摘要：聚焦细晶 Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe 合金，深入探究 Mn、Cr 对富 Fe 相调控效果，发现二者可变质富 Fe 相，Cr 强塑化更佳，为再生铝合金利用提供关键支撑。

导读

聚焦细晶 Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe 合金，深入探究 Mn、Cr 对富 Fe 相调控效果，发现二者可变质富 Fe 相，Cr 强塑化更佳，为再生铝合金利用提供关键支撑。

铝合金在工业熔铸、加工及回收中常混入杂质 Fe，其在铝中固溶度低，易形成针片状富 Fe 相，如 β-AlFeSi 相。这些相会割裂基体、引发应力集中，损害合金力学性能，还影响流动性与铸造性能。亚共晶 Al-Si-Mg 合金（A356）虽应用广泛，但铸造时 α-Al 相粗大，杂质问题加剧。当前除 Fe 方法如电磁分离等成本高、难推广，改善富 Fe 相形貌成为研究热点，Mn 虽常用，但 Cr 研究较少且二者缺乏对比，本研究正是在此背景下展开，旨在填补空白、探寻更优调控策略。

【研究亮点】

创新性地对比 Mn、Cr 对特定细晶合金富 Fe 相调控作用，发现二者均可替换 β-AlFeSi 相中的 Fe 实现变质，将针片状富 Fe 相分别转变为鱼骨状 α-Al (Fe,Mn) Si 相和块状 α-Al (Fe,Cr) Si 相，且明确 Cr 使富 Fe 相尺寸更细小、分布更均匀，强塑化效果更优，为合金性能提升提供新路径。

【文章来源】

山东大学刘相法教授团队在2024年第44卷第12期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相的调控”的文章，作者通过加入0.5%的Al-TCB获得细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金，分别引入Mn、Cr来调控富Fe相，对比分析两种元素对富Fe相的调控效果及内在原因。结果表明，Mn、Cr均通过替换β-AlFeSi相中的Fe来变质富Fe相，可分别将针片状富Fe相变质为鱼骨状α-Al（Fe，Mn）Si相和块状α-Al（Fe，Cr）Si相，后者在合金中尺寸更细小，分布更均匀。当合金中添加0.1%的Mn（质量分数，下同）时，其抗拉强度、屈服强度及伸长率分别可达（327±9） MPa、（255±7） MPa和10.0%±0.8%，均比添加0.2%的Mn时要高；当合金中添加0.1%的Cr时，其抗拉强度、屈服强度及伸长率则分别可达（335±9） MPa、（270±6） MPa和11.4%±0.7%，亦高于添加0.2%的Cr时。在相同含量时，Cr对该合金具有比Mn更好的强塑化效果。该研究工作对于细晶A356铝合金（Fe≥0.15%）的绿色可再生利用具有重要意义。

【研究方法】

选用工业纯原料及多种中间合金制备 Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe 合金，经变质、细化、精炼及浇注等流程，在特定温度下添加不同含量 Mn、Cr 及 Al-TCB。利用光谱分析、拉伸测试、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、纳米压痕测试、布氏硬度计等设备，对合金成分、力学性能、微观组织及相结构进行全方位检测分析，确保数据全面准确。

【图文解析】

1试验过程与方法

试验原料主要包括：工业纯铝（99.7%，质量分数，下同）、工业纯Si（99%）、工业纯铁（99.8%）、电解Mn（99.9%），A1-50Mg、A1-10Sr、A1-10Cr等中间合金，以及A1-TCB晶种合金（TCB指B掺杂型TiC以及C掺杂型TiB2两种晶种的简称）。合金的制备过程如下。（1）配制Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金（2）变质及细化处理（3）精炼处理及浇注。将Mn、Cr分别加入经0.5%的Al-TCB变质及细化处理后的Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe熔体中，见表1。

图1室温拉伸试棒尺寸示意图

2试验结果与讨论

在Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中，Mn替换β-AlFeSi相中的Fe，从而改善β-AlFeSi相的组成与形貌。当Mn加入时，合金中的针片状β-AlFeSi相转变为鱼骨状或汉字状α-Al（Fe，Mn）Si相。合金中的α-Al（Fe，Mn）Si相大小及分布不均匀，且存在偏聚现象。

图2Mn对细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相形貌的影响及元素分布

与Mn类似，Cr也能替换β-AlFeSi相中的Fe以改善富Fe相形貌。加入Cr后，细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中的针片状β-AlFeSi相转变为细小的块状α-Al（Fe，Cr）Si相，与α-Al（Fe，Mn）Si相比，α-Al（Fe，Cr）Si相尺寸较小且其分布较为均匀。

图3Cr对细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相形貌的影响及元素分布

Mn含量为0.1%时，合金硬度（HBW）为97.5±0.9；Cr含量为0.1%时，合金硬度为（HBW）103.8±0.9。随着Mn和Cr含量分别增加至0.2%，硬度（HBW）则下降为91.7±0.8和101.5±1.0，分别下降了5.95%和2.22%。

图4Mn、Cr对细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金布氏硬度影响

Mn含量增至0.2%时，合金的屈服强度和抗拉强度，较Mn含量为0.1%时相比分别降低了5.88%、5.81%。Cr含量增至0.2%时，其屈服强度和抗拉强度，较Cr含量为0.1%时相比分别降低了3.70%、3.58%。强度变化与图4中布氏硬度的变化规律一致。此外，合金伸长率也表现出了相同的规律。Mn含量增至0.2%时，合金伸长率相较于Mn含量为0.1%时，降低了15.00%。Cr含量增至0.2%时，合金伸长率相较于Cr含量为0.1%时，降低了15.79%。综上，在细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中分别引入0.1%的Mn或Cr时，合金的力学性能分别比引入0.2%的Mn或Cr时要好。另外，在细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中引入Cr比引入同含量的Mn对于力学性能的提升更加有效。

图5Mn、Cr对细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金力学性能影响

随着细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中Mn或Cr含量升高，合金中富Fe相尺寸增大，且Mn、Cr在各自富Fe相中的成分占比亦增加。在合金中，Mn或Cr加入量相等的情况下，与α-Al（Fe，Mn）Si相比，α-Al（Fe，Cr）Si相的尺寸更细小。

图6加入不同含量Mn、Cr后细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中的相及相成分分析

采用TEM对β-AlFeSi相、α-Al（Fe，Mn）Si相及α-Al（Fe，Cr）Si相进行分析。

图7Mn、Cr对细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相结构的影响

当载荷相同的情况下，位移越小相的硬度越大，Cr含量为0.1%时合金中的α-Al（Fe，Cr）Si相显微硬度最高，Mn含量为0.2%时合金中的α-Al（Fe，Mn）Si相显微硬度最低。随着α-Al（Fe， Mn）Si相中Mn含量的增加，该相的显微硬度降低。与α-Al（Fe，Mn）Si相类似，α-Al（Fe，Cr）Si相显微硬度也随着该相中Cr含量增加而降低。

图8引入Mn、Cr后细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金载荷-位移曲线

图9引入Mn、Cr后细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相扫描探针形貌相

断口处细小且分布均匀的富Fe相能够抑制拉伸时裂纹的扩展，提高合金的强韧性，这也进一步解释了细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金添加Cr较添加Mn时力学性能提升的原因。

图10分别引入Mn、Cr后细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金断口横截面分析

α-Al（Fe，Cr）Si相对基体的割裂作用更低，也进一步解释了Cr含量为0.1%时合金塑韧性更好。

图11分别引入Mn、Cr后细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金断口纵截面形貌

【主要结论】

Mn 和 Cr 均能有效改善细晶 Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe 合金富 Fe 相形貌，分别形成鱼骨状和块状相，块状 α-Al (Fe,Cr) Si 相优势明显。在合金中，0.1% Mn 或 0.1% Cr 时合金力学性能优于 0.2% 添加量，且相同添加量下 Cr 强塑化效果更好。合金中富 Fe 相显微硬度随 Mn、Cr 含量增加而降低，与力学性能变化规律相符，进一步证实 Cr 对合金性能提升作用，为细晶 A356 铝合金绿色可再生利用奠定基础。

【本文引用格式】

中文：王旭，任晓明，侯星驰，等。细晶 Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe 合金中富 Fe 相的调控. 特种铸造及有色合金，2024，44（12）：1603 - 1609.

英文：WANG X，REN X M，HOU X C，et al. Regulation of Fe - rich phases in fine - grained Al - 7Si - 0.35Mg - 0.15Fe alloys. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（12）：1603 - 1609.

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【扩展阅读】

2024年第44卷第12期《特种铸造及有色合金》期刊上发布了“金属凝固细晶技术”专题，专题学术主编为山东大学刘相法教授和上海大学翟启杰教授，欢迎关注。

来源：特铸杂志