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2025

驰能铝业前沿·Fe、Si、Mn元素对3xxx系变形铝合金的综合作用

了解合金的性能，首先要了解合金中各组元的作用。下面介绍3xxx系变形铝合金中各组元的相互影响。

一、Fe元素对3xxx系铝合金组织和性能的影响

1、Fe是铝合金中最常见的杂质元素之一。

2、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。

3、不同的Fe含量对铝合金主要机械性能影响情况如下：

随着Fe元素含量的增加，Fe在合金中的存在形态将由汉字状α-Fe向粗大针片状β相转变，从而使得铝合金的耐腐蚀性、强度、塑性等性能降低。

图1 3003合金位于晶界的AlFeMnSi相与α铁相

①当Fe含量＜0.2%时，呈汉字状α-Fe的形式存在；

②当Fe含量为0.20%＜Fe＜0.25%时，呈现为细小片状的形式存在；

③当Fe含量为0.3%＜Fe＜0.35%时，呈现为粗大针状、片状β相的形式存在。

图2 铝合金中长针状α铁相与块状β铁相

4、为了改变Fe的存在形态，可引入“中和剂”，介绍如下：

①为了满足生产加工的需要，需对铝合金中的Fe元素含量进行调整，从而消除Fe元素的有害作用。而加入“中和剂”来与Fe元素形成金属间化合物或者改变有害Fe相的分布形态，或者通过均匀化热处理改变析出相的尺寸及分布都是工业生产中常用的处理手段。

②在3xxx系铝合金中，由于Mn元素的大量存在，可以有效地改善Fe元素的分布形态。

由于AI、Mn 具有形成析出相的强烈倾向，Fe元素在铝合金中经常以富Mn或含Si的析出相形式存在，此类析出相一般质硬而脆，研究人员在均匀化退火对3003冷轧板组织的影响研究中发现，3003冷轧板中存在较多粗大的FeAI3相，均匀化退火后由于 Mn元素的脱溶析出，置换了FeAl3相中的部分Fe原子，从而形成了大量的Al6(Mn.Fe)相，这种“中和”作用，同时降低了Fe元素的危害。

5、细化晶粒的作用方面

在再结晶退火过程中，通过Al6(Mn.Fe)这些细小的析出相的作用，可起到钉扎晶界和位错的作用，而粗大的初生相可以起到促进非均匀形核的作用，使再结晶形核能降低，因此合金中含一定量的Fe能使板材在退火时得到较细的晶粒。

二、Si元素在3xxx系合金中的作用

1、在AI-Si二元体系中，当Si含量低于12.6%时，随着Si含量的增加，合金的结晶温度范围逐渐缩小，组织中共晶体的数量不断增多，合金的流动性增强。Si相的增加提高了材料抗拉强度。

2、在3xxx系铝合金体系中，Si具有提高铸造时铝液的流动能力，减少缩孔、改善合金的耐压性及焊接性，减小热膨胀系数等作用。在铸造过程中，Si能够与Mn元素形成杂质三元相T(Al12Mn3Si2)，这种杂质三元相可以溶解Fe元素，减轻Fe的有害作用。

3、在AI-Mn合金中若同时存在 Fe元素和Si元素，那么Si的含量对析出相的类型及铝合金的性能具有重要影响：

①若Si含量较高，Al(Mn.Fe)Si相是稳定析出相，而没有Al(Mn.Fe)相；

②当Si含量较低时，Al(Mn.Fe)相则为稳定析出相，AI(Mn.Fe)Si相可以在低温下析出但在高温下将无法稳定存在；

③有研究认为，在加热过程中析出的半共格Al(Mn.Fe)Si相具有较高的数量密度、良好的热稳定性，能够推迟再结晶的发生并提高铝合金的高温性能；

所以，适当提高Si含量可提高合金的再结晶温度，增强合金的高温性能。

4、研究表明，均质退火过程中Si元素的快速扩散能力对AI-Mn合金中Mn元素的脱溶及析出相的转变具有重要影响：

在退火过程中，Si可以快速扩散至初生Al(Mn.Fe)相界面处，从而在界面处形核析出Al(Mn.Fe)Si相，或者在晶粒内部位错处与富集的Mn、Fe形核析出AI(Mn.Fe)Si相。