淺議鐵元素對(duì)鋁合金的影響

1、    淺議鐵元素對(duì)鋁合金的影響    王遠(yuǎn)張若凡摘要：6系列鋁合金是指通過澆鑄、擠壓而成的合金材料，具有良好的加工性能，在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在gis產(chǎn)品中，6系列鋁合金廣泛應(yīng)用于法蘭、母線、管材和棒材等。不同鐵元素含量在6系列鋁合金的電學(xué)性能、機(jī)械性能的影響有著決定性的作用，如若處理不好，容易發(fā)生各類生產(chǎn)事故。6063鋁合金通常用作導(dǎo)電產(chǎn)品的導(dǎo)體、觸頭等，是一種常見的鋁合金材料。因此，有必要對(duì)6063鋁合金中fe元素的作用進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：6系列鋁合金；鐵元素；影響消除方法；合金材料；耐腐蝕性；機(jī)械性能 ：a：tg115 ：1009-2374（2

2、015）05-0072-02 doi：10.13535/ki.11-4406/n.2015.03681 概述6系列鋁合金是指通過澆鑄、擠壓而成的合金材料，除了nc2標(biāo)號(hào)之外，其余都是以6字頭命名的，其中6063為常規(guī)型號(hào)。6系列鋁合金在機(jī)械加工、汽車、飛機(jī)、船舶制造、通訊設(shè)施、建筑型材、農(nóng)業(yè)管網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)槠渚哂辛己玫募庸ば阅?，在?shí)際應(yīng)用中，可以被加工成管、棒、方形以及各種異型，是一種常見的鋁合金材料。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于6063鋁合金中的fe的變量對(duì)鋁合金性能影響較大，會(huì)在后期加工中對(duì)型材的機(jī)械性能產(chǎn)生較大范圍的改變，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致氧化著色不均、機(jī)械性能降低等缺陷，所以，必須認(rèn)真研

3、究所含fe元素對(duì)6063鋁合金的負(fù)面影響。6063鋁合金主要成分含量詳見表1：表1 6063鋁合金化學(xué)成分金屬元素 al mg si fe cu/mn/zn/ti含量（%） 9899 0.450.9 0.20.6 0.30.35 0.12 鐵元素在6063鋁合金中的影響2.1 鐵元素對(duì)6063鋁合金的耐腐蝕性能的影響在戶外和潮濕環(huán)境中，金屬材料等極易腐蝕。因此，對(duì)化學(xué)性質(zhì)較為活潑的鋁材的耐腐蝕性能要求較高。純鋁以及鋁合金在空氣中很容易氧化，生成致密堅(jiān)實(shí)的氧化膜，具有很好的自我保護(hù)作用，而且，當(dāng)氧化膜被破壞的時(shí)候，還可以與氧氣反應(yīng)，重新生成氧化膜，具有很好的“自愈”功能。但是，鐵元素對(duì)鋁合金的這

4、種“自愈”功能卻有著嚴(yán)重的影響。隨著鐵含量的增加，鋁合金的腐蝕程度依然是呈現(xiàn)劇烈的增長(zhǎng)勢(shì)頭。實(shí)驗(yàn)可知，鐵含量近乎0的時(shí)候，年腐蝕深度最??；鐵含量增加到0.1%，年腐蝕深度增加到2倍；鐵含量增加到0.3%，年腐蝕深度增加到4倍；鐵含量增加到0.4%，年腐蝕深度增加到近乎6倍；這是因?yàn)殇X與鐵的電勢(shì)差高達(dá)1.2v，鐵元素以a1fesi、fea13等化合物存在，散布在鋁合金各個(gè)地方，先產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，然后逐步沿著晶線方向發(fā)展，由點(diǎn)腐蝕發(fā)展成剝層腐蝕，消弱了鋁合金的耐腐蝕能力。2.2 鐵元素對(duì)6063鋁合金機(jī)械性能的影響fe原子在鋁合金中可以形成各種形狀的鐵相，其中以片狀鐵相最易形成、最為常見，該鐵相的最大

5、負(fù)作用是可以造成鋁合金基體的斷裂，降低鋁合金的機(jī)械性能。不同的鐵元素含量對(duì)鋁合金主要機(jī)械性能影響情況見表2：表2 鐵元素對(duì)鋁合金機(jī)械性能的影響fe含量（%） 腐蝕相對(duì)損失率（%） 鐵相形態(tài) 耐腐蝕性拉伸強(qiáng)度（mpa） 延伸率（%）0.30.35 8 粗大針片狀相 106（弱） 0.90.25 6 細(xì)小片狀 158（中） 1.10.2 3 漢字狀相 174（強(qiáng)） 1.6由此可知，為了滿足生產(chǎn)加工的需要，就需要對(duì)鋁合金中的fe元素含量進(jìn)行調(diào)整，從而消除fe元素的有害作用。通過金相研究得知，fe多以富鐵質(zhì)金屬化合物的狀態(tài)存在于鋁合金中，其中，粗大針片狀鐵相具有小面特征，會(huì)割裂基體，造成應(yīng)力集中，降低

6、合金的力學(xué)性能，降低其伸長(zhǎng)率，對(duì)其塑性造成不利影響。因此，消除鐵相具有重要意義。2.3 相關(guān)的數(shù)據(jù)分析與總結(jié)鐵鋁基合金材料在加入不同的金屬非金屬元素之后，可以表現(xiàn)出強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗氧化、重量輕等機(jī)械特點(diǎn)。當(dāng)鋁合金在鑄造和拉伸的時(shí)候，由于fe、al、ti、si、b等元素在一定的溫度下可以形成復(fù)合粒子，所以會(huì)出現(xiàn)鑄造縮孔、氧化膜等缺陷，其最大屈服強(qiáng)度為216.64mpa，隨著拉伸長(zhǎng)度的增加而逐漸減?。蛔畲髷嗔褟?qiáng)度為224mpa，表現(xiàn)為先減小后增大的特性。這是因?yàn)?，在共晶粒子與基體結(jié)合部出現(xiàn)的裂紋，其發(fā)展方向是沿著柱狀晶的生長(zhǎng)方向發(fā)展的，當(dāng)受到方向不一致的共晶粒子的阻擋的時(shí)候，就會(huì)增大斷裂強(qiáng)度。通

7、過實(shí)驗(yàn)，可以得知，-fe固熔體彌散分布于基體之中，當(dāng)加入1.5%ti、0.1%b，可以有效抑制柱狀晶的形成，鋁合金的抗拉強(qiáng)度為585mpa，此時(shí)鋁合金的塑性較差。當(dāng)加入1.5%ti、0.1%b、3%mn，fe-ai合金的抗拉強(qiáng)度為530mpa，雖有小幅度的下降，但是其伸長(zhǎng)率4%，延展性明顯得到提高。3 消除fe相的有害作用兩種思路的應(yīng)用消除fe相的有害作用，多依據(jù)兩種思路而行：（1）改善fe元素在鋁合金內(nèi)部的形貌形成，減少危害較大的針狀鐵相，使其變?yōu)槲：^小的漢字狀相或其他形狀；（2）通過物理或化學(xué)方法，降低鋁熔體中fe元素的含量。3.1 改變fe相的存在形貌3.1.1 加入其他金屬中和fe相

8、。通過加入特定的金屬，將fe分子的排列形態(tài)變成漢字狀相，減少針狀鐵相，進(jìn)而改變合金的強(qiáng)度、塑性與機(jī)械性能。常用金屬mn作為中和媒介，加入適量的mn，可以有效減少鐵相的數(shù)量，甚至能夠讓鐵相完全消失。3.1.2 熔體過熱。根據(jù)鐵相在-氧化鋁夾雜物上可以生核的原理，澆注過熱鋁液，人為制造充分過熱條件，能夠顯著消滅有害富鐵相的形核。將合金加熱到導(dǎo)致合金結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度之上，然后迅速冷卻，迫使粗大針片狀鐵相的生成受到抑制。 3.1.3 提高冷卻速度。提高冷卻速度，可以縮短鐵相化合物的形成尺寸，在鋁合金內(nèi)部生成漢字狀化合物，替代鐵相的生成。研究證明，低速（o.1/s）冷卻可以促進(jìn)鐵相的形成，高速（10/

9、s）冷卻可以有效減少鐵相的產(chǎn)生。另外，提高冷卻速度還可以促進(jìn)鐵相的均勻分布，從而降低應(yīng)力不均勻的危害。3.1.4 熱處理。常用的熱處理方法如下：加熱鋁合金到液相線之下的某一溫度并保持住，經(jīng)過一段時(shí)間，富fe相即被溶解，發(fā)生碎斷和球化變化。3.2 降低鋁熔體fe元素含量3.2.1 稀釋法。把純鋁或含鐵量較低的鋁合金，投入到含鐵量較高的鋁熔體中，從含量百分比的角度降低鋁合金的含鐵量。3.2.2 沉淀法。沉淀法有兩種：（1）自由沉降法；（2）化學(xué)沉淀法。自由沉降法的原理是：初生鐵相比鋁熔體密度大，在過熱溫度下，靜置鋁合金熔體，一段時(shí)間后，富鐵相就會(huì)下沉至熔體底部，類似水中沉淀泥沙?；瘜W(xué)沉淀法的原理是

10、：在過熱溫度下，使用添加劑，與鐵相發(fā)生化學(xué)凝聚或置換反應(yīng)，生成密度更大的富鐵相化合物，一段時(shí)間后，富鐵相化合物從熔體底部析出。添加劑多使用含有mn、cr、ni等金屬元素的金屬化合物。3.2.3 離心法。根據(jù)離心力原理，鋁合金熔體中密度較大的鐵相會(huì)移向外緣，與鋁熔體分離。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速高效地降低鋁合金的含鐵量，缺點(diǎn)是浪費(fèi)很大，生產(chǎn)工序增多。在實(shí)際工作中，多采用綜合辦法以提高祛除效率。如中和劑+沉淀+過濾，中和劑+沉淀+離心法等。4 結(jié)語鋁合金的耐腐蝕性和機(jī)械性能等性能都與鐵元素含量有明顯的關(guān)系。通過上述方法可以有效降低鐵元素含量，可以有效改變鐵相狀態(tài)，從而提高了鋁合金的機(jī)械性能。當(dāng)鐵相狀態(tài)被改變后，鋁合金的耐腐蝕性提高12.5倍，拉伸強(qiáng)度提高1.491.64倍，延