铝铁合金的研究进展与应用状况

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ＦＯＵＮＤＲＹ
Ｓｅｐ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．９
快冷时之所以形成Ａｌ６Ｆｅ， 而不生成Ａｌ３Ｆｅ， 很可能是由 于 形 核 温 度 不 同 ， Ａｌ３Ｆｅ 所 需 的 形 核 过 冷 度 较 小 ， 而 Ａｌ６Ｆｅ所 需 的 成 核 过 冷 度 较 大［３］。
图１ 二元Ａｌ－Ｆｅ合金平衡相图的铝端 Ｆｉｇ． １ Ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ－ｒｉｃｈ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ－Ｆｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ
马 建 超 等［１２］发 现 不 同 的 Ｃａ 加 入 量 对 Ａｌ－５％Ｆｅ 合 金 中 富铁相的形核生长方式产生影响。加入Ｃａ后富铁 相以 花朵状形式存在， 并且随着Ｃａ含量的增 加花朵变得细 小有规则。当含Ｃａ量达到０．５％时， 富铁相主要以花朵 形式存在于基体上， 同时有部分细条状相， 但其尺寸 较之于不加Ｃａ时明显减小。研究认为， 当加入少量Ｃａ 元素时， Ｃａ能使凝固初期形成的微小结晶核心失效［１３］， 从而抑制Ａｌ３Ｆｅ相针片状的形核生长方式， 而使之 以花 朵状方式生长。随着Ｃａ加入量的增加， 合 金液粘度增 加， 液相中Ｆｅ原子扩散较慢， 且由 于Ｃａ对成分过冷的 促进作用， 于是液相中初生Ａｌ３Ｆｅ相结晶核心增多， 导 致 最 终Ａｌ３Ｆｅ相 尺 寸 减 小 。
图２ 包含有Ａｌ－Ａｌ３Ｆｅ及Ａｌ－Ａｌ６Ｆｅ的稳定及亚稳Ａｌ－Ｆｅ相图富Ａｌ端 Ｆｉｇ． ２ Ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ－ｒｉｃｈ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ－Ｆｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ｐｈａｓｅ
ｄｉａｇｒａｍ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ａｌ－Ａｌ３Ｆｅ ａｎｄ Ａｌ－Ａｌ６Ｆｅ ｅｕｔｅｃｔｉｃｓ
１ 铝铁合金的凝固特点
１．１ 共晶Ａｌ－Ｆｅ 合金 图１是 二 元Ａｌ－Ｆｅ合 金 平 衡 相 图 富Ａｌ侧［２］。 在９２８ Ｋ
时， 含１．７％～２．２％Ｆｅ （ 质量分数， 下同） 的Ａｌ－Ｆｅ合金 在 平 衡 条 件 下 将 发 生 共 晶 凝 固［３］， 形 成 由α－Ａｌ和Ａｌ３Ｆｅ
组成的共晶组织。Ａｄａｍ等［４］认 为， α－Ａｌ和Ａｌ３Ｆｅ的生长 方式与Ｇ／Ｒ （ 温度梯度／生长速度） 的值有关。在Ｇ／Ｒ较 小的情况下， α－Ａｌ相与Ａｌ３Ｆｅ相交替生长 。在生长的过 程中， 需要Ｆｅ原子从α－Ａｌ相界面前沿 向Ａｌ３Ｆｅ相界面前 沿扩散， 以 保证两相生长的浓度 条件。Ｆｅ原 子 扩 散 的 主要驱动力是α－Ａｌ相界面前沿的溶质浓度与Ａｌ３Ｆｅ层 片 边缘处溶质浓度的差， 根据Ａｄａｍ等人的计算结果， 实 际获得的浓度 差大于Ｆｅ原子达到极限 扩散速率 所 需 的 浓度差， 说明α－Ａｌ相呈连续界面生长。在Ｇ／Ｒ值较大的 情 况 下 ， α－Ａｌ相 与 片 状Ａｌ３Ｆｅ相 平 行 生 长 。Ａｌ－Ａｌ３Ｆｅ共 晶 相 间 距 λ与 生 长 速 度 Ｒ 符 合 关 系 式 ： λ２．６Ｒ＝３ １８０ （ μｍ３．６／ｓ） 。马冰等［５］采用热分析方法研究了Ａｌ－Ｆｅ合金的 共晶凝固， 发现冷却速度Ｖ与共晶Ａｌ－Ｆｅ合金层片 间距 具有如下关系： λ＝ ２７．９４－ ２７．６Ｖ。
Ｓ ｈｅ ｎｙａ ｎｇ １１００２３， Ｌｉａ ｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ ）
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｔｈｅ ｐｒｅ ｓ ｅ ｎｔ ｓ ｔａ ｔｕｓ ｏｆ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ｏｎ Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙｓ ｗａ ｓ ｓ ｕｒｖｅ ｙｅ ｄ， ｔｈｅ ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ ｃｈａ ｒａ ｃｔｅ ｒｉｓ ｔｉｃｓ ｏｆ ｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ， ｈｙｐｅ ｒｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙｓ ， ａ ｎｄ ｒａ ｐｉｄｌｙ ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｅ ｄ Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙｓ ｗｅ ｒｅ ｄｅ ｍｏｎｓ ｔｒａ ｔｅ ｄ， ｔｈｅ ｅ ｆｆｅ ｃｔｓ ｏｆ ｔｒａ ｃｅ ｅ ｌｅ ｍｅ ｎｔｓ ｓ ｕｃｈ ａ ｓ Ｃａ ， Ｍｇ， Ｍｎ， ＲＥ ａ ｎｄ ｓ ｐｅ ｃｉａ ｌ ｔｅ ｃｈｎｉｑｕｅ ｓ ｓ ｕｃｈ ａ ｓ ｔｈｅ ｒｍａ ｌ ｒａ ｔｅ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ， ｅ ｌｅ ｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅ ｎｔ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ， ｒｅ ｖｅ ｒｓ ａ ｌ ｍａ ｇｎｅ ｔｉｃ ｆｉｅ ｌｄ， ｕｌｔｒａ ｓ ｏｎｉｃ ｖｉｂｒａ ｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓ ｏｆ Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙｓ ｗｅ ｒｅ ｏｖｅ ｒｖｉｅ ｗｅ ｄ， ａ ｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅ ｎｔ ａ ｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙｓ ｗｅ ｒｅ ｅ ｌｕｃｉｄａ ｔｅ ｄ． Ｉｎ ａ ｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｐｒｏｓ ｐｅ ｃｔ ｏｆ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ａ ｎｄ ａ ｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙｓ ｗａ ｓ ｃｏｍｍｅ ｎｔｅ ｄ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： Ａｌ－Ｆｅ ａ ｌｌｏｙ； ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ ｃｈａ ｒａ ｃｔｅ ｒｉｓ ｔｉｃ； ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ； ａ ｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ
Ｓ ｕｒｖｅ ｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｍｅ ｎｔ ａ ｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ－Ｆｅ Ａｌｌｏｙｓ
ＸＩＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｃｈｕｎ， ＷＡＮＧ Ｊ ｉｎｇ－ｙｕａ ｎ， ＺＨＯＵ Ｚｈｅ ｎ－ｐｉｎｇ， ＱＵ Ｙｉｎｇ－ｄｏｎｇ， ＬＩ Ｒｏｎｇ－ｄｅ （Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌｓ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｓ ｈｅ ｎｙａ ｎｇ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ，
２ 铝铁合金微观组织的影响因素
２．１ 合金元素的影响 ２．１．１ Ｆｅ的影响
周 振 平 等 ［１１］研 究 了 不 同 含 Ｆｅ 量 的 Ａｌ－Ｆｅ 合 金 中 Ａｌ３Ｆｅ 相形貌 和合金硬度的变化 规律。研究发现， 当Ｆｅ含 量 在２％到３５％之间变化时， Ａｌ３Ｆｅ相的形貌由细小针状向 针片状、粗大的长针片状、条状、板条状、块状转变。 ３０％Ｆｅ含 量 是 分 界 线 ， 当Ｆｅ含 量≥３０％时 ， Ａｌ３Ｆｅ相 形 貌总 体上呈块状。分析认为， 随着Ｆｅ含量 的 增 加 ， 初 生Ａｌ３Ｆｅ量的增多， 长大空间受到约束， 择优方向 的生 长被抑制， 因而大部分Ａｌ３Ｆｅ相长成块状。当含Ｆｅ量在 ３６．５％ 和 ４１％ 之 间 时 ， Ａｌ－Ｆｅ 合 金 的 组 织 全 部 是 初 生 Ａｌ３Ｆｅ相组成的金属间化合物， 合金强度很低。而合 金 的硬度值随含Ｆｅ量 的增加而提高。当含Ｆｅ量＜３０％时 ， 硬度值的增加趋势比较平缓； 当含Ｆｅ量增加到３０％时， 合金的硬度值陡然增大。从耐磨性的角度来讲， 增加 含Ｆｅ量对提高合金的耐 磨性是有利的， 但 是 含Ｆｅ量 大 于３０％时， 需要消除缩松缩孔缺陷。 ２．１．２ Ｃａ的影响
在 激 冷 条 件 下 ， Ａｌ－Ｆｅ合 金 凝 固 将 形 成Ａｌ－Ａｌ６Ｆｅ共 晶 组 织［６］。 但 Ａｌ－Ａｌ６Ｆｅ共 晶 一 般 只 在 生 长 速 率 大 于 １００ μｍ／ｓ时产生。Ａｌ－Ａｌ６Ｆｅ共晶 的层片间距λ与生长 速 率Ｒ 满足关系式： λ２Ｒ＝ １０．２ μｍ３／ｓ。
收稿日期： ２００５－ １０－ １９收到初稿， ２００６－ ０１－ １０收到修订稿。 作者简介： 向青春 （ １９７２－） ， 男， 湖南衡东人， 副教授， 主要从事铸造合金的开发和制备、型砂性能检测和控制、快速凝固制取金属粉末等方面
１．２ 过共晶Ａｌ－Ｆｅ 合金 过 共 晶Ａｌ－Ｆｅ合 金 在 凝 固 时 先 析 出 初 生Ａｌ３Ｆｅ 相 。 在
凝固界面前沿， 初生Ａｌ３Ｆｅ相枝晶尖端为柱状， 四周有 若干层片呈放射状生长， 不同枝晶周围的薄片相互接 触并焊合， 形成片状Ａｌ３Ｆｅ相。而在生长速率很大的情 况下， 枝晶侧面的薄片没有足够的时间发展， 各枝晶 间不能形成集结， 所以Ａｌ３Ｆｅ相呈针状。对于含９．５％～ ２８．１％Ｆｅ的Ａｌ－Ｆｅ合金， 在１０ ℃／ｍｍ的 温 度 梯 度 下 ， 生 长速率在１０～５ ０００ μｍ／ｓ范围内， 生长速率Ｒ及温度梯 度Ｇ与Ａｌ３Ｆｅ相层片间距λ有如下关系［７］： λＧ１／２Ｒ１／４＝ ４３±８ （ μｍ３／４Ｋ１／２ｓ－１／４） 。 初 生Ａｌ３Ｆｅ相 形 成 后 ， 剩 余 液 相 中Ｆｅ含 量降 低， 在较高的生长 速 率 下， 会 有α－Ａｌ与 共 晶 竞 相 生长的情况。在更高 的 生 长 速 率 下， 棒 状α－Ａｌ枝 晶 的 生 长 抑 制 了 共 晶 及 初 生 Ａｌ３Ｆｅ 相 的 生 长 。 随 生 长 速 率 的 降 低， Ａｌ３Ｆｅ相 层 片 间 距 增 大 ， 其 周 围 溶 质 浓 度 很 低 ， 这就促使α－Ａｌ在Ａｌ３Ｆｅ相周围形核生长， 直至剩余液相 中Ｆｅ含量达到共晶成分， α－Ａｌ的生 长被共晶生长所代 替［８］。 １．３ 铝铁合金的快速凝固
Ａｌ－Ｆｅ二元合金在平衡条件下， 由α－Ａｌ和Ａｌ３Ｆｅ相组 成。随着冷却速度的提高， 固／液界面处于局域的平衡 或亚稳平衡状态， 共晶中的金属间化合物还可能以亚 稳相Ａｌ６Ｆｅ和ＡｌｍＦｅ的形态出 现 。目 前 ， Ａｌ－Ａｌ６Ｆｅ亚 稳 平 衡相图已经确定， 如图２示。从图２可见： 对于某一过 共 晶 成 分 的Ａｌ－Ｆｅ熔 体 ， 当 合 金 的 温 度 在 Ａｌ３Ｆｅ与Ａｌ６Ｆｅ 的液相线温度之间时， 只有Ａｌ３Ｆｅ可能析出； 当 合金的 温度在Ａｌ６Ｆｅ和α－Ａｌ的液相线温度之间时， Ａｌ３Ｆｅ与Ａｌ６Ｆｅ 都 可 能 析 出 ； 当 合 金 温 度 小 于α－Ａｌ的 液 相 线 温 度 时 ， 稳 定Ａｌ３Ｆｅ 相 、 亚 稳 Ａｌ６Ｆｅ 相 及 α－Ａｌ 相 都 同 时 具 备 了 析 出 的热力学条件［９］。
铝合金一直以质轻、延展性好等特点广泛应用于 各个工业领域。对于铝合金家族中的铝铁合金， 由于 其既保持了铝合金质量轻的特点， 又具有硬度高、耐 热、耐磨、抗腐蚀等优良力学性能， 已经越来越受到 关注。
从２０世纪７０年代开始， 人们已经把Ａｌ－Ｆｅ合金作为 一 个 合 金 系 来 研 究 。 至 今 Ａｌ－Ｆｅ 合 金 尚 未 作 为 一 种 工 程 结构材料应用于工业生产实践中， 是由于普通熔铸 Ａｌ－Ｆｅ合金的Ａｌ３Ｆｅ相粗大， 割裂基体， 大大降低其力学 性 能［１］。 但 是 Ａｌ－Ｆｅ合 金 质 量 轻 、 耐 热 性 好 、 原 料 丰 富 、 价格低， 可以部分取代钛合金、常规耐热铝合金和钢 等材料， 使构件质量和成本大幅度下降， 因此在航空、 航天、兵器和汽车等领域具有广阔的应用前景。
Ｇｒｉｇｅｒ等 ［１０］通 过 试 验 得 出 了 熔 体 成 分 和 冷 却 速 度 对 亚稳相形成的影响 规律。高于共晶Ｆｅ含量 的 合 金 ， 含 Ｆｅ量越高， 形成Ａｌ６Ｆｅ和ＡｌｍＦｅ亚稳相所对应的冷却速度 就 越 大 。 随 着 冷 却 速 度 的 提 高 ， Ａｌ３Ｆｅ 平 衡 相 先 是 被 Ａｌ６Ｆｅ相取代， 在更 高的冷却速度下则 被ＡｌｍＦｅ相 取 代 。
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!!!!!" 专题综述
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铸造
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铝铁合金的研究进展与应用状况
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向青春， 王静媛， 周振平， 曲迎东， 李荣德 （ 沈阳工业大学材料科学与工程学院， 辽宁沈阳 １１００２３）
摘要： 综述了Ａｌ－Ｆｅ合金的国内外研究现状， 阐述了 共 晶 、过 共 晶 铝 铁 合 金 及 其 在 快 速 凝 固 条 件 下 的 凝 固 特 点 ， 概 述
了 添 加 Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ、ＲＥ等 微 量 元 素 及 采 用 热 速 处 理 、 电 流 处 理 、 交 变 磁 场 、 超 声 振 动 等 工 艺 条 件 对 Ａｌ－Ｆｅ合 金 微 观 组 织的影响规律， 叙述了目前Ａｌ－Ｆｅ合金的应用状况， 并对铝铁合金的研究及应用前景进行了展望。
关键词： Ａｌ－Ｆｅ合金； 凝固特点； 微观组织； 应用 中图分类号： ＴＧ１４６．２ 中图分类号： Ａ 文章编号： １００１－ ４９７７ （ ２００６） ０９－ ０８７５－ ０５