应具有否决权，与国外铸造发达国家相比，我国国标规定的含量明显严于国外，因此我们希望我国专业行业标准能出现相应的标准。 （）减少铁的有害作用在生产中如何操作？ 在生产实际中过热处理，由于会带来元素的严重烧损，吸气严重，所以不太采用，而离心浇

11、注需要离心机等设备，对专业合金生产厂犹可，而一般厂家也无法为了它而上设备。最实用且可行的就是合金化变质处理和提高冷却速度，变质处理中应提倡使用具有复合作用效果的加入量可小，一种元素多种功能的元素或几种元素复合剂，同时提倡机械与变质方法复合处理。在铝中最大固溶超过1%的有八个：银、铜、镓、锗、锂、镁、硅和锌。过渡族元素锰、铬、铁，锆以及一些微量添加元素，在铝中的溶解度不是很大，但对铝合金的工艺性能或使用性能产生明显的影响。 一、锰 在AlMn合金中，锰含量一直增加到极限溶度1.82%时，合金强度不断增加。锰含量为0.8%时，伸长率达最大值。 锰能阻止铝及其合金的再结晶过程，提高结晶温度，并能显著

12、细化再结晶晶粒。 MnAl6是与AlMn固溶体相平衡的相，它除了能提高合金强度，细化再结晶晶粒外，另一重要作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6,减小铁的有害影响。 锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成二元AlMn合金，多数是与其它合金一同加入。另外锰会明显增加铝的电阻，作为电导体材料应控制锰的含量。 合金中锰含量过多时，会形成粗大、硬脆的MnAl6化合物，损害合金的性能。 二、镁 镁对铝的强化作用是明显的，每增加1%的镁，抗拉强度大约升高34MPa。镁可以单独加入形成二元AlMg合金，含镁量在7%以下的合金在室温时稳定，一般加工铝合金含镁量在6%以下。镁也可其他元素一同加入。Mg5A

13、l8相的形态和分布对合金抗蚀性能有明显影响。 1）镁和锰 以镁为主要合金元素的AlMg合金中通常还加入了1%以下的锰。锰可以起补充强化作用，比等量的镁效果更好，因此加锰后可降低镁含量。同时可以降低热裂倾向，尤其是有钠存在时更为明显。另外锰还可以使Mg5Al8均匀沉淀，改善合金的抗蚀性能和焊接性能。 2）镁和硅 镁硅同时加入铝中，形成AlMgSi系合金，这是一类重要的可热处理强化的铝合金。强化相为Mg2Si。其镁与硅的重量比为1.73：1。AlMgSi系合金基本上按这一比例设计镁、硅含量。Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低溶解度减小，相对合金的强化作用有： 1、镁和硅总量不

14、超1.5%，Mg2Si一般在0.81.2%之间。典型合金6063。固溶处理温度高，淬火敏感性低，挤压性能好，挤压后可直接风淬，抗蚀性高阳极氧化效果好。 2、镁、硅总量较高，Mg2Si为1.4%左右。镁、硅比亦为1.73：1的平衡成分。合金中加入了适量的铜以提高强度，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不良影响。典型合金6061，比6063抗拉强度高70MPa，但淬火敏感性较高，不能实现风淬。 3、镁、硅总量虽然也是1.5%，但有过剩的硅。其作用是细化Mg2Si质点，同时硅沉淀后亦有强化作用。但硅易于在晶界偏析将引起合金脆化，降低塑形。加入铬有助于减小过剩硅的不良作用。 三、铜 铜是重要的合金元素

15、，有一定的固溶强化作用。CuAl2有着明显的时效强化效果。AlCu合金各种状态的力学性能与铜含量有关，铜含量在46%时强化效果最好，多数硬铝合金含铜量处于这个范围。 *铜和镁 合金中有两个主要强化相(CuAl2)和S（Al2CuMg）相。硬铝中以S相的过渡相强化效果最好，相的过渡相强化效果稍次，合金中同时存在和S过渡相时，强化效果最大。S相的过渡相还有一定的耐热性。一般，Cu：Mg2.6时，形成S相；Cu：Mg2.6时，形成S和相或相。 AlCuMg合金中一般加入其他元素，如锰。可以改善合金的性能，但锰应1%，否则粗大的MnAl6降低合金塑形。 四、锌 锌单独加入铝中，在变形的条件下对合金强度

16、的提高很有限，同时有应力腐蚀开裂倾向，因而限制了他的使用。 1）锌和镁 锌和镁形成强化相MgZn2，对合金产生明显的强化作用。MgZn2含量从0.5%提高到12%时，可不断地增加抗拉强度和屈服强度，镁的含量超过形成MgZn2相所需要的量时，还会产生补充强化作用。 MgZn2含量增加，在强化合金的同时却大降低了应力腐蚀开裂能力，增加剥落腐蚀倾向。为提高应力腐蚀开裂能力，可通过对成分和热处理过程两者的控制而得到改善。在成分方面，由于抗拉强度和应力腐蚀开裂敏感都随锌、镁含量增加而增加，为使合金具有令人满意的应力腐蚀开裂抗力和足够的强度，对锌、镁总量寻求折中的方案。有资料指出：Zn：Mg=2.7-2.

17、9时应力腐蚀开裂抗力最大。 少量的铜，特别是银，可以提高应力腐蚀抗力。 对于可焊合金，淬火冷却速度应慢。调整成分，可用0.080.25%Zr代替铬和锰，因为锆对淬火敏感性影响最小。锆与铝形成ZrAl3,而铬和锰分别形成Al122Cr和Al20Cu2Mn3，都能阻碍再结晶，而ZrAl3不含强化元素，而铬、锰化合物会使强化元素减小，势必增加了镁、铜含量。减小应力腐蚀开裂倾向的另一方法是分级时效。 2）锌、镁和铜 在铝锌镁的基础上加入铜，形成铝锌镁铜系超硬铝，其强化效果在所有铝合金中是最大的，是重要的航空、航天合金。 一般说，锌、镁、铜总含量在9%以上是强度高，但合金的抗蚀性、成型性、可焊性，抗疲劳

18、性能等均会降低；总含量在68%范围内，合金能保持高的强度，而其他性能变好；总含量在56%以下者，合金成型性能良好，应力腐蚀开裂敏感性基本消失。铝锌镁铜系合金具有最高的强度，但断裂韧性较低。降低杂质铁和硅的含量，减小有利于扩展的金属间化合物的尺寸和数量，亦即使用高纯金属基体，是提高合金断裂韧性的有效途径之一。 五、锂 锂是自然界中最轻的金属。锂加入铝中，可大大提高弹性模量和降低密度。在铝中每添加1%的锂，弹性模量增加约6%，密度降低约3%。同时铝锂合金具有高比强较好的抗蚀性能以及低的裂纹扩展速率。1、合金元素影响: A" j3 Z6 V, D+ g! x P; R铜元素8 z # O&

19、#160; g! h$ a8 N7 & F- :   ） q$ 5 0 Y铝铜合金富铝部分平衡相图如图 所示。548时，铜在铝中的最大溶解度为 5.65%,温度降到302时，铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果。 铝合金中铜含量通常在2.5% 5%，铜含量在4%6.8%时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。中国铝业论坛: E; _* + # d& G铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、铬、锌、铁等元素。- v; J  . B0 : e&q

20、uot; ?$ c- w! M& l. ） t- W& d3 硅元素. - t, ?） C! I% P$ H! M" v# o中国铝业论坛, d（ |" v（ D* j+ Q3 e6 , h% A0 DAlSi合金系平衡相图富铝部分如图 所示。在共晶温度577 时，硅在 固溶体中的最大溶解度为1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，介这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好 的铸造性能和抗蚀性。, M9 7 3 m: h$ G, |若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为MgSi。镁和硅的质量比为1.73:1。设计Al-Mg-Si系合金成分时，

21、基体上按此比例配置镁和硅 的含量。有的Al-Mg-Si合金，为了提高强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。2 t6 j: v  _; B  J, $ ?7 H; ?Al-Mg2Si合金系合金平衡相图富铝部分如图 所示。Mg2Si 在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低而减速小。） N3 Q  M: t4 D1 U5 Y# k2 l） 变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。8 S（ # q6 N" R* q9 W: p$ V; H0 g4 E% T$ &qu

22、ot; d中国铝业论坛镁元素1 x  B6 w W2 9 j! P+ L- P（ H1 t: r（ |中国铝业论坛6 B, c8 4 y9 _4 E. l* mAl-Mg合金系平衡相图富铝部分如图 所示。尽管溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小，但是在 大部分工业用变形铝合金中，镁的含量均小于6%，而硅含量也低，这类合金是不能热处理强化的，但是可焊性良好，抗蚀性也好，并有中等强度。7 o（ g  U# / Z$ j. q! a5 K: S） B镁对铝的强化是明显的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。如果加入1%以下 的锰，可

23、能补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。. t2 V） _7 2 i; k2 j, " L  B  H） t: M0 O+ d锰元素$ B/ Y8 I; t+ N5 E- k3 s f） U0 _3 p3 wAl-Mn合金系平平衡相图部分如图 所示。在共晶温度658时，锰在 固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。Al-Mn合金是非时效硬化合金， 即不可热处理强化。7 L" r1 d 

24、; U! f- n锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显着细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化 主要是通过* U, U（ f" q: " * tMnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6，减小铁的有害影响。3 O$ j5 t（ V; G# u中国铝业论坛锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰。# N6 j9 O6 l& V! z, h锌元素） l3 T4 S6 g8 _0 HAl-Zn合金系平衡相图富铝部

25、分如图 所示。275时锌在铝中的溶解度为31.6%，而在125时其溶解度则下降到5.6%。7 h$ R! R8 A6 z- 锌单独加入铝中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。/ G） x8 V） p2 Z$ H（ V; S8 在铝中同时加入锌和镁，形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用。Mg/Zn2含量 从0.5%提高到12%时，可明显增加抗拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成Mg/Zn2相所需超硬铝合金中，锌和镁的比例控制在2.7左右时，应力腐蚀 开裂抗力最大。 f! p） a& U. u; s6 V% N如在Al-Zn-

26、Mg基础上加入铜元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基强化效果在所有铝合金中最大，也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。. |8 / t9 z; _: y4 _% " ! L U4 b8 S2 L6 6 # H; Z2微量元素的影响中国铝业论坛$ , : y8 1 2 9 N8 u2 o$ ?铁和硅7 X（ Q: m; j d8 H$ s） （ S（ D# 5 K0 p$ M铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条及铝硅铸造合金中，均作为合金元素加的，在基它铝合金 中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响

27、。它们主要以FeCl3和游离硅存在。在硅大于铁时，形成-FeSiAl3（或 Fe2Si2Al9）相，而铁大于硅时，形成-Fe2SiAl8（或Fe3Si2Al12）。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中铁含量过 高时会使铸件产生脆性。3 h$ l7 s2 d! I. x% D, C, p. j- T. U& f4 - B（ 中国铝业论坛钛和硼9 q. y0 V2 u9 1 ?$ K1 $ , x+ u0 B: B（ E: 钛是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成 TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。A

28、l-Ti系合金产生包反应时，钛的临界含量约为0.15%，如果有硼存在则减 速小到0.01%。* 0 J） F  t& K, r1 l（ F9 f5 p8 R, t6 U" Z2 y0 : c9 （ _# F中国铝业论坛铬/ s7 Q0 g" H/ P; j8 P7 x. l" o; n% l5 S铬在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。600时，铬在铝中溶解度为0.8%，室温时基本上不溶解。中国铝业论坛（ b6 t F（ q. J+ W  Z, o铬在铝中形成（CrFe）Al7和

29、（CrMn）Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。+ * q  f" w. A4 X% J铬在铝合金中的添加量一般不超过0.35%，并随合金中过渡元素的增加而降低。! v$ C% ; p9 O# f, * O; q: l6 d中国铝业论坛1 l* W9 O9 L$ r! a2 d锶 d D$ c5 B9 h# & 4 z " R8 r% j1 L4 v" ! _4 S2 ?2 D/ P锶是表面活性元素，在结晶学上锶能

30、改变金属间 化合物相的行为。因此用锶元素进行变质处理能改善合金的塑性加工性和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性好等优点，近年来在Al-Si铸 造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入0.015%0.03%锶，使铸锭中-AlFeSi相变成汉字形-AlFeSi相，减少了铸锭均匀化 时间60%70%，提高材料力学性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。对于高硅（10%13%）变形铝合金中加入0.02%0.07%锶元素，可 使初晶减少至最低限度，力学性能也显着提高，抗拉强度b 由233MPa提高到236MPa，屈服强度0.2由204MPa提 高到210MPa，延伸率5由9%增至12%

31、。在过共晶Al-Si合金中加入锶，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可顺利地热轧和冷轧。& p6 r% I3 s0 W3 O） 锆元素5 S8 （ f+ , O# Q; 4 K锆也是铝合金的常用添加剂。一般在铝合金中加入量为0.1%0.3%，锆和铝 形成ZrAl3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。锆亦能细化铸造组织，但比钛的效果小。有锆 存在时，会降低钛和硼细化晶粒的效果。 在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于锆对淬火敏感性的影响比铬和锰的小，因此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织。: I& O3 Z* H& ?- _1 R& I% |4 . |$ J. u2 f9 J7 4 r, e杂质元素8 g4 u%   Z/ - . 6 s5 z$ p/ t& A稀土元素加入铝合金中，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇