Железо в алюминии

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 %.

С другой стороны, железо является главным компонентом в материалах на основе алюминия, которые производят с применением новых технологий. Например, в аморфных и нанокристаллических сплавах содержание железа составляет более 10 %. Эти материалы обладают рекордным уровнем прочности до 1500 МПа.

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. Кроме того, 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. Кроме того, необходимо учитывать возможность соединения основных легирующих элементов в нерастворимые фазы. Такие фазы могут приводить к снижению, например, эффекта упрочнения старением.

Нерастворимые фазы часто имеют электродный потенциал, сильно отличающийся от потенциала алюминиевой матрицы, что снижает коррозионную стойкость сплава. С другой стороны, 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. Например, 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. Более того, 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, как правило, 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. Рисунок — «Алюминиевый» край фазовой диаграммы алюминий-железо [1]

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 до 40,7 %. Фаза Al₅Fe₂ имеет концентрацию железа 27,5-29 % Fe.

Растворимость железа в алюминии

Растворимость железа в алюминии весьма незначительна:

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

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