Al-5%Fe 合金轧制变形及组织性能研究

付大军  袁晓光  刘喜欢

摘要：利用电磁铸造及固态挤压技术制备Al-5%Fe 合金轧制坯锭，然后在不同工艺下进行轧制，研究该合金的轧制变形能力及合金的组织性能。研究发现：Al-5%Fe 合金具有良好的高温轧制性能，合金在变形过程中随着变形量的增加富铁相被逐渐细化，对基体的割裂倾向相应减小；该合金经轧制后抗拉强度、伸长率随变形量的增大而增大，当变形量达到80%时，其室温下的抗拉强度和伸长率分别较电磁搅拌态的提高了52.5%和277%；该合金的断裂方式基本上是沿富铁相的穿晶断裂。

关键词：铝-铁合金； 轧制； 组织； 性能

Al-Fe 合金是一种具有高耐热、耐磨性能的轻质合金^[1]，但由于铁在铝中的固溶度很低(＜0.005 mol%)，一旦超过固溶度极限，便与铝及其他元素化合，形成质脆的针状或板片状富铁相Al3Fe， 严重割裂基体，成为应力集中源，大大降低合金的力学性能[2]。当前采用的常规成形方法制备该类合金时， 无法解决高耐热、耐磨性要求，以及合金元素加入量高与合金组织粗大的矛盾，合金的耐磨、耐热性和力学性能无法同时保证，应用受到了极大的限制[3-4]。鉴于这种情况，在制备高耐热、耐磨Al-Fe 合金时，不得不采用材料复合或快速凝固等特殊制备技术。快速凝固技术虽然可以部分解决合金元素加入量与第二相尺寸粗大之间的矛盾， 但其复杂的工艺过程和高昂的制备成本， 限制了实际应用，特别是在民用领域。

板材轧制工艺可有效地细化组织， 尤其是对于过共晶铝铁合金的富铁相的细化效果更加显著，且工艺成本较低。但是采用普通铸造工艺制得的坯锭塑性较差， 因此本文利用电磁铸造及固态挤压技术制备轧制坯锭， 从而尽可能地减轻或消除铁相对铝基体的不良影响， 发挥Fe 在A1 中的优良作用，开发一种性能优异的耐热铝合金板材。

1 实验材料及方法

本实验所用材料为Al-5%Fe 合金，熔配合金所用的原材料主要有：纯铝，牌号为Al-00，铝含量不低于99.95%。Fe 元素以中间合金Al-20%Fe 的形式加入。熔炼在井式电阻炉中进行，覆盖剂的成分配比为45%NaCl 和55%KCl。精炼剂为六氯乙烷。采用自制的电磁搅拌设备对合金进行电磁搅拌处理；用1807 型轧机进行轧制；合金的抗拉强度及伸长率在CSS-55100 电子万能拉伸试验机上测试；在配有能谱分析系统的JSM-6301F 型冷场发射扫描电镜上观察试样的微观形貌以及拉伸断口。

2 实验结果及分析

通过观察轧制时边部裂纹情况研究轧制温度对Al-5%Fe 合金轧制性能的影响。实验结果见表1。可见，Al-5%Fe 合金在轧制温度为480℃、道次压下量为2mm、总变形量达到80%时制备的板材试样轮廓清晰，边部无明显大的裂纹，说明该合金在此温度下变性性能良好。

2.2 Al-5% Fe 合金变形过程中富铁相组织演变

由图1(a)可见，Al-5%Fe 合金的电磁搅拌态组织主要由基体相α-Al 和针状富铁相Al3Fe 组成。其中Al3Fe 相呈长度不均的针片状结构，数量较多。尺寸较大的Al3Fe 相是初晶相， 尺寸较小的Al3Fe 相是共晶相，其生长具有一定的方向性，但Al3Fe 相的分布不均匀，长度最大可达0.2mm。图1(b)、(c)、(d)的轧制温度为480℃，道次压下量为2mm。图1(b)是变形量为30%的组织，与图1(a)相比，富铁相的分布发生了较明显的变化，针状相已被轧碎，但其分布仍不均匀；当变形量达到60%时富铁相进一步破碎， 并且开始向周围分散开，分布趋向均匀化，见图1(c)；随变形量的继续增加(达到80%)时，富铁相的破碎程度更加明显，其平均尺寸为0.01mm，比电磁搅拌态尺寸缩小10 倍，基本以颗粒状均匀分布在基体上，尖端效应得到明显改善，并且出现了明显的链状分布，见图1(d)，这有利于合金力学性能的改善。

2.3 Al-5% Fe 合金的力学性能

表2 是不同变形量的Al-5%Fe 合金力学性能。可看出， 该合金的抗拉强度和伸长率在电磁搅拌态时最小，分别为96.2MPa 和7.6%。随变形量的增加二者呈单调递增趋势，在80%的变形量时抗拉强度和伸长率分别达到最大值，为146.7MPa 和28.7%，与电磁搅拌态合金相比二者分别提高了52.5%和277%。这是由于随轧制变形量的增加合金的组织更加致密， 尤其是富铁相形态的变化显著降低了其对基体的割裂倾向。

图2 是合金在不同变形量下的断口扫描照片。可看出， 合金电磁搅拌态时的断口组织中存在大量粗大的解理平台， 而且存在许多二次裂纹， 材料的断裂方式基本上是富铁相穿晶断裂，进一步证明了粗大富铁相对基体的割裂作用，见图2(a)。当变形量达到60%时合金的断口中出现大量韧窝，但韧窝上的撕裂棱角不明显，观察发现韧窝实际是由许多平滑的小平台组成， 这些小平台如同脆断的解理面，显然这种“韧窝”并不是韧性材料断口中常出现的韧窝， 而是由短条状的富铁相穿晶断裂形成的解理平台，见图2(c)。因此，合金断口即使有韧窝形态， 但其韧性也不能太高。随变形量的继续增加(达到80%)时韧窝形貌发生较明显的变化，具体表现为富铁相穿晶断裂形成的解理平台尺寸减小， 韧窝上出现明显的菜花状撕裂棱角， 显然这种“韧窝”就是典型的韧性韧窝，见图2(d)。以上结果说明， 随轧制变形量的逐渐增大， 第二相逐渐被破碎，尺寸越来越小，导致断口中解理平台尺寸也越来越小。当变形量足够大时断口中韧窝的数量占大多数，这也是轧制态合金力学性能较电磁搅拌态合金明显提高的主要原因。

3 结论

(1) Al-5%Fe 合金具有良好的高温轧制性能，合金在变形过程中随变形量的增加富铁相被逐渐细化，对基体的割裂倾向相应减小。

(2) Al-5%Fe 合金经轧制后抗拉强度、伸长率随变形量的增大而增大，当变形量达到80%时其室温下的抗拉强度和伸长率分别较电磁搅拌态的提高了52.5%和277%，但总体强度不高，只有146.7 MPa。

(3) Al-5%Fe 合金的断裂方式基本上是沿富铁相的穿晶断裂。

参考文献：

[1] 刘相法，边秀房，刘玉先，等．铝合金中Fe 相形态的遗传性及球化机制的研究[J]．金属学报，1997，33(10)：1062-1068．

[2] 谭敦强，黎文献，唐谊平，等．Al-Fe 系合金中的相及相转变[J].材料导报，2003，17(5)：18-22．

[3] Yu G，Gogotshi．Particulate silicon mitered-based composites[J]．J. Mater. Sci.，1994，29(10)：2541-2548．

[4] 杨江波，印飞．改善铝硅合金中铁相形态的措施[J]．铸造，2000，(8)：454-458．