Железо в литейном алюминии

Источники железа в алюминии

Железо является наиболее распространенным примесным элементом в алюминиевых сплавах, источником которого являются бокситы и стальные инструменты, используемые как при первичном, так и при вторичном производстве. Железо обычно образует в алюминиевых сплавах вторичные фазы из-за его низкой равновесной растворимости в твердом алюминии (макс. 0,05%). Этими фазами в основном являются Al3Fe, α-AlFeSi и β-AlFeSi. Эти богатые железом фазы оказывают заметное негативное влияние на механические свойства сплава. Пластичность и прочность на растяжение прогрессивно снижаются с увеличением содержание Fe. После превышения некотрого критического содержания Fe пластичность снижается очень резко.

Тем не менее, железо присутствует в большинстве традиционных сплавов для литья под давлением в качестве примеси, но очень полезной примеси. Минимум 0,8% Fe полезен для некоторых сплавов для литья под высоким давлением для предотвращения прилипания к стальной литейной форме [1].

β-фаза и α-фаза

Al-Fe-Si являются основными фазами с высоким содержанием железа в алюминиевых сплавах. Наиболее важными фазами с высоким содержанием железа в алюминиевых сплавах, содержащих кремний, являются β-фаза и α-фаза.

α-фаза обычно идентифицируется как α-AlFeSi. Эта α-фаза имеет компактную морфологию, такую как “китайское письмо”, звездообразная и многоугольная (рис. 1 и рис. 2). Считается, что для механических свойств алюминиевых сплавов α-фаза гораздо менее вредна, чем пластинчатая фаза β-Al-FeSi [1].

Пластинчатая β-фаза обычно идентифицируется как β-AlFeSi. Среди всех фаз, богатых железом, фаза β-AlFeSi считается наиболее вредной. Фаза β-AlFeSi имеет нежелательную пластинчатую морфологию, как показано на рис. 1 и рис. 3. Она является хрупкой фазой, 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.

Fig. 1 Typical morphology of α-phase and β-phase in aluminum [1]

Fig. 2 Three-dimensional reconstruction of α-phase:
(a) original two-dimensional photo;
(b) three-dimensional α-phase with high convoluted arms observed

Fig. 3 Three-dimensional reconstruction of β-phase,
(a) original two-dimensional phases; (b) three-dimensional β-phase

Влияние железа на механические свойства

В некоторые сплавы железо добавляется намеренно. Например [1]:

В сплавы Al-Cu-Ni обычно добавляют железо для повышения жаропрочности.
В сплавы Al-Fe-Ni добавляется железо для уменьшения коррозии в высокотемпературном водяном паре.
В алюминиевые проводники добавляется железо для повышения прочности без существенной потери проводимости.
Промышленные стандарты обычно допускают присутствие значительно большего количества Fe в сплавах для литья в постоянные формы и литья под давлением по сравнению со сплавами, которые отливают в песчаные формы. Это потому, что скорость охлаждения в этих условиях литья выше и, соответственно, поэтому размер микроструктурных структурных компонентов меньше.
В сплавах для промышленного литья под давлением содержание Fe превышает 0,8 мас.%, а выделяющаяся эвтектическая композиция Al-Si-Fe предотвращает прилипание расплавленных сплавов к стальной форме. В этих случаях Fe является легирующим элементом.

Механические свойства литого алюминиевого сплава обычно ухудшаются из-за присутствия железа. Трехмерные морфологические конструкции богатых железом интерметаллических соединений показывают, что они имеют гораздо более сложную и хрупкую морфологию, чем то, что можно видеть при двумерном наблюдении. Эта их морфология объясняет, почему они так вредны для механических свойств алюминия [1].

Литейный алюминий

3-D morphology

Механические свойства литейного алюминиевого сплава обычно ухудшаются в присутствии железа. Трехмерные морфологические конструкции богатых железом интерметаллических соединений показывают, что они имеют гораздо более сложную и хрупкую морфологию, чем то, что можно видеть при двумерном наблюдении (Fig. 4) [1]. Эта их морфология объясняет, почему они так вредны для механических свойств алюминия [1].

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

Железо является главным примесью, которая отвечает за низкий уровень ударной вязкости обычных алюминиевых сплавов.
Железосодержащей фазой, которая образуется из жидкости в высококремнистых алюминиевых сплавах является β-FeSiAl₅.
Частицы β-FeSiAl обычно называют игольчатыми или иглообразными (Fig. 5), хотя на самом деле они являются пластинами.
Добавки в сплав марганца в количестве, равном половине содержания железа, меняют фазу β-FeSiAl на фазу α-FeSiAl с химической формулой (Fe,Mn)₃Si₂Al₁₅. Эта фаза уже не игольчатая, а чем-то напоминает письменный шрифт. Она не такая вредная, как игольчатая, хотя еще остается охрупчивающей фазой (Fig. 6).

Fig. 5– ß-AlFeSi needles [2]

Fig. 6 – Alpha-Fe Script Phase (Fe,Mn)3Si2Al15 in 357 alloy.
Less harmful than ß-AlFeSi needles but still embrittling [2]

Скорость охлаждения и размеры игл β-FeSiAl

Длина игл β-FeSiAl является функцией скорости охлаждения. Мерой скорости охлаждения служит междендритное расстояние в структуре сплава. Чем выше скорость охлаждения, тем меньше междендритное расстояние.
С увеличением содержания железа в сплаве длина игл β-FeSiAl также увеличивается (Fig. 6).

Fig. 6 – ß-AlFeSi needle length as function of secondary dendrite arm spacing
(Source: Biswal et al) [2]

Иглы β-FeSiAl и механические свойства

Присутствие в микроструктуре алюминиевых сплавов игл β-FeSiAl снижает их механические свойства.
Больше всего иглы β-FeSiAl снижают на вязкие свойства алюминиевых сплавов, особенно вязкость вторичных сплавов с высоким содержанием железа (Fig. 7).

Fig. 7 – Comparison of low vs. high Fe 357 alloys (0.093% Fe vs. 0.055% Fe)
(Source: F. Major, Alcan) [2]

Источники:

Iron: Removal from Aluminum / L. Zhang, J. Gao, L. N. W. Damoah and D. G. Robertson // Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys – Eds. G.E. Totten, M. Tiryakioglu, O. Kessler – 2019
European Aluminium Association, 2002