Eisen aus Aluminiumguss

 

Eisenquellen in Aluminium

Eisen ist das häufigste Verunreinigungselement in Aluminiumlegierungen., aus Bauxit und Stahlwerkzeugen, verwendet wie in der primären, sowie Sekundärproduktion. Железо обычно образует в алюминиевых сплавах вторичные фазы из-за его низкой равновесной растворимости в твердом алюминии (макс. 0,05%). Diese Phasen sind hauptsächlich Al3Fe, α-AlFeSi und β-AlFeSi. Diese eisenreichen Phasen wirken sich deutlich negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung aus.. Duktilität und Zugfestigkeit nehmen mit zunehmendem Fe-Gehalt progressiv ab. Nach Überschreiten eines bestimmten kritischen Fe-Gehaltes nimmt die Duktilität sehr stark ab..

Dennoch, Eisen ist in den meisten herkömmlichen Druckgusslegierungen als Verunreinigung vorhanden, aber sehr nützliche Verunreinigungen. Minimum 0,8% Fe полезен для некоторых сплавов для литья под высоким давлением для предотвращения прилипания к стальной литейной форме [1].

β-Phase und α-Phase

Al-Fe-Si sind die Hauptphasen mit hohem Eisengehalt in Aluminiumlegierungen. Die wichtigsten eisenreichen Phasen in Aluminiumlegierungen, Silizium enthalten, sind β-Phase und α-Phase.

Die α-Phase wird üblicherweise als α-AlFeSi identifiziert. Diese α-Phase hat eine kompakte Morphologie, wie zum Beispiel “Chinesisch schreiben”, звездообразная и многоугольная (рис. 1 und Reis. 2). Gilt als, dass für die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen die α-Phase viel weniger schädlich ist, чем пластинчатая фаза β-Al-FeSi [1].

Die lamellare β-Phase wird üblicherweise als β-AlFeSi bezeichnet. Unter allen Phasen, reich an Eisen, die β-AlFeSi-Phase gilt als die schädlichste. Die β-AlFeSi-Phase hat eine unerwünschte lamellare Morphologie, wie im Bild gezeigt. 1 und Reis. 3. Sie ist eine fragile Phase, концентратором напряжений и точкой слабой когерентности [1]. Обычно более высокое содержание железа и медленная скорость охлаждения приводят к увеличению размера частиц β-фазы. Доминирование пластинчатых β-фаз приводит к серьезной потере прочности и пластичности в литейных сплавах Al-Si.

Feige. 1 Typische Morphologie von ein-Phase und b-phase in aluminum [1]

Feige. 2 Dreidimensionale Rekonstruktion von ein-phase:
(a) original two-dimensional photo;
(b) three-dimensional ein-Phase mit hochgewundenen Armen beobachtet

Feige. 3 Dreidimensionale Rekonstruktion von b-Phase,
(a) original two-dimensional phases; (b) three-dimensional b-Phase

Einfluss von Eisen auf mechanische Eigenschaften

Bei manchen Legierungen wird absichtlich Eisen zugesetzt.. Например [1]:

• Eisen wird normalerweise zu Al-Cu-Ni-Legierungen hinzugefügt, um die Hitzebeständigkeit zu erhöhen..
• Eisen wird Al-Fe-Ni-Legierungen zugesetzt, um die Korrosion in Hochtemperaturdampf zu reduzieren.
• Eisen wird Aluminiumleitern zugesetzt, um die Festigkeit ohne wesentlichen Verlust an Leitfähigkeit zu erhöhen..
• Industrienormen erlauben im Allgemeinen deutlich höhere Fe-Mengen in Druckguss und Druckgusslegierungen als Legierungen., die in Sandformen gegossen werden. Das ist weil, dass die Abkühlgeschwindigkeit unter diesen Gießbedingungen höher ist und, beziehungsweise, daher ist die Größe der mikrostrukturellen Strukturkomponenten kleiner.
• In Legierungen für den industriellen Spritzguss übersteigt der Fe-Gehalt 0,8 Gew.%, und die freigesetzte eutektische Al-Si-Fe-Zusammensetzung verhindert, dass geschmolzene Legierungen an der Stahlform haften bleiben. In diesen Fällen ist Fe das Legierungselement.

Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen werden im Allgemeinen durch das Vorhandensein von Eisen verschlechtert.. Dreidimensionale morphologische Designs von eisenreichen intermetallischen Verbindungen zeigen, что они имеют гораздо более сложную и хрупкую морфологию, als die, что можно видеть при двумерном наблюдении. Diese Morphologie erklärt, почему они так вредны для механических свойств алюминия [1].

Aluminiumguss

3-D-Morphologie

Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen verschlechtern sich im Allgemeinen in Gegenwart von Eisen.. Dreidimensionale morphologische Designs von eisenreichen intermetallischen Verbindungen zeigen, что они имеют гораздо более сложную и хрупкую морфологию, als die, что можно видеть при двумерном наблюдении (Fig. 4) [1]. Diese Morphologie erklärt, почему они так вредны для механических свойств алюминия [1].

Feige. 4 – Three-dimensional morphologies of Fe-rich intermetallic phase:
(Chinese script) morphologies of b-Al (Fe, Mn)3Si [1]

• Eisen ist die Hauptverunreinigung, was für die geringe Zähigkeit herkömmlicher Aluminiumlegierungen verantwortlich ist.
• Eisenphase, das sich in siliziumreichen Aluminiumlegierungen aus der Flüssigkeit bildet, ist β-FeSiAl₅.
• Частицы β-FeSiAl обычно называют игольчатыми или иглообразными (Fig. 5), obwohl es eigentlich Platten sind.
• Zusätze in Manganlegierung in Menge, gleich dem halben Eisengehalt, ändere die β-FeSiAl-Phase in die α-FeSiAl-Phase mit der chemischen Formel (Fe,Mn)₃Und₂Al₁₅. Diese Phase ist nicht mehr nadelartig, so etwas wie ein Drehbuch. Sie ist nicht so schlimm, wie eine Nadel, хотя еще остается охрупчивающей фазой (Fig. 6).

Feige. 5– ß-AlFeSi needles [2]

Feige. 6 – Alpha-Fe Script Phase (Fe,Mn)3Si2Al15 in 357 Legierung.
Less harmful than ß-AlFeSi needles but still embrittling [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.
• С увеличением содержания железа в сплаве длина игл β-FeSiAl также увеличивается (Fig. 6).

Feige. 6 – ß-AlFeSi-Nadellänge als Funktion des sekundären Dendritenarmabstands
(Source: Biswal et al) [2]

β-FeSiAl-Nadeln und mechanische Eigenschaften

• Das Vorhandensein von β-FeSiAl-Nadeln in der Mikrostruktur von Aluminiumlegierungen verringert ihre mechanischen Eigenschaften.
• Vor allem β-FeSiAl-Nadeln reduzieren die Zähigkeitseigenschaften von Aluminiumlegierungen, особенно вязкость вторичных сплавов с высоким содержанием железа (Fig. 7).

Feige. 7 – Vergleich niedrig vs. hohe Fe 357 alloys (0.093% Fe vs. 0.055% Fe)
(Source: F. Haupt, Alcan) [2]

Quellen:

1. 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
2. Europäischer Aluminiumverband, 2002