[發明專利]一種消除鋁合金中針片狀富Fe相的方法

無效

• 申請號: 200910272922.7
• 申請日: 2009-11-27
• 公開（公告）號: CN101899634A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 鐘鼓;吳樹森;安萍;毛有武;萬里
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C22F3/02
• 分類號: C22F3/02;B22D1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于金屬材料的制備及鑄造成形技術領域，涉及到一種施加超聲振動和添加中和劑Mn元素相結合制備含Fe鋁合金的方法，通過改變合金中富Fe相的形貌，提高材料的力學性能，尤其是高溫力學性能。本發明可用于鋁合金尤其是鋁硅合金零件的成形以及鋁合金材料的回收利用。

技術背景

Fe是鋁合金中最常見也是最有害的元素，常規鑄造工藝條件下，鋁合金尤其是鋁硅合金中的富Fe相如β-Al₅FeSi和δ-Al₄FeSi₂易長成粗大的針片狀，使合金的力學性能惡化。鋁合金中Fe的來源有以下幾個方面：第一，雜質Fe，在熔煉配置鋁合金的Si等原材料中，以及熔煉過程中使用的鐵質工具中，都或多或少以雜質的形式摻入了少量Fe。第二，作為合金元素加入鋁合金中的Fe，在鋁硅合金中加入Fe以提高合金的高溫力學性能，而在壓鑄鋁合金加入0.7～1.2％Fe有利于鑄件脫模。第三，殘余Fe，鋁合金零部件的使用壽命相對較短(14年左右)，大部分鑄造鋁合金由廢料再生產而成，而Fe在鋁合金中具有遺傳性，很難消除。

Fe在液態Al中的溶解度較大，而在固態Al中溶解度很小(小于0.05％)，因此Fe主要以金屬間化合物的形式存在于鋁合金中。合金凝固過程中，Fe原子在凝固前沿富集，即使少量Fe也會在合金中形成硬而脆的富Fe相，其中危害最大的是針片狀的β-Al₅FeSi相。富Fe相常常易引起應力集中，成為微裂紋的發源地，從而降低合金的力學性能，尤其是塑性和韌性。隨著合金中Fe含量的增加，β相的開始析出溫度迅速升高，析出范圍擴大，生長時間延長，從而β相長的越來越粗大，對合金的危害也越大。

由于Fe在固態Al中的擴散系數很小，通過熱處理的方式減少富Fe相的有害作用，不僅效果很微弱，而且能耗大成本高。比如β-Al₅FeSi相，即使合金的固溶處理溫度接近固相線溫度，經過長時間的熱處理其針片狀形貌也沒有變化。工業生產中，由于廢料中的Fe很難去除，常常只能通過加入新料以稀釋Fe的濃度。目前，降低鋁合金中富Fe相危害的方法主要有加入中和元素、快速凝固和熔體過熱法，其中最為普遍的是加入中和合金元素Mn。Mn能有效改善富Fe相形貌，使針片狀的β-Al₅FeSi相轉變為對性能影響較小的漢字狀Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂。專利文獻CN1081720A中公開了一種含45～60％Mn的鋁合金鐵相球化劑，可使Al-Si，Al-Cu，Al-Zn等鋁基合金中針狀鐵相轉變為球形或近球形。通常認為，以Mn/Fe＝1/2向合金中加入Mn能獲得較好中和Fe的效果，繼續增加Mn的加入量，雖然能進一步降低β相的有害作用，但是生成硬度很高的多角狀初生α-Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂，降低合金的切削加工性能。然而，即使按高的Mn/Fe加入Mn也不能完全消除β-Fe的有害作用，而且大量Mn的加入將增加成本。另外加入Cr、Co、Zr、Ti等元素也對針片狀Fe相形貌的改變有一定的作用。美國專利文獻6267829公布了一種減少含鐵Al-Si合金(尤其是Al-Si-Mn-Fe合金)中初生β-Al₅FeSi形成的方法。該方法通過熱分析控制富Fe相的析出，使β相依附于先析出的六邊形Al₈Fe₂Si相形核，最終雙重結構的化合物顆粒形貌由Al₈Fe₂Si相決定，從而改變了β相的針狀形貌。該方法需要化學分析以對熔體中元素的活度、實際相圖位置以及溶質的富集程度進行計算，這些數據和專業系統相結合才能用于計算合金的凝固路徑，從而控制合金凝固時相的析出。但目前還沒有開發這樣一種系統用于實際鑄造條件。