摘要：在汽车、航空等领域迅猛发展的时代，铝的重要性不言而喻，再生铝回收利用备受瞩目。然而，杂质 Fe 严重困扰再生铝质量。因其在铝熔体溶解度低，易形成针片状富 Fe 相，如 Al₁₃Fe₄等，这些相会引发应力集中，削弱铝合金力学性能。当前虽有离心、添加中和元素（如
导读
深入探究铝合金中典型富 Fe 相在镁熔体中的演变行为，发现其结构转变呈核 - 壳形态，Al 含量降低可回收，为再生铝利用及金属间化合物调控提供关键思路。
在汽车、航空等领域迅猛发展的时代，铝的重要性不言而喻，再生铝回收利用备受瞩目。然而，杂质 Fe 严重困扰再生铝质量。因其在铝熔体溶解度低，易形成针片状富 Fe 相，如 Al₁₃Fe₄等，这些相会引发应力集中，削弱铝合金力学性能。当前虽有离心、添加中和元素（如 Mn）等处理手段，但对于 Al - Fe - Mn、Al - Si - Fe - Mn 及多元商用铝合金富 Fe 相在镁熔体中的演变研究尚少，此研究空白亟待填补，以突破再生铝发展瓶颈。
【研究亮点】
创新性地将多种铝合金引入镁熔体，精准揭示富 Fe 相演变细节。发现其均呈核 - 壳结构，如 Al - 2Fe - 2Mn 合金中 Al₆(Mn,Fe) 相转变为 Al (Fe,Mn) 和 Al₅(Fe,Mn)₂，且演变后富 Fe 相 Al 含量降低，为 Al 回收开辟新路径，为金属间化合物结构调控提供独特视角。
【文章来源】
山东大学、南通鸿劲金属铝业有限公司联合研究团队在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“铝合金中典型富Fe相在镁熔体中的演变行为研究”的文章，作者通过向镁熔体中引入Al-2Fe-2Mn、Al-12Si-2Fe-2Mn和ADC12铝合金，并进行熔体保温和冷却，在铸锭底部获得了富Fe相沉淀层。利用扫描电镜和X射线衍射技术研究了富Fe金属间化合物在Mg熔体中的形貌和结构特点，发现沉淀层中的富Fe相相较于初始铝合金中均发生了结构转变，呈核-壳结构形态。Al-2Fe-2Mn合金中的Al6（Mn，Fe）相在镁熔体中演变成了Al（Fe，Mn）和Al5（Fe，Mn）2；Al-12Si-2Fe-2Mn合金中的α-Al15（Fe，Mn）3Si2相和ADC12铝合金中的β-Al5Si（Fe，Mn）相均演变为Al5（Fe，Mn）2和（Fe，Mn）3Al0.7Si0.3。相比初始铝合金，演变后合金富Fe相中Al含量显著降低，即该部分Al溶解于镁熔体，进而可被回收利用。
【研究方法】
精心选用工业纯镁锭、铝锭等原料制备特定合金，按严格流程将合金引入镁熔体，经搅拌、保温、冷却获取沉淀层。运用场发射扫描电镜（SEM）与 X 射线衍射仪（XRD），结合能谱分析（EDS），对原始合金及沉淀层富 Fe 相进行全方位形貌、结构及成分剖析，确保数据精准可靠。
【图文解析】
1试验材料与方法
使用的材料包括工业纯镁锭（99.8%，质量分数，下同）、工业纯铝锭（99.8%）、工业纯晶体硅（99.9%）、Al-10Mn中间合金、Al-10Fe中间合金和商用ADC12铝合金。Al-2Fe-2Mn和Al-12Si-2Fe-2Mn合金按以下程序制备：首先，利用SP25（A）高频感应炉将铝锭在石英坩埚中熔化，随后在熔体中加入一定量的Al-10Mn和Al-10Fe合金并升温至1 000 ℃，对于Al-12Si-2Fe-2Mn合金则还需加入一定的结晶Si；待物料熔化后，将熔体保温10 min后浇注到铸铁型中。将富Fe相引入到镁熔体中的试验流程如下：首先，在RJ-2熔剂（40%～50%的MgCl2，35%～45%的KCl，5%～8%的CaF2，5%～8%的NaCl和CaCl2）的保护下，利用SG2-12-12电阻炉将100 g镁锭升温到750 ℃熔化，试验设备见图1。然后分别添加10%的Al-2Fe-2Mn、Al-12Si-2Fe-2Mn或ADC12铝合金到坩埚中；用石墨棒搅拌熔体并使合金完全熔化，随后将熔体在750 ℃下保温30 min；最后，将坩埚转移到空气中并冷却至室温。冷凝后，可在铸锭底部获得沉淀层，见图1。
图1试验装置与沉淀层示意图
1.沉淀层2.试样3.镁熔体4.RJ-2熔剂5.坩埚6.电阻炉
从铸锭底部的沉淀层中心切割合适大小的金相试样（图1中标注“5”），依次使用220、600和1 500目的SiC砂纸进行机械打磨，随后使用MgO（5%，质量分数）悬浊液对试样进行研磨和抛光，使其达到镜面效果。为分析Al-2Fe-2Mn、Al-12Si-2Fe-2Mn和ADC12铝合金及经镁熔体处理后所得沉淀层中富Fe相的形貌和结构，利用带有能量色散X射线光谱仪（EDS）的场发射扫描电镜（SEM，日立 SU-70）对试样以及原始合金进行观察，工作电压设定为15 kV，所测元素含量均为摩尔分数。使用Rigaku D/max-rB型X射线衍射仪（XRD）对试样和原始合金进行相结构测定。
2试验结果与分析
图2为Al-2Fe-2Mn合金的SEM微观形貌及XRD图谱。可以看出，黑色区域为Al基体相，灰白色富Fe相在基体上均匀分布，颗粒平均尺寸约为10 μm，该相具有Al6Mn结构。分析认为，该相中一部分Mn被Fe所替代，可表示为Al6（Mn，Fe）相。
图2Al-2Fe-2Mn合金的SEM图和XRD图谱
将Al-2Fe-2Mn合金加入到镁熔体后，由于富Fe相密度较大，在重力作用下，富Fe颗粒密集地沉降在沉淀层中。图3为Al-2Fe-2Mn合金加入镁熔体后所得沉淀层试样的SEM、EDS和XRD分析结果。底层可见大量的亮白色颗粒，而上层则几乎没有富Fe相的存在。相较于原始Al-2Fe-2Mn合金中的Al6（Mn，Fe）相，该处的富Fe金属间化合物仍保持近球状形貌，且无明显的尺寸变化。沉淀层主要由Mg、Al12Mg17和Al5Fe2相组成。近球状颗粒内出现明显的衬度差异，呈核-壳结构，心核相为Al（Fe，Mn），外壳相为Al5（Fe，Mn）2。
图3Al-2Fe-2Mn合金加入镁熔体后所得沉淀层试样的SEM、EDS和XRD分析结果
Al-Fe和Al-Fe-Mn系合金中常具有一定量的Si，为对比含Si富Fe相与不含Si富Fe相在镁熔体中演变行为的差异性，在上述Al-2Fe-2Mn合金的基础上，设计和制备了Al-12Si-2Fe-2Mn合金。随后，在相同的试验条件下将Al-12Si-2Fe-2Mn合金引入到镁熔体中，表征和分析了该合金中富Fe相在镁熔体中的演变特点。
除α-Al和Si相外，Al-12Si-2Fe-2Mn合金合金中还包含α-Al15（Fe，Mn）3Si2相，该相具有立方结构，晶格参数为a=b=c=1.264 3 nm 。在Al基体上分布着亮白色枝晶状的富Fe相。根据Al、Si、Fe和Mn元素的含量，可知其成分接近于α-Al15（Fe，Mn）3Si2，与XRD图谱结果相符。
Al-12Si-2Fe-2Mn合金加入到镁熔体后获得沉淀层组织中大量的块状富Fe相分布在Mg基体上，该富Fe相颗粒较完整，平均尺寸约为10 μm，呈现核-壳结构的形态特征。试样主要由Mg、Mg2Si、Fe3Al0.7Si0.3和Al5Fe2相构成。推测心核相为为（Fe，Mn）3Al0.7Si0.3，外壳相具有Al5Fe2结构，可表示为Al5（Fe，Mn）2。
图4Al-12Si-2Fe-2Mn合金的XRD图谱、SEM和EDS分析结果
图5Al-12Si-2Fe-2Mn合金加入镁熔体后所得沉淀层试样的SEM、EDS和XRD分析结果
ADC12铝合金主要成分为Al-Si-Cu-Fe-Mn，理论上其中的富Fe相为多元AlSiFeMn相。ADC12铝合金经压铸后的主要以灰色的针状和六边形状富Fe相为主。富Fe相为β-Al5Si（Fe，Mn）。ADC12铝合金加入到镁熔体中所得沉淀层的后富Fe颗粒不再保持完整的六边形特征，而是演变成了近球状形态。除Mg基体和Mg2Si相以外，试样中主要存在Al5Fe2和Fe3Al0.7Si0.3两种富Fe相。
图6ADC12铝合金的SEM和EDS分析结果
图7ADC12铝合金加入镁熔体后所得沉淀层试样的SEM、EDS和XRD分析结果
3分析与讨论
尽管上述富Fe相的演变与其在镁熔体中的溶解过程紧密相关，但演变后可能出现的晶体类型仍难通过理论模型、热力学计算等手段来准确预测，这是因为镁熔体中Fe元素的引入含量相对较高，超过了其在镁熔体中的最大溶解度。此外，由于高密度富Fe颗粒更倾向于沉积在熔体底部，因此，富Fe颗粒的溶解过程和镁熔体的凝固过程均远离了平衡条件。在本研究条件下，热力学计算在预测物相形成和演变方面失去了准确性。
图8Al-2Fe-2Mn-xMg和Al-12Si-2Fe-2Mn-xMg合金的计算相图
综上，将Al-2Fe-2Mn、Al-12Si-2Fe-2Mn和ADC12铝合金加入到镁熔体中后，其富Fe相演变行为存在类似之处，即所获得沉淀层中富Fe相颗粒均表现为核-壳结构，且外壳相均为Al5（Fe，Mn）2相。然而，对于不含Si的Al6（Mn，Fe）相来说，其演变后心核相为Al（Fe，Mn）相，而对于含Si的α-Al15（Fe，Mn）3Si2和β-Al5Si（Fe，Mn）相来说，演变后心核相均为（Fe，Mn）3Al0.7Si0.3。从核-壳结构的特点来看，初始Al-2Fe-2Mn、Al-12Si-2Fe-2Mn和ADC12铝合金的富Fe相虽历经各自的演变路径，但皆有演变为均一Al5（Fe，Mn）2相的趋势。然而，由于Al、Fe和Mn在镁熔体中的溶解度不同，且富Fe相中各元素向镁熔体中的扩散速率存在差异，致使诸如Al（Fe，Mn）和（Fe，Mn）3Al0.7Si0.3的中间相出现在了心核中。同时，由于镁熔体在空气中冷却速度较快，相转变难以进行完全，因而心核处物相被保留至凝固后的铸锭中。
前期研究表明，Fe3Al0.7Si0.3作为一种亚稳相，仅存在于较高的温度下，但该相中Al含量相较于上述Al6（Mn，Fe）、α-Al15（Fe，Mn）3Si2和β-Al5Si（Fe，Mn）相明显降低，这意味着该相在演变过程中部分Al被释放进入镁熔体中，从而可以被回收利用。因此，设计和优化熔体处理工艺，促使富Fe相多以Fe3Al0.7Si0.3相的形式存在，对于实现再生铝的高效回收具有重要作用。此外，本研究工作也表明，通过设计如本试验方案的熔体处理工艺，可获得常规条件下难以得到的物相。
【主要结论】
Al - 2Fe - 2Mn、Al - 12Si - 2Fe - 2Mn 和 ADC12 合金富 Fe 相在镁熔体中均发生显著形貌和结构演变，呈核 - 壳形态，且有向 Al₅(Fe,Mn)₂相转变趋势，心核相因合金初始成分不同而各异。受非平衡凝固影响，沉淀层富 Fe 相与热力学计算结果有偏差。富 Fe 相演变使部分 Al 溶入镁熔体可回收，本研究成果对再生铝回收及金属间化合物调控极具指导意义。
【本文引用格式】
中文：苏宏福，刘敬彬，程汉明，等。铝合金中典型富 Fe 相在镁熔体中的演变行为研究. 特种铸造及有色合金，2024，44（12）：1596 - 1602.
英文：SU H F，LIU J B，CHENG H M，et al. Evolution behaviors of typical Fe - rich phases of Al alloy in Mg melts. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（12）：1596 - 1602.
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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。
2024年第12期 - 特种铸造及有色合金
来源：特铸杂志
