Eisen in Aluminium

Железо: примесь и легирующий элемент

Железо является главной и наиболее опасной примесью в большинстве промышленных литейных и деформированных алюминиевых сплавов. Поэтому содержание железа в алюминиевых сплавах строго ограничивают, в некоторых сплавах – до 0,05 %.

Andererseits, железо является главным компонентом в материалах на основе Aluminium, которые производят с применением новых технологий. beispielsweise, в аморфных и нанокристаллических сплавах содержание железа составляет более 10 %. Эти материалы обладают рекордным уровнем прочности до 1500 MPa.

Источники примесей в алюминии

Обычный алюминий и его сплавы неизбежно содержат примеси, то есть химические элементы, которые специально не вводят в состав сплава. Примеси, включая железо, имеют различное происхождение. Они могут попадать из руды, могут входить в металл в процессе электролиза и не всегда полностью удаляются в процессе производства и рафинирования первичного алюминия. Примеси могут возникать в процессе плавления и разливки из-за загрязнения шихты, взаимодействия металла с футеровкой и флюсами, а также из-за растворения элементов литейного оборудования и литейного инструмента. Außerdem, большое количество примесей может поступать при переплавке алюминиевых отходов.

Классификация примесей в алюминии

Примеси в металлах, в том числе в алюминии, можно условно разделить на:

  • растворимые и нерастворимые и
  • металлические и неметаллические.

Неметаллические примеси в алюминии

Главными неметаллическими примесями в алюминии являются кислород и водород. Кислород имеет низкую растворимость в жидком и твердом алюминии, а водород – высокую растворимость в жидком алюминии и чрезвычайно низкую растворимость в твердом алюминии. Кислород образует оксиды. Водород, растворенный в жидком алюминии, выделяется при его затвердевании и приводит к образованию усадочной пористости.

На практике вредное влияние газовых примесей подавляется путем очистки расплава от водорода (обычно продувкой инертными газами или хлором) и путем его фильтрования с целью удаления оксидных частиц.

Металлические примеси в алюминии

Металлические примеси также классифицируют как примеси с низкой и высокой растворимостью в алюминиевом твердом растворе. Их растворимость в жидком алюминии обычно очень высокая.

Примеси с высокой растворимостью в твердом состоянии обычно оказывают на механические свойства небольшое влияние, но сильно снижают электрическое сопротивление и могут влиять на процессы рекристаллизации и старения при термической обработке.

Нерастворимые примеси в алюминии

Отрицательное влияние примесей с низкой растворимостью связано с образованием фаз и/или эвтектик с низкой температурой плавления. Частицы фаз, не растворимые при гомогенизирующем отжиге, имеют обычно низкую пластичность и часто вытянутую форму. Такие частицы значительно снижают технологическую пластичность, относительное удлинение и прочность алюминиевого сплава. Außerdem, необходимо учитывать возможность соединения основных легирующих элементов в нерастворимые фазы. Такие фазы могут приводить к снижению, z.B, эффекта упрочнения старением.

Нерастворимые фазы часто имеют электродный потенциал, сильно отличающийся от потенциала алюминиевой матрицы, что снижает коррозионную стойкость сплава. Andererseits, низкорастворимые металлы почти не влияют на электрическую проводимость, что дает возможность применять их как легирующие добавки в электротехнических сплавах: марках алюминия и алюминиевых сплавах.

Первичные и вторичные примеси в алюминии

Примеси разделяют также на первичные, которые были уже в первичном металле, и вторичные, которые образовались или были привнесены на последующих этапах обработки сплава. Железо, как и кремний, принадлежит к группе примесей, которые имеют самое большое содержание в сплаве.

Снижения содержания примесей в алюминии

Основными методами по снижению вредного влияния примесей являются различные технологические приемы:

  • очистка (рафинирование) расплава от примесей путем выдерживания сплава при некоторой температуре (выжигание примесей);
  • вакуумная обработка для летучих примесей;
  • продувка инертным газом или хлором;
  • обработка флюсами;
  • фильтрование;
  • электролитическое рафинирование;
  • зонное рафинирование.

Снижение вредного влияния примесей в алюминии

Однако технологические операции не всегда способны снизить содержание примесей до приемлемого уровня, а в некоторых случаях они просто экономически не эффективны. beispielsweise, стоимость алюминия после зонного рафинирования может быть в несколько раз больше, чем первичный электролитический алюминий. Альтернативным путем является контроль над примесями путем дополнительного легирования и термической обработки. Специальное легирование изменяет фазовый состав, свойства и морфологию избыточных фаз, а термическая обработка может приводить к растворению, фрагментации и коагуляции частиц с неблагоприятной морфологией.

Железо как примесь в алюминии

Железо принадлежит к малорастворимым металлическим примесям в алюминии. Концентрация железа в алюминии в зависимости от его чистоты алюминия может отличаться от сотых до десятых долей процента. Главная причина влияние железа на свойства алюминиевых сплавов заключается в фазах, которые оно образует с другими примесями, включая кремний, а также с основными легирующими элементами.

Железо как легирующий элемент алюминия

Железо, как и кремний, является основной примесью в алюминии, как по его количеству, так и по объему проблем, которые с ним связаны. В тоже самое время известно немало материалов, в которых железо является необходимым и основным легирующим элементом. Среди таких материалов — сплавы, которые получают быстрым затвердеванием и механическим легированием; композитные материалы, а также некоторые деформируемые и литейные сплавы, теплостойкие, электропроводящие и коррозионностойкие.

Эвтектика железа с алюминием

Железо является переходным металлом, который образует с алюминием эвтектику и имеет очень низкую растворимость в твердом алюминии. Железо,в отличии от таких переходных металлов как марганец, хром, цирконий, титан и скандий, не имеет тенденции образовывать твердый раствор. Причем твердый раствор не образуется не только при промышленных скоростях охлаждения (до 1000 К/с), но даже и при быстром затвердевании при скоростях порядка 1000000 К/с. Außerdem, фазы, которые образует железо, имеют параметры решетки и структуры, не такие как у алюминия. Поэтому железо не применяют в качестве измельчителя зерна или замедлителя рекристаллизации алюминиевых сплавов.

Механизм легирования алюминия железом

Однако железо, как неизбежная примесь в алюминии, весьма сильно влияет на структуру как литого, так и деформированного металла. Поэтому применение железа как легирующего элемента в некоторых сплавах и материалах связано, allgemein, со специальными свойствами железосодержащих фаз или со специальными технологиями, которые применяются при производстве таких материалов (закалка расплава или механическое легирование).

Фазовая диаграмма алюминий-железо

Для анализа алюминиевых сплавов, в которых железо является примесью или легирующим элементом, незаменимым инструментом является диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) железо-алюминий. diagramma-zhelezo-alyuminiy+Рисунок — «Алюминиевый» край фазовой диаграммы алюминий-железо

Сплавы богатые алюминием характеризуются эвтектическим взаимодействием твердого раствора алюминия и фазы Al3Fe:

L –> Al + Al3Fe.

Эвтектическая реакция происходит при 652-655 ºС при концентрации железа в эвтектической точке 1,8 %.

Фаза Al3Fe (40,7 % Fe) занимает обширную гомогенную область от 37,3 zu 40,7 %. Фаза Al5Fe2 имеет концентрацию железа 27,5-29 % Fe.

Растворимость железа в алюминии

Растворимость железа в алюминии весьма незначительна:

  • 0,052 % beim 655 ºС;
  • 0,043 % beim 625 ºС;
  • 0,034 % beim 600 ºС;
  • 0,021 % beim 500 ºС;
  • 0,005 % beim 450 ºS.

Источник: Belov at al, Iron in Aluminium Alloys: Impurity and Alloying Element, 2002