丁杰　孙兆鑫　潘海成

【摘 要】铝铁合金中铁元素固溶强化，合金抗拉强度得到提高。加入钪锆变质剂后，初生富铁相和铝基体相晶粒都得到均匀细化，合金的力学性能再次得到提高。探讨了金属元素和稀土元素对铝合金的强化作用机理。

【关键词】铝铁合金;变质剂;抗拉强度;强化作用

中图分类号： TG27 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）10-0110-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.046

The Effect of Alterative on Microstructure and Properties of Al-Fe Alloy

DING Jie SUN Zhao-xin PAN Hai-cheng

（Suqian College，Suqian Jiangsu 223800，China）

【Abstract】The tensile strength of the Al-Fe alloy is improved after the Iron solid solution enhancement.Then both the primary rich-iron phase and aluminum matrix phase grains are uniformly refined and the tensile strength of the Al-Fe alloy is improved again after adding the alterative of scandium and zirconium.The mechanism on the reinforcement effects of metallic and rare earth elements compound alloying on the aluminium alloy was analyzed.

【Key words】Al-Fe alloy;Alterative;Tensile strength;Reinforcement effect

铝铁合金保有铝合金质轻的特点，还具有硬度高，耐磨性、耐蚀性和耐高温性良好等一系列优点，成为能降低工程构件质量和成本的有效材料[1-4]。但与铝合金家族中的铝硅合金相似[5]，在铸造过程中会出现粗大的针片状相，从而造成应力集中，降低合金的力学性能。为了提高合金的力学性能，可以在改善浇注条件的基础上，添加变质剂以达到细晶强化[6-7]和固溶强化的效果。

1 试验材料及方法

试验用Al-6%Fe合金材料由工业纯铝和Al-15%Fe中间合金按比例配制而成，变质剂添加由Al-2%Sc及Al-4%Zr中间合金形式加入。

将切成小块的纯铝在高温箱式电阻炉加热到750℃后保温熔化一段时间，待出现一定量的液态金属液后再加入细小块状的Al-Fe、Al-Sc和Al-Zr中间合金，继续升温到900℃，保温并充分熔化、搅拌和精炼扒渣，保温5min后迅速浇注到已充分预热的尺寸为？准12mm×60mm的金属铸型中冷却至室温。截取部分试棒进行研磨、抛光、腐蚀和烘干，在金相显微镜下观察合金的组织形貌。选取试棒加工成拉伸试样（尺寸见图1）后进行拉伸试验。

2 试验结果及分析

2.1 合金力学性能的变化

Al-6%Fe合金中加入微量Sc、Zr元素后，合金的拉伸力学性能发生变化，如图2所示。由图可见，铝铁合金中由于铁元素的固溶强化作用，合金抗拉强度提高，加入微量钪锆变质剂后合金强度继续得到提高。

2.2 合金微观组织的变化

图3所示为Al-6%Fe合金加入变质剂前后的铸态组织形貌。由图a）可见，未加入钪锆时，Al-6%Fe合金组织中有粗大的针片状相，且凌乱分布。加入微量钪锆变质剂后，合金铸态组织形貌发生明显变化。由图b）可见，合金铝基体相晶粒圆整均匀，粗大的针片状相慢慢分叉，逐渐向树枝状和花朵状转变，合金整体铸态组织有明显的均匀细化效果。

a）Al-6%Fe

未变质组织形貌

2.3 分析与讨论

钪锆变质铝铁合金组织形貌明显细化，抗拉强度提高，是合金固溶强化和细晶强化共同作用的结果。

Al-Fe-Sc-Zr合金中金属元素和稀土元素的加入具有固溶强化作用，即随着合金元素的加入，在合金熔体中形成Al-Fe、Al-Sc、Al-Zr、Al-Fe-Sc、Al-Fe-Zr、Al-Fe-Sc-Zr固溶体，起到提高强度的作用[8]。而且稀土元素的加入还能提高Al-Fe合金的脱氧效率[9]，均匀合金组织，这在图2中铝铁合金的抗拉强度数值增加得到体现。

但是金属元素和稀土元素在铝中的固溶度都很小，尤其是Fe元素，一旦超出固溶度极限就会形成粗大针片状相。同时固溶稀土元素原子为了抵消晶格畸变引起的自由能变化，会倾向于富铁相晶界上富集偏聚[10]，从而阻碍Fe原子的扩散，形成成分過冷。富铁相上的细小部分在成分过冷区域具有更好的长大条件[11]，使得针片状渐渐长成分叉状。这也是图3 b）中出现树枝分叉的原因。

微量钪锆变质剂加入铝铁合金中，还能起到均匀组织和促进晶粒细化的作用。合金熔体超出固溶度析出的Al3Sc和Al3Zr粒子具有与α-Al基体非常接近的晶格类型和晶格常数[12]，可以在铝合金凝固过程中起到异质形核核心[13]的作用，提高形核率，从而细化合金晶粒尺寸。这是图3b）中铝基体相晶粒逐步均匀圆整的原因，合金整体铸态组织有明显的均匀细化作用。同时Sc、Zr元素还能起到第二相弥散强化的作用，所以如图2中所示，变质后合金的抗拉强度再次提高。

3 结论

1）微量金属元素和稀土元素的加入起到固溶强化的作用，提高合金的强度。

2）钪锆变质剂的加入起到细晶强化的作用，细化均匀合金组织，改善合金的力学性能。

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