【引用格式】

袁际滨、姜博、杨婉婷等人，阐述废料回炉针对AlSi10MgFe合金组织以及性能所产生的影响，发表于《特种铸造及有色合金》2023年第43卷第11期，页码为1517至1522页。

袁继波，蒋波，杨卫亭等。废料回收比例对铝硅10镁铁合金微观组织及性能的影响。特种铸造及有色合金，2023年，43（11）：1517 - 1522。其句子结构可调整为：袁继波，有蒋波，还有杨卫亭等人，研究废料回收比例对铝硅10镁铁合金微观组织与性能的效力情况，具体此研究成果发表于《特种铸造及有色合金》2023年第43卷第11期，页码范围是1517至1522。

铝合金，作为一种具备可循环利用特性的再生资源，有着极大的可回收性，以及较高的再生效率。同初生的铝坯料相比较，完全由废料制作而成的再生铝废铝加工后性能，能够把能耗以及温室气体排放量降低90%以上，再生铝的回收与利用，有着重要的意义。能够让铝料的能源和碳平衡达成更大的可持续性转变，进而成为可持续性冶金研究的重要课题。

对于铝合金的高效回收与利用，国内外众多学者展开了诸多研究。LIN R等人，采用飞机废铝直接重熔来生产7075合金，借助低Cu含量的5xxx系列铝合金实施成分调整。ZHOU B等人，把废7xxx系列铝合金当作原料，通过把控熔炼温度以去除炉渣，减轻高熔点杂质元素带来的危害，运用中间合金以及纯金属去补充那些低于合金标准的元素，进而获得具备可挤压和热处理特性的优良铝合金。

在针对铝合金废料展开回收研究的进程里，主要合金元素出现的损失，以及杂质元素产生的累积，对材料的回收以及利用造成了限制。比如说Fe元素，它属于铸造铝合金里头主要的杂质元素，一旦含量过高，就容易形成长条状或者针状的β-AlFeSi相，会严重地割裂α-Al基体，以显著的程度降低合金的力学性能。过量的Si元素同样会呈现出棒状、块状或者细针状，处于α-Al基体之中，呈现杂乱无序的状态，进而对基体造成割裂。当下，对有害相进行控制，已然成为提升合金力学性能的主要研究内容。很难在二次加工里将这些杂质相去除，一般采用废料跟新料相结合的办法。有MANSUROV Y N等，对不同废料占比的A356合金显微组织与力学性能的变化做了研究，以一种经济又合理的方式获得了再生A356合金。

全新的铝料，于生产进程之中，肩负着对合金成分进行调控以及稀释的功用，此功用的达成，需依据合金性能所提出的要求，针对应用于再生铝铸造的废料回炉比，设定一个上限数值。一旦废料所占的比例超出了这一上限范围，合金的成分便会出现急剧的改变情况，其力学性能也会呈现出显著的下降态势。2023年第43卷第11期，在《特种铸造及有色合金》这本期刊上，哈尔滨理工大学吉泽升教授团队针对一个问题发表了一篇文章，文章题目是“废料回炉比对AlSi10MgFe合金组织及性能的影响”，作者借助AlSi10MgFe合金废料跟新料制备出了不同废料回炉比的AlSi10MgFe合金，从成分分析、物相分析、显微组织、力学性能以及断口形貌等多个方面，探究了不同铝料回炉比对AlSi10MgFe合金组织及力学性能的影响。发现结果是，合金里边条片状共晶Si的粗化程度，会跟着废料占比的增多而增大，针状β-Fe相的面积分数，同样会随着废料占比的增加而变大。气孔是在β-Fe相富集区的地方形成的。随着废料占比呈现出增加的情况，合金的抗拉强度先是呈现出上升的态势，之后又出现下降的趋势，伸长率整体上是呈现出下降的走向，硬度是逐渐在增加，合金渐渐朝着脆性断裂的方向发展。

【研究方法】

从工厂回收的AlSi10MgFe合金废料以及新料当作原材料，有5种不一样的废料占比情况，分别是0、25%、50%、75%、100%，和新料一起进行熔炼。把配制好的不同回炉比的AlSi10MgFe合金原料放进熔炼炉里，加热升温到750℃，保温长达30分钟。把0.15%的精炼剂，用钟罩压到铝合金熔体液面以下，并且持续搅拌，时长是5分钟，以此让精炼剂和熔体充分接触发生反应。静置5分钟后，用除渣勺把铝液表面的熔渣消除干净。等待熔体降低温度到720℃的时候，把铝液浇注到预热温度是300℃的模具里，等待它凝固成为形状。

在浇注件方面，对其组织进行观察，对其成分展开分析，还有力学性能测试试样的取样位置，这些情况见图1。其中关于组织观察的试样，以及力学性能测试试样的取样位置，都是在铸锭底部10mm处，而成分测试试样的取样位置则是在浇口部分。

图1 试样取样位置及尺寸

在试样的同一位置，截取尺寸是10 mm×10 mm×20 mm的试样，分别于600目的砂纸上进行打磨，再于1000目的砂纸上进行打磨，接着于1500目的砂纸上进行打磨；之后在抛光机那里进行抛光，使用体积分数为0.5%的HF溶液腐蚀15秒到18秒后，凭借OLYMPUS - GX71 - 6230A型金相显微镜进行试样微观组织观察，用FEI Sirion 200型扫描电镜进行试样微观组织观察，并用附带的EDX能谱分析仪对微区开展元素分布测量，以及进行成分和含量分析。采用X¢Pert PRO型X射线衍射仪，对试样进行物相组成测试，硬度测试在HVS - 50型数显维氏硬度计上进行，试验载荷为9.8 N，保压时间为15 s，每组试样测试10个点取平均值，室温拉伸性能在美特斯E44.304 - b型电子万能试验机上进行，拉伸速率为2 mm/min。

【研究结果】

不同回炉比的AlSi10MgFe合金，其化学成分展示于表1，主要合金元素含量情况呈现于图2。Fe、Si饱和蒸汽压相对较低，使得废料在重熔时烧损较小，Fe、Si得以累积，含量相较于新铝料有所增长。在AlSi10MgFe合金再生进程中废铝加工后性能，这致使Fe、Si含量伴随回炉比增大而持续升高。当废料占比超过25%时，Fe含量从0.91%增至1.06%。和Si、Fe不一样，鉴于Mg化学性质活泼，容易跟氧气发生反应进而形成氧化渣，所以产生烧损，Mg含量呈现出递减的态势，在没有添加废料的时候Mg含量是0.33%，当全部采用废料时Mg含量降低到0.14%。

图2 不同废料占比再生AlSi10MgFe合金的含量变化

占比不同的废料的AlSi10MgFe合金，其X射线衍射图谱如图3所示。能够看出，在不同废料占比状况下，再生合金的衍射峰之种类相同，然而强度却不一样。这表明，合金的物相组成相同，不过物相的含量存在较大变化。随着废料占比不断提高，再生AlSi10MgFe合金里Si相以及Al5FeSi相的含量，会随着废料占比的升高而升高，这与成分测试结果相互对应。再生料设有5种，5种废料占比再生料，其衍射图谱里，均未出现含Mg化合物的衍射峰，这是为何呢，是因为5种再生料之中，Mg含量全都较低，所以衍射峰强度较弱，是这样的情况。

图3不同废料占比再生AlSi10MgFe合金的XRD图谱

可再生的AlSi10MgFe合金，其光学显微组织涵盖不同废料占比情况，见图4。能观察到，该合金内部存有大量α - Al枝晶，还有共晶Si。再生合金里，废料占比为0以及25%时，其组织呈现均匀态势，并无明显缺陷。当废料占比达到50%之际，铸态组织中涌现出较多微小气孔，随着废料占比持续增加，气孔尺寸显著变大。为探究废料占比对再生料气孔数量及尺寸的影响规律，在每个试样里随机选了30个不同区域，用Image-Pro-Plus软件，对单位面积内气孔的面积分数做了统计，统计结果见图4f。当废料占比持续增长到75%以及100%时，气孔的面积分数急剧增加，分别达到0.628%与0.821%。从成分测试结果能够知道，当废料所占比例超过百分之二十五的时候，再生料里的Fe含量会增加，组织当中的β - Fe相数量会渐渐增多，β - Fe相变成气孔形成的基底，对气孔形成起到促进的作用。

（a）零，（b）百分之二十五，（c）百分之五十，（d）百分之七十五，（e）百分之百，（f）气孔面积分数统计图。

图4展示的是，不同废料占比之下的再生AlSi10MgFe合金的显微组织，还有气孔面积分数的统计图。

为了去验证富Fe相的成分构成情况，针对组织里的针状富Fe相开展EDS能谱分析，图5呈现的是废料占比达100%的再生AlSi10MgFe合金里头β-Fe相的形貌以及能谱分析，从该图能够观察到，A点针状相涵盖Al、Si、Fe这3种元素，Al、Si、Fe这3种元素的摩尔比是6.7:1.8:1.5，它接近β-Al5FeSi相的摩尔比5:1:1，据此能够明确组织中的针状富Fe相就是β-Al5FeSi相。

（a）β-Fe相的形貌（b）A点的EDS能谱

图5当中，存在着废料占比为100%的再生AlSi10MgFe合金，对其里面的β-Fe相作出的形貌及同时进行的能谱方面的分析。

用图6来呈现不同废料占比的AlSi10MgFe合金的显微组织，也就是SEM图像，以及β - Fe相的长径比统计图表，能够发现，合金里的共晶Si组织呈现为黑色条片状，β - Fe相呈现为针状组织，其主要分布在枝晶内以及枝晶间区域，部分β - Fe相贯穿α - Al基体，进而对基体造成严重割裂。在废料占比是0以及25%的再生AlSi10MgFe合金的铸态组织当中，共晶Si相相对细小，呈现短针状分布在晶界处，β - Fe相数量较少，分布比拟分散。伴同废料占比的递增，组织里共晶Si的粗化程度加重，β -Fe相的数量显著增多，进而构成β -Fe相的富集区域，针对单位面积中β -Fe相的长径比展开了统计，统计所得结果呈现于图6f，单位面积内β -Fe相的长径比随着废料占比的提升而加大，呈现出尖锐粗大的组织形态。

（a）零，（b）百分之二十五，（c）百分之五十，（d）百分之七十五，（e）百分之百，（f）β铁相长径比统计图。

图6，再生AlSi10MgFe合金，不同废料占比下的显微组织，还有β - Fe相长径比统计图。

图7呈现为废料占比是0的AlSi10MgFe合金的元素分布，图8呈现为占比是100%的AlSi10MgFe合金的元素分布。能够发现，跟AlSi10MgFe合金新料相比较，废料里Fe分布面积显著增大，这意味着伴随废料占比的提升，β - Fe相的面积分数大幅增加。从Si分布情形能够看出，随着废料占比的增多，共晶Si显著变粗。

1. （a）扫描电子显微镜，2. （b）铝元素表面扫描，3. （c）铁元素表面扫描，、4. （d）硅元素表面扫描，5. （e）镁元素表面扫描，6。

图7 AlSi10MgFe合金新料元素分布

（a）SEM（b）Al面扫描 （c）Fe面扫描 （d）Si面扫描 （e）Mg面扫描 （f）Mn面扫描

图8 废料占比为100%的AlSi10MgFe合金元素分布

见图9，不同废料回炉比的AlSi10MgFe合金，其力学性能情况是这样的。能够看出，再生AlSi10MgFe合金的抗拉强度所处趋势为，随着废料占比增加，先是升高，之后下降。当废料占比处于25%的时候，合金的抗拉强度抵达峰值，此峰值为188.07 MPa。抗拉强度得以提升，原因可能在于，较之于Fe含量，Si含量升高幅度比较大，β-Fe相面积分数相对而言减少了。随着废料占比持续提升，组织里β - Fe相面积分布愈发密集，并且气孔缺陷的数量以及尺寸也跟着增大，β - Fe相尖端容易出现应力集中。

再生AlSi10MgFe合金的伸长率，会随着废料占比攀升而整体呈现出下降态势，当废料占比达到100%时，相较于不含废料的再生AlSi10MgFe合金，下降幅度为25.6%。这是因为随着废料占比提升，共晶Si和β - Fe相增多，而共晶Si和β - Fe相属于呈针状以及针片状的硬脆相，会严重割裂基体，进而导致合金的伸长率降低。

随着废料所占比例不断增加，再生AlSi10MgFe合金的硬度是渐渐增加的。当废料占比达到100%的时候，再生AlSi10MgFe合金的硬度（HV）抵达了最高值108.4，相比合金新料增长了8.94%。随着废料占比得以提高，再生铝合金里的Si、Fe含量有所增加，是以硬质相的共晶Si和β - Fe相的形式存在着，此种情况提升了合金的硬度。

图9 不同废料占比再生AlSi10MgFe合金的力学性能

再生AlSi10MgFe合金的拉伸断口形貌，与所占比例的废料相关，具体情况见图10。从中能够看出，不含有废料的那种再生AlSi10MgFe合金，其断口相对较为细小，有着较多的解理面，还有一定数量的撕裂棱以及细小的韧窝这般的情况，其断裂方式属于脆性断裂。当废料占比达到25%的时候，其断口形貌和不含有废料的那个断口形貌相类似，同样呈现出脆性断裂的状况，因为共晶组织有所增多，所以和解理面变得更加细小，并且出现了解理台阶，这是相较于不含有废料的再生AlSi10MgFe合金而言的。废料占比为50%之际，断口中有气孔缺陷出现，解理面开始呈现面积增大态势，韧窝数量减少。随着废料占比持续增大，断口形貌愈发接近河流花样，解理平面表现得极为光滑，面积显著增大，解理台阶平直，韧窝近乎消失，呈现为解理断裂。这是因为随着废料占比增加，组织里初生Si含量增加，且初生Si容易对基体造成严重割裂，进而致使力学性能下降。随着废料所占比例不断增加，再生的AlSi10MgFe合金的断裂模式愈发朝着脆性断裂的方向发展，这跟合金力学性能的变化趋势是相契合的。

（a）零，（b）百分之二十五，（c）百分之五十，（d）百分之七十五，（e）百分之百。

具有不通废料占比的再生AlSi10MgFe合金，其拉伸断口的形貌对应着图10。

【研究结论】

当废料占比从0逐渐增长至100%时，再生的AlSi10MgFe合金里，Si含量从9.24%开始增长，一直增长到10.1%，Fe含量从0.87%开始增长，直至增长到1.18%，而Mg含量从0.33%开始减少，最终减少到0.14%。

（2）5种废料占比的再生AlSi10MgFe合金，均涵盖α - Al相，还有共晶Si以及β - Fe相，组织里针片状共晶Si的粗化程度，会随着废料占比的提升而提高，针状β - Fe相的面积分数，同样会随着废料占比的增多而增大。气孔于β - Fe相富集区的地方形成，其面积分数会随着β - Fe相富集程度的加大而增加。

在废料回炉比是25%这个时间点上，（3）AlSi10MgFe合金的抗拉强度取得峰值，此峰值为188.07MPa。当废料回炉比达到100%之际，再生合金的抗拉强度下降到171.45MPa，并且伸长率呈现出下降态势，其中最低数值是2.03%。合金的硬度伴随废料占比提高而变化，在废料回炉比为100%之时，硬度（HV）抵达最高值108.4。随着废料占比不断增加，合金渐渐趋向脆性断裂。