摘 要： 本文分別采用普通金屬型鑄造、電磁攪拌、半固態(tài)擠壓方法制備鋁鐵合金，通過掃描電鏡、透射電鏡和力學(xué)性能測(cè)試等手段分析了不同成型方法后合金的性能和組織。結(jié)果表明，鋁鐵合金經(jīng)過半固態(tài)成型后組織被細(xì)化，力學(xué)性能得到大幅度提高，抗拉強(qiáng)度由普通金屬型鑄造時(shí)的160MPa提高到了271MPa。
　　關(guān)鍵詞： 鋁鐵合金 電磁攪拌 半固態(tài)擠壓 組織與性能
　　
　　1.引言
　　自從電解鋁技術(shù)獲得應(yīng)用以來，世界鋁業(yè)迅猛發(fā)展，鋁合金已成為最常用的兩種工業(yè)合金之一。鋁與過渡族金屬元素鐵形成的Ale等金屬間化合物具有極好的耐熱、耐磨，以及抗腐蝕性能［１－４］。鐵在鋁中的固溶度很低，一旦超過固溶極限便在鑄造鋁合金中與鋁形成質(zhì)脆的針狀或片狀富鐵相，嚴(yán)重割裂基體，成為應(yīng)力集中源，大大降低鋁合金的力學(xué)性能［5－8］。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一［9］，是細(xì)化合金組織的有效途徑。本文針對(duì)鋁鐵合金易形成粗大相，割裂基體，降低力學(xué)性能的問題，開展了旨在通過半固態(tài)成型改善合金微觀組織及力學(xué)性能的研究工作，以求使鋁鐵合金具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
　　2.實(shí)驗(yàn)材料及方法
　　2.1實(shí)驗(yàn)材料
　　熔配合金所用的原材料主要有:純鋁、純鋅、純鎂、Fe、Mn、Cu等合金元素以中間合金的形式加入，具體化學(xué)成分見表1。熔煉所用覆蓋劑的成分配比見表2，所用精煉劑為CCl。
　　2.2實(shí)驗(yàn)方法
　　2.2.1合金的熔煉
　　合金的熔煉在井式電阻爐中進(jìn)行。首先將熔點(diǎn)較低的合金及純Al放入坩堝中，升溫至820℃，待坩堝中的合金部分熔化后將Mg和Zn加入。Zn直接放入坩堝中，Mg用金屬液包住，然后投入坩堝中。然后在金屬液表面放入覆蓋劑，防止合金氧化。將井式爐升溫到820℃，保溫40min。
　　2.2.2電磁攪拌工藝
　　首先將已經(jīng)預(yù)熱到300℃左右的石墨坩堝放到電機(jī)中，調(diào)至外加磁場(chǎng)的電壓為150V，然后將準(zhǔn)備好的金屬液澆鑄到石墨坩堝中進(jìn)行電磁攪拌5min左右，直至其完全凝固。最后將所得的合金試樣車削成尺寸為Φ63×72mm的圓柱形。
　　2.2.3半固態(tài)擠壓工藝
　　將坯料和模具一起加熱到630℃，保溫40min后進(jìn)行擠壓。半固態(tài)擠壓成形時(shí)，采取擠壓比為8:1的半固態(tài)成型模具，擠壓力為200t，保壓時(shí)間為2min，擠壓速度為2mm/s。
　　2.2.4力學(xué)性能試驗(yàn)及微觀組織觀察
　　合金拉伸性能的測(cè)試在CSS-55100型萬能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.1mm/s。用JSM-6301F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和PHILIPSEM400透射電子顯微鏡觀察合金微觀組織。
　　3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　3.1不同工藝下鋁鐵合金力學(xué)性能
　　在不同工藝下所制得合金的拉伸性能如表3所示。從表中可以看出，普通金屬型鑄造由于第二相的存在形式多數(shù)比較粗大，而且具有尖銳的棱角，這種形態(tài)的相嚴(yán)重割裂基體，尤其是初生AlFe相最為明顯，對(duì)提高合金的力學(xué)性能極為不利，所以該合金鑄態(tài)力學(xué)性能很差。合金的最大拉伸強(qiáng)度值為161.6MPa，而且伸長(zhǎng)率同樣很差，僅為0.5%。采用電磁攪拌后合金抗拉強(qiáng)度有了大幅度的提高，而經(jīng)過半固態(tài)擠壓后所制得的合金的力學(xué)性能更是得到了明顯的改善，最大拉伸強(qiáng)度達(dá)到了270.1MPa，提高了67%。同時(shí)，伸長(zhǎng)率也得到了一定的改善，最高達(dá)到了1.5%。可見，采用半固態(tài)成形技術(shù)可有效提高Al-Fe基合金的力學(xué)性能。
　　3.2不同成型方式下鋁鐵合金微觀組織
　　3.2.1金屬型鑄造合金微觀組織
　　鑄態(tài)Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金經(jīng)過X-射線衍射分析，結(jié)果見圖1，測(cè)得合金中含有二元相AlFe、AlFe、AlCu，三元相AlCuMn、AlCuFe，其微觀組織如圖2所示。其中，AlFe相呈長(zhǎng)度不均的針片狀結(jié)構(gòu)，數(shù)量較多。尺寸較大的AlFe相是初晶相，尺寸較小的AlFe相是共晶相，其生長(zhǎng)具有一定的方向性。
　　3.2.2電磁攪拌合金微觀組織
　　Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金電磁攪拌后的微觀組織如圖3所示。合金的組織組成并未發(fā)生變化。與在常規(guī)凝固條件下得到的合金微觀組織比較，電磁攪拌后得到的合金微觀組織的最大特點(diǎn)是針片狀A(yù)lFe相厚度變薄、尺寸變小、尖角鈍化，并伴有明顯的斷裂趨勢(shì)，其余的多元相也具有相同傾向。但是電磁攪拌后組織中粗大的FeAl相依然存在，同時(shí)還存在著一些尺寸稍大的三元相。這是因?yàn)榻Y(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)的晶核的產(chǎn)生，隨著溫度的下降，雖然晶粒繼續(xù)生長(zhǎng)，但由于攪拌的作用，造成晶粒間相互磨損、剪切，以及液相對(duì)晶粒劇烈沖刷。這樣枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒。這為后續(xù)半固態(tài)擠壓成形破碎、細(xì)化組織提供了有力的保障。
　　3.2.3半固態(tài)擠壓合金微觀組織
　　圖4為Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金經(jīng)過半固態(tài)擠壓后的微觀組織圖片。從圖中可以看出，經(jīng)過半固態(tài)擠壓后，針片狀初生AlFe相及一些二元、三元相，得到了進(jìn)一步細(xì)化。這種細(xì)化實(shí)際上是破碎細(xì)化，原來的針狀相和多邊形狀相，部分變?yōu)榱钕?。多?shù)AlFe相尺寸由鑄態(tài)的約0.2mm，變?yōu)榧s50μm左右，較鑄態(tài)減少約75%，第二相在基體上的分布更加均勻，有效地減輕了第二相對(duì)基體的割裂作用，導(dǎo)致合金力學(xué)性能顯著提高。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，半固態(tài)擠壓可以有效地細(xì)化Al-Fe基合金的第二相，尤其對(duì)針片狀A(yù)lFe相的細(xì)化作用更加明顯。
　　圖5為半固態(tài)擠壓后合金基體的TEM形貌。從圖中可見半固態(tài)合金的基體組織中存在大量的位錯(cuò)。這是由于在半固態(tài)擠壓過程中，合金發(fā)生了較強(qiáng)的塑性變形，因而會(huì)在基體中形成大量的位錯(cuò)。這些位錯(cuò)的形成也是半固態(tài)擠壓后合金力學(xué)性能提高的一個(gè)重要因素。
　　
　　4.結(jié)語
　　（1）Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金經(jīng)過經(jīng)過半固態(tài)成形加工后合金的力學(xué)性能有了較大程度的提高。合金的抗拉強(qiáng)度從161MPa上升到了270MPa，伸長(zhǎng)率也由0.5%提高到了1.5%。
　?。?）半固態(tài)成形細(xì)化了Al-5.5Fe-4Cu-2Zn-0.4Mg-0.5Mn合金的組織，多數(shù)AlFe相尺寸由鑄態(tài)的約0.2mm，變?yōu)榧s50μm左右，較鑄態(tài)減少約75%。同時(shí)，使第二相在基體上的分布也更加均勻。
　　
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