摘 要：以鋁粉和鐵粉為原料，采用冷壓燒結(jié)方法制備出鋁-鐵合金，并進(jìn)行熱擠壓加工，研究了它的組織和性能。結(jié)果表明：隨著鐵含量增加，抗拉強(qiáng)度先升后降，伸長(zhǎng)率下降，硬度和耐磨性增高；Al、Al-10Fe和Al-20Fe合金的磨損體積損失分別是QSn6.5-0.4的1/0.66，1/12.2和1/20.1，磨損表面呈鋁基體、Al13Fe4硬質(zhì)相和少量孔隙的耐磨組織。
關(guān)鍵詞：鋁-鐵合金；組織；力學(xué)性能；磨損行為
1 引 言
鋁合金是一類正在迅速發(fā)展的新型材料，已經(jīng)對(duì)鋁-軟金屬進(jìn)行了較多的研究，但對(duì)鋁-重金屬的研究很少。作者采用粉末冶金方法制備出鋁-鐵合金，研究了合金的組織和性能，并與QSn6.5-0.4(市售錫青銅)進(jìn)行了對(duì)比。
2 試樣制備與試驗(yàn)方法
采用冷壓燒結(jié)和熱擠壓的粉末冶金方法制備鋁-鐵合金。原料鋁粉和鐵粉的粒度為200目，配料鐵的體積分?jǐn)?shù)為0%，10%和20%，混粉時(shí)間為120min；冷壓壓力為300MPa，壓制時(shí)間為6min；真空燒結(jié)，發(fā)熱體為高強(qiáng)度石墨，真空度為10-3Pa，燒結(jié)溫度為913 K，燒結(jié)時(shí)間為4 h。熱擠壓加工的溫度為673K，擠壓比為10∶1。
采用帶有EDAX成分分析儀的JXA2840A型掃描電鏡(SEM)觀察分析微觀組織結(jié)構(gòu)。采用HV21000型硬度計(jì)測(cè)量硬度，載荷為1.96N，加載時(shí)間為20s。采用排水法測(cè)量實(shí)際密度。采用塊-環(huán)式MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，試樣尺寸為20mm×10mm×8mm，對(duì)摩試樣為調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼環(huán)，其尺寸為<50mm×<16mm×10mm，硬度為295HV(1.96N)，試驗(yàn)載荷為600N，轉(zhuǎn)速為400r/min，潤(rùn)滑油為20#機(jī)油，滴油速度為40～48滴/min，試樣在磨損前后用丙酮超聲波清洗，用0.1mg感度電子分析天平稱量磨損質(zhì)量損失，與實(shí)際密度相除得到磨損體積損失。為便于比較，以磨損體積損失評(píng)價(jià)耐磨性。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 顯微組織
圖1表明，鋁-鐵合金中存在較多尺寸較大的第二相，經(jīng)EDAX分析(見(jiàn)表1)結(jié)合Al-Fe二元相圖，確定出其為金屬間化合物Al13Fe4。與基體鋁相比，Al13Fe4硬度較高，屬硬質(zhì)相，是真空燒結(jié)過(guò)程中鐵與鋁反應(yīng)生成的產(chǎn)物，此外還發(fā)現(xiàn)合金中存在少量孔隙。
(a) Al-10Fe (b) Al-20Fe
圖1 鋁-鐵合金的SEM形貌
3.2 力學(xué)性能
表2表明，隨著鐵含量增高，鋁-鐵合金抗拉強(qiáng)度先升后降，伸長(zhǎng)率下降，硬度增高；與QSn6.5-0.4相比，鋁-鐵合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較低，Al和Al-10Fe的硬度比QSn6.5-0.4的低，而Al-20Fe的硬度比QSn6.5-0.4的高。
圖2表明，拉伸斷裂的裂紋源是粉末冶金材料中的原始孔隙及硬質(zhì)相與鋁基體之間的界面；隨著鐵含量的增高，沿晶斷裂趨于明顯。這從微結(jié)構(gòu)上證實(shí)鋁-鐵合金伸長(zhǎng)率隨鐵含量增高而下降是其拉伸變形的裂紋源增多所致。
(a) Al-10Fe (b) Al-20Fe
圖2 拉伸斷口表面SEM形貌
眾所周知，粉末冶金材料隨著高熔點(diǎn)高硬度組元的增多，致密化過(guò)程一般會(huì)變得相對(duì)困難，使材料孔隙率增高。分析認(rèn)為，鋁-鐵合金抗拉強(qiáng)度隨鐵含量增加先升后降，是其孔隙率和硬質(zhì)相綜合作用的結(jié)果。在鐵含量較低時(shí)，孔隙率較低，硬質(zhì)相通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化材料，而在鐵含量過(guò)高時(shí)，孔隙率較高，材料發(fā)生早期斷裂，強(qiáng)度下降。
3.3 摩擦磨損性能
表3列出了四種材料在載荷600N、磨損4h后的磨損損失?？梢钥闯觯弘S著鐵含量增加，鋁-鐵合金的磨損下降，對(duì)磨件的磨損增高；Al、Al-10Fe和Al-20Fe的磨損體積損失分別是QSn6.5-0.4的1/0.66，1/12.2和1/20.1。
(a) Al (b) Al-10Fe
(c) Al-20Fe
圖3 載荷600N、磨損4h后磨損表面SEM形貌
圖3表明，隨著鐵含量增加，鋁-鐵合金磨損表面上的塑性變形程度降低，磨損表面呈鋁基體+硬顆粒+孔隙的耐磨組織。
表4表明，隨著鐵含量增加，鋁-鐵合金磨損表面上從對(duì)磨件40Cr鋼上轉(zhuǎn)移而來(lái)的鉻元素增加，這可能是Al13Fe4等硬質(zhì)相對(duì)對(duì)磨件40Cr鋼產(chǎn)生犁削而轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的；相比QSn6.5-0.4，鋁磨損表面上鉻元素較少，而Al-10Fe和Al-20Fe復(fù)合材料磨損表面上的鉻元素較多。
綜上可見(jiàn)，對(duì)于不同體系的材料，力學(xué)性能和耐磨行為沒(méi)有必然關(guān)系；粉末冶金鋁-鐵合金具有良好的耐磨性，原因主要有：(1)磨損表面呈鋁基體+硬質(zhì)相+孔隙的耐磨組織，集中了軟基體+硬質(zhì)點(diǎn)和硬基體+軟質(zhì)點(diǎn)兩類耐磨組織的耐磨機(jī)理，在摩擦磨損過(guò)程中，軟基體被磨損下凹，硬質(zhì)相支承偶件，加上存在一些孔隙，形成了儲(chǔ)存潤(rùn)滑油所需的空間，保持連續(xù)油膜；(2)隨鐵含量增高，鋁-鐵合金的硬度增高，抵抗粘著和犁削的能力增高，材料耐磨性增加。
4 結(jié) 論
(1) 鋁-鐵合金組織主要由鋁基體、硬質(zhì)相(Al13Fe4)及少量孔隙組成。
(2) 隨著鐵含量增加，鋁-鐵合金抗拉強(qiáng)度先升后降，伸長(zhǎng)率下降，Al、Al-10Fe和Al-20Fe的抗拉強(qiáng)度分別為230，240，128MPa，伸長(zhǎng)率分別為2810%，12.5%，1.9%。
(3) 隨著鐵含量增加鋁-鐵合金硬度和耐磨性增高，Al、Al-10Fe和Al-20Fe的磨損體積損失分別是QSn6.5-0.4的1/0.66，1/12.2，1/20.1。
(4) 鋁-鐵合金磨損表面呈鋁基體+硬質(zhì)相+孔隙的耐磨組織。
粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無(wú)法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等，是一種少無(wú)切削工藝。 ?。?）粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。 ?。?）可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。 （3）可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。 ?。?）可以生產(chǎn)普通熔煉法無(wú)法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 ?。?）可以實(shí)現(xiàn)近凈形成形和自動(dòng)化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。 ?。?）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。 我們常見(jiàn)的機(jī)加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技術(shù)制造的。
