铝硅系铸造铝合金中的铁相_蔡勖勤
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Keywords: Iron phase; Globate polyhedron; Segr egation
1 引言
室温时, 铁在铝中的溶解度很少。在铸造铝合 金中, 铁含量一般在 0. 2% ~ 1. 0% 的范围内, 因此, 大部分铁通常以化合物形态存在。最常见的针状化 合物形态如 F eA l3, Fe2Si2A l9 或称 T 2 相等, 它们随 着铸件截面的增厚, 铸造冷却速度的递降, 可以长得 非常粗大; 反之在薄壁的压铸件中由于结晶凝固速 度快, 铁相呈细小高密度针状形态分布。它们割裂 了金属基体的连续性, 使力学性能严重恶化。因此,
上述情 况说明, 铝锭 存在偏析, 结果判定 不合 格, 该炉铝锭必须进行重新熔炼。根据文献[ 1, 3] , 球状多 面体 铁相 ( FeM n) 3Si2A l15 的结 晶温 度是 在 649 以下至共晶温度 564 这一范围内。可以推 断该炉所以出现偏析是因熔炼温度偏低, 特别是出 炉时合金液的温度可能已接近 650 , 自出口至注 入锭模又有一段约 4m 的距离, 温度进一步下降, 球
like, w hich deteror ates the alloys mechanical properties. T o add a propriety ratio of manganese will neutralize the harmful effect of the iron, change it to the shape of chinese characters, fishbone, flower and globate polyhedr on. W e herew ith dissertate the configuration of ( F eM n) 3Si2Al15, the globate polyhedron, w hich is in the alloys of Zl108 and YL 113, and make out the segr eg atio n we think that the compound hasa high hardness, and brings mo re difficulty to machine finishing, and so for th we should distribute it as wel-l pr oportioned as possible and lessen t he quantity. T her efore, when the content of iron and manganese is on the hig h side, we may adopt some simple technolo gic method to decrease the content of the Fe- M n to a reasonable amount, make the ( F eM n) 3 Si2Al15 phase as less as possible.
Fig . 1 M icr ostructur e of YL 113 thin- wall die- casting Etched w ith 20% sulphuric- acid aqueous so lution
球状多面体铁相结晶长大历程如图 2 所示, 这 是从 ZL 108 试样的不同视场拍摄到的。这些图片 说明球状多面体铁相在切面上是由晶芽形成的六条 一次晶轴, 后被二次晶轴所填满的长大过程, 在空间 即为球状多面体。同时还可看到很多 田 字形相。 图 3 是偏析区的显微组织, 图 4 是比较典型的 田 字形照片, 刚劲有力。其成长过程如图 3 中箭头所 指依次由晶芽形成的 十 字形一次晶轴, 在 十 字 形晶轴的端部垂直长出二次晶轴, 最终封闭成 田 字形, 在空间它是立方体。
球状多面体和立方体是两种主要的形态特征, 除此还有切面是三角形、五边形的等等, 我们统称它 们为球状多面体。这些相未侵蚀时, 抛光面呈亮灰 色, 较初生硅明亮, 经 1g 氢氧化钠+ 100m l 水溶液 侵蚀后呈蓝色。经 20% 硫酸水溶液浅侵蚀后, 田
( c) 图 2 球状多面体铁相结晶长大历程 250
182
图 5 铝锭光谱分析部位示意图 Fig. 5 Schematic diagr am of the positio n of ingot
alumimum for spectrogr aphic analysis
取样检查金相组织, 铝锭中部球状多面体铁相 ( FeM n) 3Si2A l15 群集 ( 见图 6) , 底部 相对少而 分散 ( 见图 7) , 上部近表面处则很难寻觅。
表 1 铝锭不同部位的化学成分( 质量分数) 测定结果
T ab. 1 Chemical composition analysis results of different posit ion of ingot alumimum ( percentage in mass) %
取样位置 S i Fe Cu Mn Mg Cr
Ni Zn
上 10. 64 0. 675 2. 25 0. 216 0. 156 0. 0117 0. 127 0. 466
中 10. 55 1. 19 2. 21 0. 553 0. 154 0. 0359 0. 130 0. 442
下 10. 89 0. 84 2. 34 0. 292 0. 165 0. 0166 0. 132 0. 462
181
蔡勖 勤: 铝硅系铸造铝合金中的铁相
图 3 ZL 108 偏析区的显微组 织( 未侵蚀) 100 Fig . 3 M icrostructure of ZL108 segregation, not etched
鉴于我们测定的热分析曲线结果和金相组织形 态与文献[ 1] 吻合, 因此, 这种球状多面体铁相应该 就是( FeMn) 3Si2A l15。同时可把该相 与汉字状、鱼 骨状、花卉状铁相( FeM n) 3SiA l12区别开来。
图 4 典型的 田 字形照片 270 20% 硫酸水溶液侵蚀
Fig. 4 T ypical photograph of shape 田 Etched w ith 20% suphuric- acid aqueous solution
侵蚀, 颜色不变。 根据文献[ 1] A-l S-i M n- Fe 四元系相图和给出的
蔡勖 勤: 铝硅系铸造铝合金中的铁相
例讨论铁相的另一种形态 成及其相关问题。
球状多面体铁相的形
2 ZL108 和 YL113( ADC12) 合金中的球状 多面体铁相
在铸造铝合金实际生产中, 追求低铁含量将会
导致生产成本的提高。在 ZL 108 和 YL113 合金铝
锭中, 一般铁含量在 0. 6% ~ 0. 8% 之间, 由于熔炼
( Fro m X ing yue Group Co LT D. , Zhejinag 321307, China)
Abstract: T he iron existed in casting aluminum alloys usually appears in the micr ostructur e by the shape of needle-
用铁坩埚和使用铁质工具, 铁会被熔蚀以及回炉废
旧料中铁带入等等, 使合金增铁, 因此铁含量会更高
些, 只要合金中配以相应比例的锰, 金相组织中就会
( a)
出现如图 1 所示的球状多面体铁相化合物。如果铁
锰配比恰当, 针状铁相会全部消失变为球状多面体
铁相( 本文不涉及变质处理) 。
( b)
图 1 Y L113 薄壁压铸件的组织 250 20% 硫酸水溶液侵蚀
汉字状、鱼骨状、花卉状等铁相 ( F eM n) 3SiAl12 或 Fe3SiA l12即 T 1 相结晶形态在各种有关书刊和金 相图谱中已为大家所熟悉, 本文根据作者长期的生 产实 践, 以 ZL108 ( GB/ T 1173 - 1995) 和 YL 113 ( GB/ T 15115- 1994) ( JIS42212ADC12) 两种合金为
反应温 度和反应 过程, 该相可能 是由 ( F eM n) Al6, F eA l3, F e2SiA l8 或 F eSiA l5 与合金溶液通过包晶反
应形成的( FeM n) 3Si2Al15相。在铝硅系合 金中, 当 锰铁总量在 0. 8% 以上时, 也可直接从液体中呈一 次晶多面体析出。文献[ 2] 也有相似的论述( 只是未 见相应的金相图片) , 认为它是( FeM n) 3SiA l12初生 晶体, 并呈六方 小粒状( 虽 然其化合物为立方 体) 。 我们[ 3] 也曾用扫描电镜对该相作电子探针点分析, 确定该相含有铝、铁、锰、硅和少量铜, 同时也做了 X 衍射相分析, 证明上述各种形态的偏析相同属一种 化合物, 但是一些重要数据查不出相应的衍射卡片, 最终无法确定是何种化合物。
以中 和 铁 的 有 害 作 用, 使 之 改 变 成 为 汉 字 状、鱼 骨 状、花 卉 状 和 球 状 多 面 体 形 态。 但 ( FeM n) 3Si2A l15球状多面体, 因硬度高, 给机械加工带来困难, 应使之尽可能均匀分布且数量要少。 当铁锰含量偏高时, 可采用简单的工艺方法将铁锰含量降至适当的水平, 使( FeMn) 3Si2Al15相尽可 能少。
20% 硫 酸水溶液侵蚀 F ig. 2 Gr owthing history of crystal of globate
polyhedron iron phase Etched with 20% sulphuric- acid aqueous solut ion
字形相出现 经脉 ( 图 4) , 多边形相出现 台阶 ( 图 1 和图 2c) ; 经深侵蚀后( 65 侵蚀 30~ 40s) , 这些相 被溶去呈黑色。不管是多边形相还是 田 字形相, 上述几种试剂的侵蚀结果均相同, 而初生硅则不被
第 39 卷第 4 期 2003 年 4 月
试验研究
理化检验- 物理分册
PTCA ( PA RT A: PHY SICAL T EST ING )
V ol. 39 No. 4 A pr. 2003
铝硅系铸造铝合金中的铁相
蔡勖勤
( 星月集团有限公司, 浙江永康 321307)
摘 要: 论述了 ZL 108 和 Y L113 合金中的( FeMn) 3Si2A l15球状多面体形态及偏析。铁在铸造 铝合金中通常以针状化合物的形态出现在金相组织中, 使合金力学性能恶化, 加适当比例的锰可
收稿日期: 2002-10-17 作者简介: 蔡勖勤( 1933- ) , 男, 工程师。
180
铁是铝合金中有害的杂质元素, 其含量必须严格加 以限制。
锰是中和铁有害作用的有效元素, 添加适量的 锰可使针状铁相改变结晶形态为汉字状、鱼骨状和
花卉状等等, 从而在一定程度上改善合金的力学性 能, 消除脆性。这体现在 GB/ T 1173- 1995 锰作为 主要合金元素列入许多牌号铝合金的标准中, 使之 与铁保持彼此互相配合的比例关系。
3 球状多面体铁相的偏析
在文献[ 3] 中已叙述了 ZL108 合金中球状多面 体铁 相 ( F eM n ) 3Si2A l15 的 偏 析, 下 面 是 Y L 113 ( ADC12) 合金在铝锭自动生产线上产生的偏析。
铝锭自动生产线是在熔炼完成后, 铝合金液自 20t 熔炼炉中放出, 注入按一定速度运转的一个个 锭模中, 在锭模的底部喷水冷却, 以达到顺序凝固和 加速冷却的目的。在一次取样检验时发现铝锭剖面 的上、中、下各部位的化学成分有相当大的差异。直 读光谱 的化 学成 分 分析 数据 见表 1, 分析 部位 见 图 5。
关键词: 铁相; 球状多面体; 偏析
中图分类号: T: 1001- 4012( 2003) 04- 0180-04
T HE IRON PHASE EXIST ED IN A-l Si CAST ING ALU M INU M ALL OYS
CAI Xu-qin
1 引言
室温时, 铁在铝中的溶解度很少。在铸造铝合 金中, 铁含量一般在 0. 2% ~ 1. 0% 的范围内, 因此, 大部分铁通常以化合物形态存在。最常见的针状化 合物形态如 F eA l3, Fe2Si2A l9 或称 T 2 相等, 它们随 着铸件截面的增厚, 铸造冷却速度的递降, 可以长得 非常粗大; 反之在薄壁的压铸件中由于结晶凝固速 度快, 铁相呈细小高密度针状形态分布。它们割裂 了金属基体的连续性, 使力学性能严重恶化。因此,
上述情 况说明, 铝锭 存在偏析, 结果判定 不合 格, 该炉铝锭必须进行重新熔炼。根据文献[ 1, 3] , 球状多 面体 铁相 ( FeM n) 3Si2A l15 的结 晶温 度是 在 649 以下至共晶温度 564 这一范围内。可以推 断该炉所以出现偏析是因熔炼温度偏低, 特别是出 炉时合金液的温度可能已接近 650 , 自出口至注 入锭模又有一段约 4m 的距离, 温度进一步下降, 球
like, w hich deteror ates the alloys mechanical properties. T o add a propriety ratio of manganese will neutralize the harmful effect of the iron, change it to the shape of chinese characters, fishbone, flower and globate polyhedr on. W e herew ith dissertate the configuration of ( F eM n) 3Si2Al15, the globate polyhedron, w hich is in the alloys of Zl108 and YL 113, and make out the segr eg atio n we think that the compound hasa high hardness, and brings mo re difficulty to machine finishing, and so for th we should distribute it as wel-l pr oportioned as possible and lessen t he quantity. T her efore, when the content of iron and manganese is on the hig h side, we may adopt some simple technolo gic method to decrease the content of the Fe- M n to a reasonable amount, make the ( F eM n) 3 Si2Al15 phase as less as possible.
Fig . 1 M icr ostructur e of YL 113 thin- wall die- casting Etched w ith 20% sulphuric- acid aqueous so lution
球状多面体铁相结晶长大历程如图 2 所示, 这 是从 ZL 108 试样的不同视场拍摄到的。这些图片 说明球状多面体铁相在切面上是由晶芽形成的六条 一次晶轴, 后被二次晶轴所填满的长大过程, 在空间 即为球状多面体。同时还可看到很多 田 字形相。 图 3 是偏析区的显微组织, 图 4 是比较典型的 田 字形照片, 刚劲有力。其成长过程如图 3 中箭头所 指依次由晶芽形成的 十 字形一次晶轴, 在 十 字 形晶轴的端部垂直长出二次晶轴, 最终封闭成 田 字形, 在空间它是立方体。
球状多面体和立方体是两种主要的形态特征, 除此还有切面是三角形、五边形的等等, 我们统称它 们为球状多面体。这些相未侵蚀时, 抛光面呈亮灰 色, 较初生硅明亮, 经 1g 氢氧化钠+ 100m l 水溶液 侵蚀后呈蓝色。经 20% 硫酸水溶液浅侵蚀后, 田
( c) 图 2 球状多面体铁相结晶长大历程 250
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图 5 铝锭光谱分析部位示意图 Fig. 5 Schematic diagr am of the positio n of ingot
alumimum for spectrogr aphic analysis
取样检查金相组织, 铝锭中部球状多面体铁相 ( FeM n) 3Si2A l15 群集 ( 见图 6) , 底部 相对少而 分散 ( 见图 7) , 上部近表面处则很难寻觅。
表 1 铝锭不同部位的化学成分( 质量分数) 测定结果
T ab. 1 Chemical composition analysis results of different posit ion of ingot alumimum ( percentage in mass) %
取样位置 S i Fe Cu Mn Mg Cr
Ni Zn
上 10. 64 0. 675 2. 25 0. 216 0. 156 0. 0117 0. 127 0. 466
中 10. 55 1. 19 2. 21 0. 553 0. 154 0. 0359 0. 130 0. 442
下 10. 89 0. 84 2. 34 0. 292 0. 165 0. 0166 0. 132 0. 462
181
蔡勖 勤: 铝硅系铸造铝合金中的铁相
图 3 ZL 108 偏析区的显微组 织( 未侵蚀) 100 Fig . 3 M icrostructure of ZL108 segregation, not etched
鉴于我们测定的热分析曲线结果和金相组织形 态与文献[ 1] 吻合, 因此, 这种球状多面体铁相应该 就是( FeMn) 3Si2A l15。同时可把该相 与汉字状、鱼 骨状、花卉状铁相( FeM n) 3SiA l12区别开来。
图 4 典型的 田 字形照片 270 20% 硫酸水溶液侵蚀
Fig. 4 T ypical photograph of shape 田 Etched w ith 20% suphuric- acid aqueous solution
侵蚀, 颜色不变。 根据文献[ 1] A-l S-i M n- Fe 四元系相图和给出的
蔡勖 勤: 铝硅系铸造铝合金中的铁相
例讨论铁相的另一种形态 成及其相关问题。
球状多面体铁相的形
2 ZL108 和 YL113( ADC12) 合金中的球状 多面体铁相
在铸造铝合金实际生产中, 追求低铁含量将会
导致生产成本的提高。在 ZL 108 和 YL113 合金铝
锭中, 一般铁含量在 0. 6% ~ 0. 8% 之间, 由于熔炼
( Fro m X ing yue Group Co LT D. , Zhejinag 321307, China)
Abstract: T he iron existed in casting aluminum alloys usually appears in the micr ostructur e by the shape of needle-
用铁坩埚和使用铁质工具, 铁会被熔蚀以及回炉废
旧料中铁带入等等, 使合金增铁, 因此铁含量会更高
些, 只要合金中配以相应比例的锰, 金相组织中就会
( a)
出现如图 1 所示的球状多面体铁相化合物。如果铁
锰配比恰当, 针状铁相会全部消失变为球状多面体
铁相( 本文不涉及变质处理) 。
( b)
图 1 Y L113 薄壁压铸件的组织 250 20% 硫酸水溶液侵蚀
汉字状、鱼骨状、花卉状等铁相 ( F eM n) 3SiAl12 或 Fe3SiA l12即 T 1 相结晶形态在各种有关书刊和金 相图谱中已为大家所熟悉, 本文根据作者长期的生 产实 践, 以 ZL108 ( GB/ T 1173 - 1995) 和 YL 113 ( GB/ T 15115- 1994) ( JIS42212ADC12) 两种合金为
反应温 度和反应 过程, 该相可能 是由 ( F eM n) Al6, F eA l3, F e2SiA l8 或 F eSiA l5 与合金溶液通过包晶反
应形成的( FeM n) 3Si2Al15相。在铝硅系合 金中, 当 锰铁总量在 0. 8% 以上时, 也可直接从液体中呈一 次晶多面体析出。文献[ 2] 也有相似的论述( 只是未 见相应的金相图片) , 认为它是( FeM n) 3SiA l12初生 晶体, 并呈六方 小粒状( 虽 然其化合物为立方 体) 。 我们[ 3] 也曾用扫描电镜对该相作电子探针点分析, 确定该相含有铝、铁、锰、硅和少量铜, 同时也做了 X 衍射相分析, 证明上述各种形态的偏析相同属一种 化合物, 但是一些重要数据查不出相应的衍射卡片, 最终无法确定是何种化合物。
以中 和 铁 的 有 害 作 用, 使 之 改 变 成 为 汉 字 状、鱼 骨 状、花 卉 状 和 球 状 多 面 体 形 态。 但 ( FeM n) 3Si2A l15球状多面体, 因硬度高, 给机械加工带来困难, 应使之尽可能均匀分布且数量要少。 当铁锰含量偏高时, 可采用简单的工艺方法将铁锰含量降至适当的水平, 使( FeMn) 3Si2Al15相尽可 能少。
20% 硫 酸水溶液侵蚀 F ig. 2 Gr owthing history of crystal of globate
polyhedron iron phase Etched with 20% sulphuric- acid aqueous solut ion
字形相出现 经脉 ( 图 4) , 多边形相出现 台阶 ( 图 1 和图 2c) ; 经深侵蚀后( 65 侵蚀 30~ 40s) , 这些相 被溶去呈黑色。不管是多边形相还是 田 字形相, 上述几种试剂的侵蚀结果均相同, 而初生硅则不被
第 39 卷第 4 期 2003 年 4 月
试验研究
理化检验- 物理分册
PTCA ( PA RT A: PHY SICAL T EST ING )
V ol. 39 No. 4 A pr. 2003
铝硅系铸造铝合金中的铁相
蔡勖勤
( 星月集团有限公司, 浙江永康 321307)
摘 要: 论述了 ZL 108 和 Y L113 合金中的( FeMn) 3Si2A l15球状多面体形态及偏析。铁在铸造 铝合金中通常以针状化合物的形态出现在金相组织中, 使合金力学性能恶化, 加适当比例的锰可
收稿日期: 2002-10-17 作者简介: 蔡勖勤( 1933- ) , 男, 工程师。
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铁是铝合金中有害的杂质元素, 其含量必须严格加 以限制。
锰是中和铁有害作用的有效元素, 添加适量的 锰可使针状铁相改变结晶形态为汉字状、鱼骨状和
花卉状等等, 从而在一定程度上改善合金的力学性 能, 消除脆性。这体现在 GB/ T 1173- 1995 锰作为 主要合金元素列入许多牌号铝合金的标准中, 使之 与铁保持彼此互相配合的比例关系。
3 球状多面体铁相的偏析
在文献[ 3] 中已叙述了 ZL108 合金中球状多面 体铁 相 ( F eM n ) 3Si2A l15 的 偏 析, 下 面 是 Y L 113 ( ADC12) 合金在铝锭自动生产线上产生的偏析。
铝锭自动生产线是在熔炼完成后, 铝合金液自 20t 熔炼炉中放出, 注入按一定速度运转的一个个 锭模中, 在锭模的底部喷水冷却, 以达到顺序凝固和 加速冷却的目的。在一次取样检验时发现铝锭剖面 的上、中、下各部位的化学成分有相当大的差异。直 读光谱 的化 学成 分 分析 数据 见表 1, 分析 部位 见 图 5。
关键词: 铁相; 球状多面体; 偏析
中图分类号: T: 1001- 4012( 2003) 04- 0180-04
T HE IRON PHASE EXIST ED IN A-l Si CAST ING ALU M INU M ALL OYS
CAI Xu-qin