浅议铁元素对铝合金的影响

王远　张若凡

摘要：6系列铝合金是指通过浇铸、挤压而成的合金材料，具有良好的加工性能，在多个领域内得到广泛应用。在GIS产品中，6系列铝合金广泛应用于法兰、母线、管材和棒材等。不同铁元素含量在6系列铝合金的电学性能、机械性能的影响有着决定性的作用，如若处理不好，容易发生各类生产事故。6063铝合金通常用作导电产品的导体、触头等，是一种常见的铝合金材料。因此，有必要对6063铝合金中Fe元素的作用进行研究。

关键词：6系列铝合金；铁元素；影响消除方法；合金材料；耐腐蚀性；机械性能 文献标识码：A

中图分类号：TG115 文章编号：1009-2374（2015）05-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0368

1 概述

6系列铝合金是指通过浇铸、挤压而成的合金材料，除了NC2标号之外，其余都是以6字头命名的，其中6063为常规型号。6系列铝合金在机械加工、汽车、飞机、船舶制造、通讯设施、建筑型材、农业管网等领域得到广泛应用。因为其具有良好的加工性能，在实际应用中，可以被加工成管、棒、方形以及各种异型，是一种常见的铝合金材料。

在生产实践中，由于6063铝合金中的Fe的变量对铝合金性能影响较大，会在后期加工中对型材的机械性能产生较大范围的改变，严重时可以导致氧化着色不均、机械性能降低等缺陷，所以，必须认真研究所含Fe元素对6063铝合金的负面影响。6063铝合金主要成分含量详见表1：

表1 6063铝合金化学成分

金属元素 Al Mg Si Fe Cu/Mn/Zn/Ti

含量（%） 98～99 0.45～0.9 0.2～0.6 0.3～0.35 ≤0.1

2 铁元素在6063铝合金中的影响

2.1 铁元素对6063铝合金的耐腐蚀性能的影响

在户外和潮湿环境中，金属材料等极易腐蚀。因此，对化学性质较为活泼的铝材的耐腐蚀性能要求较高。

纯铝以及铝合金在空气中很容易氧化，生成致密坚实的氧化膜，具有很好的自我保护作用，而且，当氧化膜被破坏的时候，还可以与氧气反应，重新生成氧化膜，具有很好的“自愈”功能。但是，铁元素对铝合金的这种“自愈”功能却有着严重的影响。随着铁含量的增加，铝合金的腐蚀程度依然是呈现剧烈的增长势头。实验可知，铁含量近乎0的时候，年腐蚀深度最小；铁含量增加到0.1%，年腐蚀深度增加到2倍；铁含量增加到0.3%，年腐蚀深度增加到4倍；铁含量增加到0.4%，年腐蚀深度增加到近乎6倍；这是因为铝与铁的电势差高达1.2V，铁元素以A1FeSi、FeA13等化合物存在，散布在铝合金各个地方，先产生点腐蚀，然后逐步沿着晶线方向发展，由点腐蚀发展成剥层腐蚀，消弱了铝合金的耐腐蚀能力。

2.2 铁元素对6063铝合金机械性能的影响

Fe原子在铝合金中可以形成各种形状的铁相，其中以片状铁相最易形成、最为常见，该铁相的最大负作用是可以造成铝合金基体的断裂，降低铝合金的机械性能。不同的铁元素含量对铝合金主要机械性能影响情况见表2：

表2 铁元素对铝合金机械性能的影响

Fe含量（%） 腐蚀相对损失率（%） 铁相形态 耐腐蚀性拉伸强度（MPa） 延伸率（%）

0.3～0.35 8 粗大针片状β相 106（弱） 0.9

0.25 6 细小片状 158（中） 1.1

0.2 3 汉字状

α相 174（强） 1.6

由此可知，为了满足生产加工的需要，就需要对铝合金中的Fe元素含量进行调整，从而消除Fe元素的有害作用。通过金相研究得知，Fe多以富铁质金属化合物的状态存在于铝合金中，其中，粗大针片状β铁相具有小面特征，会割裂基体，造成应力集中，降低合金的力学性能，降低其伸长率，对其塑性造成不利影响。因此，消除β铁相具有重要意义。

2.3 相关的数据分析与总结

铁铝基合金材料在加入不同的金属非金属元素之后，可以表现出强度高、耐腐蚀、抗氧化、重量轻等机械特点。

当铝合金在铸造和拉伸的时候，由于Fe、Al、Ti、Si、B等元素在一定的温度下可以形成复合粒子，所以会出现铸造缩孔、氧化膜等缺陷，其最大屈服强度为216.64MPa，随着拉伸长度的增加而逐渐减小；最大断裂强度为224MPa，表现为先减小后增大的特性。这是因为，在共晶粒子与基体结合部出现的裂纹，其发展方向是沿着柱状晶的生长方向发展的，当受到方向不一致的共晶粒子的阻挡的时候，就会增大断裂强度。

通过实验，可以得知，α-Fe固熔体弥散分布于基体之中，当加入1.5%Ti、0.1%B，可以有效抑制柱状晶的形成，铝合金的抗拉强度为585MPa，此时铝合金的塑性较差。当加入1.5%Ti、0.1%B、3%Mn，Fe-AI合金的抗拉强度为530MPa，虽有小幅度的下降，但是其伸长率≥4%，延展性明显得到提高。

3 消除Fe相的有害作用两种思路的应用

消除Fe相的有害作用，多依据两种思路而行：（1）改善Fe元素在铝合金内部的形貌形成，减少危害较大的针状铁相，使其变为危害较小的汉字状α相或其他形状；（2）通过物理或化学方法，降低铝熔体中Fe元素的含量。

3.1 改变Fe相的存在形貌

3.1.1 加入其他金属中和Fe相。通过加入特定的金属，将Fe分子的排列形态变成汉字状α相，减少针状β铁相，进而改变合金的强度、塑性与机械性能。常用金属Mn作为中和媒介，加入适量的Mn，可以有效减少β铁相的数量，甚至能够让β铁相完全消失。

3.1.2 熔体过热。根据β铁相在γ-氧化铝夹杂物上可以生核的原理，浇注过热铝液，人为制造充分过热条件，能够显著消灭有害富铁相的形核。将合金加热到导致合金结构发生变化的温度之上，然后迅速冷却，迫使粗大针片状铁相的生成受到抑制。

3.1.3 提高冷却速度。提高冷却速度，可以缩短铁相化合物的形成尺寸，在铝合金内部生成汉字状化合物，替代β铁相的生成。研究证明，低速（O.1℃/s）冷却可以促进β铁相的形成，高速（10℃/s）冷却可以有效减少β铁相的产生。另外，提高冷却速度还可以促进铁相的均匀分布，从而降低应力不均匀的危害。

3.1.4 热处理。常用的热处理方法如下：加热铝合金到液相线之下的某一温度并保持住，经过一段时间，富Fe相即被溶解，发生碎断和球化变化。

3.2 降低铝熔体Fe元素含量

3.2.1 稀释法。把纯铝或含铁量较低的铝合金，投入到含铁量较高的铝熔体中，从含量百分比的角度降低铝合金的含铁量。

3.2.2 沉淀法。沉淀法有两种：（1）自由沉降法；（2）化学沉淀法。

自由沉降法的原理是：初生铁相比铝熔体密度大，在过热温度下，静置铝合金熔体，一段时间后，富铁相就会下沉至熔体底部，类似水中沉淀泥沙。

化学沉淀法的原理是：在过热温度下，使用添加剂，与铁相发生化学凝聚或置换反应，生成密度更大的富铁相化合物，一段时间后，富铁相化合物从熔体底部析出。添加剂多使用含有Mn、Cr、Ni等金属元素的金属化合物。

3.2.3 离心法。根据离心力原理，铝合金熔体中密度较大的铁相会移向外缘，与铝熔体分离。该方法的优点是可以快速高效地降低铝合金的含铁量，缺点是浪费很大，生产工序增多。

在实际工作中，多采用综合办法以提高祛除效率。如中和剂+沉淀+过滤，中和剂+沉淀+离心法等。

4 结语

铝合金的耐腐蚀性和机械性能等性能都与铁元素含量有明显的关系。通过上述方法可以有效降低铁元素含量，可以有效改变铁相状态，从而提高了铝合金的机械性能。当铁相状态被改变后，铝合金的耐腐蚀性提高1～2.5倍，拉伸强度提高1.49～1.64倍，延伸率提高1.22～1.78倍，可以得到组织致密的铝合金原件，对机械加工有着极大的帮助。

参考文献

[1] 王杰芳，谢敬佩，翁永刚.铝合金中铁相形态及影响[J].铸造技术，2007，（9）.

[2] 王宗和，周光水.根据工艺和用途控制6063铝合金的成分[J].轻合金加工技术，2000，（12）.

（责任编辑：黄银芳）