Eisen aus Aluminiumguss
Eisenquellen in Aluminium
Eisen ist das häufigste Verunreinigungselement in Aluminiumlegierungen, gewonnen aus Bauxit und Stahlwerkzeugen, die sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärproduktion verwendet werden. Eisen bildet in Aluminiumlegierungen aufgrund seiner geringen Gleichgewichtslöslichkeit in festem Aluminium (max. 0.05%). Bei diesen Phasen handelt es sich hauptsächlich um Al3Fe, α-AlFeSi und β-AlFeSi. Diese eisenreichen Phasen wirken sich spürbar negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung aus. Duktilität und Zugfestigkeit nehmen mit zunehmendem Fe-Gehalt zunehmend ab. Nach Überschreiten eines bestimmten kritischen Fe-Gehalts, Die Plastizität nimmt sehr stark ab.
Jedoch, Eisen ist in den meisten herkömmlichen Druckgusslegierungen als Verunreinigung enthalten, aber eine sehr nützliche Verunreinigung. Ein Minimum von 0.8% Fe ist für einige Hochdruckgusslegierungen nützlich, um ein Anhaften an der Stahlform zu verhindern [1].
β-Phase und α-Phase
Al-Fe-Si sind die wichtigsten Phasen mit hohem Eisengehalt in Aluminiumlegierungen. Die wichtigsten Phasen mit hohem Eisengehalt in siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen sind die β-Phase und die α-Phase.
Die α-Phase wird üblicherweise als α-AlFeSi bezeichnet. Diese α-Phase hat eine kompakte Morphologie wie z “Chinesischer Brief”, sternförmig und vieleckig (Abb. 1 und Abb. 2). Es wird angenommen, dass die α-Phase die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen deutlich weniger beeinträchtigt als die plättchenförmige β-Al-FeSi-Phase [1]..
Die lamellare β-Phase wird üblicherweise als β-AlFeSi bezeichnet. Unter allen eisenreichen Phasen, die β-AlFeSi-Phase gilt als die schädlichste. Die β-AlFeSi-Phase weist eine unerwünschte plättchenartige Morphologie auf, wie in Abb. 1 und Abb. 3. Es ist eine spröde Phase, ein Spannungskonzentrator und ein Punkt schwacher Kohärenz [1]. Typisch, Ein höherer Eisengehalt und langsamere Abkühlgeschwindigkeiten führen zu größeren Partikelgrößen der β-Phase. Die Dominanz lamellarer β-Phasen führt zu einem starken Festigkeits- und Duktilitätsverlust in Al-Si-Gusslegierungen.
Feige. 1 Typische Morphologie von ein-Phase und b-Phase in Aluminium [1]
Feige. 2 Dreidimensionale Rekonstruktion von ein-Phase:
(a) zweidimensionales Originalfoto;
(b) dreidimensional ein-Phase mit hochgewundenen Armen beobachtet
Feige. 3 Dreidimensionale Rekonstruktion von b-Phase,
(a) ursprüngliche zweidimensionale Phasen; (b) dreidimensional b-Phase
Die Wirkung von Eisen
Einigen Legierungen wird gezielt Eisen zugesetzt. Zum Beispiel [1]:
- Al-Cu-Ni-Legierungen wird üblicherweise Eisen zugesetzt, um die Hitzebeständigkeit zu verbessern.
- Al-Fe-Ni-Legierungen wird Eisen zugesetzt, um die Korrosion in Wasserdampf mit hoher Temperatur zu reduzieren.
- Aluminiumleitern wird Eisen zugesetzt, um die Festigkeit ohne nennenswerten Verlust der Leitfähigkeit zu erhöhen.
- Industriestandards erlauben im Allgemeinen deutlich höhere Mengen an Fe in Dauer- und Druckgusslegierungen im Vergleich zu Sandgusslegierungen. Dies liegt daran, dass die Abkühlgeschwindigkeit unter diesen Gießbedingungen höher ist und daher die Größe der mikrostrukturierten Strukturbauteile geringer ist.
- In industriellen Druckgusslegierungen, der Fe-Gehalt überschreitet 0.8 Gew.%, und die ausfallende eutektische Al-Si-Fe-Zusammensetzung verhindert, dass geschmolzene Legierungen an der Stahlform haften bleiben. In diesen Fällen, Fe ist das Legierungselement.
Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen werden normalerweise durch die Anwesenheit von Eisen verschlechtert. Dreidimensionale morphologische Designs eisenreicher intermetallischer Verbindungen zeigen, dass sie eine viel komplexere und fragilere Morphologie aufweisen, als dies bei zweidimensionaler Beobachtung der Fall ist. Diese Morphologie erklärt, warum sie die mechanischen Eigenschaften von Aluminium so beeinträchtigen [1].
Aluminiumguss
3-D-Morphologie
Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen verschlechtern sich im Allgemeinen in Gegenwart von Eisen. Dreidimensionale morphologische Designs eisenreicher intermetallischer Verbindungen zeigen, dass sie eine viel komplexere und fragilere Morphologie aufweisen, als dies bei zweidimensionaler Beobachtung der Fall ist (Abb. 4) [1]. Diese Morphologie erklärt, warum sie die mechanischen Eigenschaften von Aluminium so beeinträchtigen [1].
Feige. 4 – Dreidimensionale Morphologien der Fe-reichen intermetallischen Phase:
(chinesische Schrift) Morphologien von b-Al (Fe, Mn)3Si [1]
- Eisen ist die Hauptverunreinigung, die für die geringe Zähigkeit herkömmlicher Aluminiumlegierungen verantwortlich ist.
- Die eisenhaltige Phase, die sich in Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt aus der Flüssigkeit bildet, ist β-FeSiAl5.
- β-FeSiAl-Partikel werden üblicherweise als nadelförmig oder nadelförmig bezeichnet (Abb. 5), obwohl es sich eigentlich um Blutplättchen handelt.
- Durch Zusätze von Mangan zu einer Legierung in einer Menge, die der Hälfte des Eisengehalts entspricht, wird die β-FeSiAl-Phase in die α-FeSiAl-Phase mit der chemischen Formel (Fe,Mn)3Si2Al15 umgewandelt.
- Diese Phase ist nicht mehr nadelartig, erinnert aber ein wenig an eine geschriebene Schriftart.
- Es ist nicht so schädlich wie das nadelförmige, obwohl es sich noch in der Versprödungsphase befindet (Abb. 6).
Feige. 6 – Alpha-Fe-Skriptphase (Fe,Mn)3Si2Al15 Zoll 357 Legierung.
Unschädlicher als ß-AlFeSi-Nadeln, aber dennoch versprödend [2]
Abkühlgeschwindigkeit und Größen von β-FeSiAl-Nadeln
- Die Länge der β-FeSiAl-Nadeln ist eine Funktion der Abkühlgeschwindigkeit. Maß für die Abkühlgeschwindigkeit ist der interdendritische Abstand im Legierungsgefüge. Je höher die Kühlrate, desto kleiner ist der interdendritische Abstand.
- Mit zunehmendem Eisengehalt in der Legierung nimmt auch die Länge der β-FeSiAl-Nadeln zu (Abb. 6).
Feige. 6 – ß-AlFeSi-Nadellänge als Funktion des sekundären Dendritenarmabstands
(Quelle: Biswal et al.) [2]
β-FeSiAl-Nadeln
Das Vorhandensein von β-FeSiAl-Nadeln in der Mikrostruktur von Aluminiumlegierungen verringert deren mechanische Eigenschaften.
Was β-FeSiAl-Nadeln am meisten reduzieren, ist die Zähigkeit von Aluminiumlegierungen, insbesondere die Zähigkeit von Sekundärlegierungen mit hohem Eisengehalt (Abb. 7).
Feige. 7 – Vergleich niedrig vs. hohe Fe 357 Legierungen (0,093 % Fe vs. 0.055% Fe)
(Quelle: F. Haupt, Alkan) [2]
Quellen:
- Eisen: Entfernung von Aluminium / L. Zhang, J. Gao, L. n. W. Damoa und D. G. Robertson // Enzyklopädie von Aluminium und seinen Legierungen – Hrsg. G.E. Totten, M. Tiryakioglu, Ö. Kessler – 2019
- Europäischer Aluminiumverband, 2002