“双碳”背景下，新能源汽车渗透率快速提升，汽车减重将助力节能减排。铝合金密度低，“以铝代钢”“以铝代铜”是汽车轻量化、降本增效的重要课题[1]。压铸铝合金因成型方式简便高效、后加工量少，广泛应用于汽车、航空、3C 电子、电力电工等领域[2-4]。随着行业发展，铸铝转子、电力金具等零部件对铝及铝合金提出了高导电性和导热性、中等强度和高铸造性的要求，而传统商业压铸铝无法满足以上需求，因而需要深入研究新型铝合金。
根据金属强化理论[5]和马西森定律[6]可知，铝合金的导电性和强度存在固有矛盾，合金元素的加入会产生晶格畸变、引入缺陷、增加晶界数量，从而降低材料导电性和导热性、提升材料强度[7-8]。合金元素种类、含量、固溶状态是影响导电性、流动成型性的关键因素，共晶成分的铝合金(如Al-12Si)具有优异的流动性和抗热裂性，适合于压铸成型，但合金元素的大量加入严重损伤了导电性能[9-11]。研究人员在开发新型合金时，应平衡导电和机械性能之间的矛盾关系，探索新的合金体系。。Al-Ni 系合金是高导电材料的体系之一，但Ni 的价格高，因此研究低成本的合金体系对推动高导电材料规模化应用非常重要。Fe 元素成本低，可与铝元素生成Al3Fe、Al6Fe 等强化相，在提高强度的同时仅轻微降低导电率[12-13]。Al-Fe 合金共晶点为1.8%(质量分数)，低合金化即可达到共晶组织，实现好的铸造性能，提高压铸脱模性能，降低对模具钢的腐蚀[14]。本研究采用Al-Fe系合金实现高导电性、中强度、低成本和良好压铸性能的需求，系统地探究了不同Fe 含量对材料微观组织、导电率和机械性能的影响规律，并验证了材料的高温性能和热处理作用。
1 实验材料与方法
本实验在Al-Fe 系合金中加入0.02%B 元素，研究Fe 含量对Al-xFe-0.02B 合金性能的影响。在0.25%～3.0%区间设置7 个Fe 含量成分梯度，采用真空水冷铜坩埚感应熔炼炉将纯铝及中间合金熔炼得到合金铸锭，采用直读光谱仪SPECTRO MAXx07测试其成分，Fe 元素名义含量及实测含量如表1 所示。采用标准金相试样制备方法对试样表面进行打磨抛光腐蚀，用Olympus DSX510 金相显微镜观察抛光后试样合金的显微组织。每个成分梯度取3 个平行试样，采用Sigma2008A 导电率测试仪测试试样导电率，采用HVS200701 数字式维氏硬度计测试样品硬度，加载力为1 N，维持15 s 后卸力，取平均值得到最终数值。采用力劲160 T 压铸机压铸力学标准拉伸试样棒(图1)，压铸压力70～80 MPa，压铸温度为700～720 ℃，压射速度为2～3 m/s。每个成分点取3根Al-xFe-0.02B 压铸试棒于CMT5105 万能试验机进行拉伸测试，拉伸速率为2 mm/min，测试结果取平均值。
图1 实验样品图：(a)试棒压铸模具，(b)压铸试样，(c)试棒尺寸
Fig.1 Experimental sample images:(a)test bar die,(b)die-casted test bars,(c)test bar size
表1 Al-xFe-0.02B 合金Fe 元素名义含量及实测含量
Tab.1 Nominal and measured Fe content of the Al-xFe-0.02B alloys(mass fraction/%)
No.1# 2# 3# 4# 5# 6# 7#Nominal 0.25 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Measured 0.277 0.478 0.957 1.45 1.96 2.47 2.91
2 实验结果及讨论
2.1 显微组织
Al-xFe-0.02B 合金的光学显微组织如图2 所示。Fe 在Al 中的固溶度非常低，几乎所有添加的Fe都以中间相的形式存在[13]。通过观测压铸后1#～7#Al-xFe-0.02B 样品心部显微组织发现，Fe 含量为0.25%时，在显微镜下几乎观测不到Al-Fe 中间相的存在，此时合金属于亚共晶范围[17]，微观组织包含α-Al 相和少量的初生Al3Fe 相。Fe 含量增加至1.5%时，含量接近Fe 的共晶成分点1.8%[18]，可以明显观测到铝合金基体内均匀分布细长的针状Al3Fe相，长度约为5～15 μm。随着Fe 含量继续增加至3.0%，合金处于过共晶状态，Al3Fe 相的大小由细长针状变得粗大，长度进一步增加至15～25 μm，且数量也随之增多。此时，如果Fe 含量继续增大，将会在铝合金基体中观测到Al6Fe 相的生成[19-20]。
图2 Al-xFe-0.02B 压铸件微观组织：(a)0.25%,(b)0.5%,(c)1.0%,(d)1.5%,(e)2.0%,(f)2.5%,(g)3.0%
Fig.2 Microstructure of die-casted Al-xFe-0.02B alloys:(a)0.25%,(b)0.5%,(c)1.0%,(d)1.5%,(e)2.0%,(f)2.5%,(g)3.0%
2.2 导电率及硬度
采用3 点取平均值的方法得到不同Fe 含量合金压铸后的导电率及硬度，如图3 所示。Fe 含量在0.25%～0.5%之间时，合金导电率与纯铝相当，Fe 含量增加导电率微微提升。当Fe 含量区间为0.5%～3.0%时，合金导电率线性下降，但3.0%时依然保持较好的导电性，导电率为50%IACS；当Fe 含量为0.25%～3.00%时，硬度与Fe 含量呈正相关，Fe 含量＞1%时，硬度显著提升。在纯Al 中增加3.0%的Fe，硬度可提升至1.5倍。
图3 Al-xFe-0.02B 压铸件的导电率及硬度
Fig.3 Electrical conductivity and hardness and of die-casted Al-xFe-0.02B alloys
Al3Fe 相的析出和形貌改变使导电率下降、硬度提升。随着Fe 含量的增加，合金中长针状和鱼骨状Al3Fe 相的数量不断增多并变得粗大，逐渐连成网状结构。当铁含量＞2.5%时，中间相的含量＞30%。研究表明[21]，元素由固溶态转变为析出相可以降低晶格畸变，提升导电率。相比于细小弥散的中间相，大块、分支状的形貌对电子的散射作用更大，造成传导电子在传递过程中受到的阻碍剧增。随着Fe 含量的提升，固溶态的Fe 转变成中间Al3Fe 相提升导电率，与此同时中间相的增多和粗化则导致导电率下降，二者共同作用造成导电率先缓慢增加后线性下降的现象。硬质中间相的存在可以阻碍位错运动，提高材料硬度。
2.3 室温拉伸性能
Al-xFe-0.02B 压铸拉伸试棒充型完整、脱模顺利，表现出良好的压铸成型性，其拉伸性能如图4 所示。当Fe 含量从0.25%增加到3.0%，其屈服强度从41 MPa 提升至91 MPa，抗拉强度从72 MPa 提升至166 MPa，强度增加至原来的2.2～2.3 倍。与硬度的增加规律一致，硬质中间相的析出阻碍变形时位错在材料中的运动，中间相数量越多，变形的阻力越大，体现在宏观上即为强度的提升。另外，Al-Fe 共晶点低，少量Fe 的加入即可提升Al 基体的铸造流动性，在压铸过程材料中更易充型模腔，减少压铸缺陷，对强度提升起到正向作用。Fe 的加入使合金伸长率有一定下降，这是因为Al3Fe 相由球状颗粒长大成为粗针状，在变形过程中割裂基体，导致材料塑性变差，但整体仍然维持＞18%的高伸长率，再次验证了材料的压铸可行性。
图4 Al-xFe-0.02B 压铸件的拉伸性能
Fig.4 Tensile properties of die-casted Al-xFe-0.02B alloys
2.4 高温拉伸性能
Al-xFe-0.02B 应用于电机铸铝转子等零部件时，存在高温工况，其服役条件通常为室温至200 ℃。在此条件下，材料有可能因受热而发生性能变化。为此，选取6#、7#样品分别在100、150、200 ℃下研究温度对导电率和强度的影响。
如图5 所示，当温度升高时，金属离子振动加剧，对自由电子的移动散射作用增大，导致材料导电性下降。6#样品在200 ℃时导电率由53.3%IACS下降至49.4%IACS，7# 样品由50.6%IACS 下降至47.5%IACS，衰减率分别为7.3%、6.1%。材料在高温服役条件下发生软化，6#样品在200 ℃时的抗拉强度下降8 MPa，下降程度5.9%；7#样品在200 ℃时的抗拉强度下降17 MPa，下降程度10%。总体而言，材料展示出较好的高温稳定性。
图5 6#、7#压铸件高温性能：(a)导电率-温度曲线，(b)抗拉强度-温度曲线
Fig.5 High temperature properties of 6#&7#die-casted specimens:(a)electrical conductivity-temperature curve,(b)tensile strength-temperature curve
2.5 热处理对Al-Fe 合金的影响
考虑到材料在高温长时服役时，内部可能发生组织形貌或析出相改变，该过程类似于铝合金的时效处理。选取6#、7#压铸样品分别在150、180 ℃时效1、2、3 h 后空冷至室温并测试其导电及力学变化，实验结果如图6 所示。经过热处理后，材料中的主要强化相AlFe 相几乎不随温度发生改变，而晶格内部空位等缺陷释放，对导电是有利因素[22]，时效后材料的强度及导电性能均发生轻微提升，抗拉强度最大提升7 MPa，导电率最大提升1.4%IACS。
图6 热处理对6#、7#压铸件性能的影响：(a)导电率-时效制度曲线，(b)抗拉强度-时效制度曲线
Fig.6 The effect of heat treatment on the properties of 6#&7#die-casted specimens:(a)electrical conductivity-heat treatment condition curve,(b)tensile strength-heat treatment condition curve
3 结论
(1)Al-xFe-0.02B 合金具有良好的压铸成型性，材料导电率为50%IACS～60%IACS，硬度31～46 HV，屈服强度为41～91 MPa，抗拉强度为72～166 MPa，Al-Fe 系合金是适合开发兼具高导电、中强度、低成本、可压铸的合金体系。
(2)随着Fe 含量的增加，合金中Al3Fe 相的数量不断增多并变得粗大，逐渐连成网状结构，增大电子散射，降低导电率，但提高材料机械性能。Fe 含量为0.25%～0.5%时，Fe 含量的增加不会明显改变合金导电率，继续增加则会导致合金导电率线性下降。Fe含量由0.25%增加至3.0%时，材料机械性能提升明显，硬度提升至1.5 倍，强度提升至2.2～2.3 倍。
(3)在高温工况下，Al-Fe 系合金的导电率和强度下降不明显，总体表现出较好的高温稳定性能。对Al-Fe 系合金进行150、180℃时效1、2、3 h 后空冷至室温，可以轻微提升材料导电率和强度。
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