Железо в литейных алюминиевых сплавах

 

Железо является обычной примесью всех алюминиевых сплавах – литейных и деформируемых. Оно попадает в него из нескольких источников и, по крайней мере, для сплавов Al–Si считается по разным причинам вредным. Необходимо отметить, что железо вредно не всегда.

В некоторых деформируемых алюминиевых сплавах, то есть сплавах, предназначенных для ковки, прессования или прокатки, железо может быть намеренным легирующим элементом для улучшения технологических свойств сплава и/или повышения прочности конечного изделия. Однако при изготовлении отливок не применяют эти деформируемые сплавы, а работают с литейными сплавами, которые имеют намного большее содержание легирующих элементов по сравнению с деформируемыми сплавами, а также почти всегда – то или иное количество кремния. Именное кремний делает эти сплавы литейными.

Фазовая диаграмма железо-алюминий

Железо – естественная примесь

Железо является естественной примесью, которая возникает в ходе производства первичного алюминия – превращения бокситов в глинозем и глинозема в расплавленный алюминий. В зависимости от качества исходной руды, степени контроля технологии и качества других исходных материалов жидкий первичный алюминий обычно содержит от 0,03 до 0,15 % железа, в среднем – от 0,07 до 0,10 %.  

Экономичного способа удаления железа из алюминия не существует (см. также Железо в алюминии), поэтому эти «первичные» величины являются типичным нижним уровнем содержания железа в литейных и деформируемых алюминиевых сплавах, а все последующие обработки расплава могут только увеличивать его. Железо может попадать в расплав при его обработке по следующим двум основным механизмам. 

Как железо попадает в алюминий

1. Жидкий алюминий способен растворять железо не защищенного от расплава стального плавильного инструмента, а также стального печного оборудования. При длительном контакте алюминия со сталью уровень железа в расплаве может достигать 2 % при температуре расплава 700 °С (эвтектика Al–Feвозникает при содержании железа 1,7 % и температуре 655 °С). Если расплав держать при температуре 800 °С, то уровень железа может достигнуть 5 %.

2. Железо может попадать в алюминиевый расплав через добавки не слишком чистых легирующих элементов, например, кремния, а также при добавлении лома, который обычно содержит значительно большее содержание железа, чем первичный металл.

По этим причинам уровень железа в алюминиевых сплавах продолжает увеличиваться с каждым переплавом. Поэтому вторичные алюминиевые сплавы, особенно те сплавы Al–Si, которые предназначены для литья под высоким давлением, ограничивают содержание железа величиной 1,5 %. В случае литья под высоким давлением высокое содержание железа как раз не так уж и плохо, так как оно помогает минимизировать дорогостоящую проблему налипания металла на матрицу. Однако типичные вторичные сплавы Al–Si для литья не под давлением обычно содержат железа намного меньше, в интервале от 0,25 до 0,8 %, а чаще всего – от 0,4 до 0,7 %.

Причина такого низкого содержания железа в сплавах происходит от коммерческого баланса между выгодами от пониженной стоимости металла и приемлемых технологических проблем с его литьем и/или уровнем конечных механических свойств.  

Уровень железа в литейных алюминиевых сплавах      

1. Насколько это возможно уровень железа в литейных алюминиевых сплавах Al–Si должен быть как можно более низким, чтобы избежать его отрицательного влияния на механические свойства, особенно на пластичность и вязкость разрушения. Это означает, что нужно свести до минимума загрязнения алюминиевых сплавов железом путем тщательного выбора шихты и применения огнеупорных защитных покрытий на всем стальном инструменте, который применяется при приготовлении и обработке расплавов. 

2. Необходимо избегать содержания железа выше критического уровня для данного содержания кремния, так как это может привести к серьезной потере пластичности конечного литого изделия и снизить производительность разливки из-за увеличения брака из-за усадочной пористости и, в частности, по герметичности.

3. Предельное содержание железа (в %) для сплава Al–Si приближенно вычисляют по следующей формуле: Fe≈0,075 x [%Si] – 0,05.    

4. Если скорость затвердевания/охлаждения очень высокая (например, при литье под высоким давлением), высокое содержание железа может быть полезным, но со снижением скорости охлаждения (литье в кокиль -> литье в песчаные формы) вероятность возникновения проблем при высоком содержании железа резко возрастает.

5. Традиционные режимы термической обработки для алюминиевых сплавов Al–Si, например Т6, не меняют природы железосодержащих фаз. В структуре остаются те же интерметаллические соединения и хотя в результате термической обработки общий уровень механических свойств сплава может улучшиться, он будет выше при изначально более низком содержании железа.  

6. Часто применяют добавление марганца для «нейтрализации» вредного влияния железа в соотношении содержания марганца к содержанию железа около 0,5. Однако выгоды от этого не всегда очевидны. Избыток марганца может понизить долю β-фазы и способствовать образованию α-фазы железосодержащих соединений. Это может улучшить пластичность, но может привести к образованию так называемых твердых пятен и трудностям при механической обработке. При высоком содержании железа добавки марганца не всегда улучшают жидкотекучесть литейного алюминиевого сплава и снижают его пористость. Кроме того, добавление марганца в расплав с высоким содержанием железа может способствовать чрезмерному образованию шлака.       

Источник: www.aomevents.com/conferences/…/Taylor