Сплавы железа с алюминием обладают уникальными свойствами, позволяющими применять их для изготовления деталей, подверженных термическим воздействиям, окислению или коррозии. Их использование имеет узкую направленность — они ориентированы на промышленные сферы эксплуатации.
История открытия
Первые попытки применения сплавов алюминия и железа были предприняты Фарадеем в 1820 году. Были попытки использовать сплав алюминия в качестве легирующего элемента для получения высокопрочной стали, но они оказались неэффективными.
Тщательные исследования были возобновлены после 1918 года в СССР, Германии, Англии. Было показано, что при добавлении Al возрастают жаропрочные свойства чугуна. Образцы обладают повышенной прочностью, хрупкостью, стойко переносят контакт с кислыми средами, не склонны к образованию окалин.
Было обнаружено, что появление окалин зависит от толщины оксидной плёнки на образцах: чем она толще, однороднее, тем выше защита поверхности. Важно, чтобы окислы не формировали эвтектическую фазу и не подвергались возгонке, а их ионная проводимость была минимальной.
Условием жаростойкости образца являются потери с окалиной в пределах 2-10-3–4-10-3 г/см2/ч.
Множество проведённых исследований сплавов Fe и Al закончились определением их химических и физических свойств. Это связано с проблемами газового насыщения образцов, угаром алюминия, формированием внутренних оксидных плёнок, разрушением образцов при нормальных условиях.
Наиболее перспективными оказались сплавы с содержанием от 16 до 20% Al и 3% углерода, получившие название «чугаль». Именно их начали выплавлять в СССР.
Позже группа изобретателей во главе с З. Эмингером разработала технологию производства качественных отливок железоалюминиевых образцов. Благодаря этому были получены новые данные.
Состав и структура
Структура сплава алюминия с железом представляет собой пересыщенный раствор Al в α-Fe с упорядочением структуры FeAl (тип В2), наличием включений Fe3AlCx. Свойства определяются упорядочением альфа-фазы и пересыщением. Чтобы сформировать однородный состав, необходим отжиг при температуре выше упорядочения состава с последующим регулируемым охлаждением.
При количестве Al 8–14% формируется столбчатая матричная структура. В процессе отжига структура немного упорядочивается: включения длиной до 150 мкм находятся вдоль границы зёрен. Выделение включений происходит при охлаждении из твёрдой фазы.
Метастабильное состояние фазы определяется количеством включений. Отжиг позволяет их сократить до 2%. Чем больше в составе алюминия, тем больше создаётся негомогенных областей, в результате чего понижается микротвёрдость матрицы до 0,4 ГПа и износостойкость образца.
С увеличением скорости отжига при водяном или воздушном охлаждении количество карбидных включений снижается.
14-20% сплав алюминия с железом имеет также матричную структуру, но карбидная фаза обеднена по Al и структура FeAl не упорядочена. При отжиге на воздухе количество карбидных включений возрастает, за счёт чего повышаются свойства износостойкости и прочности. Если проводить охлаждение в воде, то такого эффекта не наблюдается и образец получается хрупким.
При повышенном содержания в сплаве Al от 20 до 30% карбидной фазы становится меньше, при охлаждении образцов данная фаза отсутствует в структуре или не более 3%. За счёт большого количества алюминия образец приобретает высокую прочность и пластичность. Воздушное охлаждение после отжига стимулирует образование твёрдых износостойких фаз.
Увеличение содержания алюминия в расплаве становится причиной формирования интерметаллида Fe4Al13, который не устраняется после отжига, а образец становится непригодным для какого-либо практического применения.
Для улучшения свойств расплава в состав вводятся следующие легирующие элементы:
- 0,1–10% Cr,
- 0,1–0,2% Nb,
- 0,1–2,0% Si,
- 0,1–5% B,
- от 50 до 200 мг/кг Zr.
Содержание углерода — от 100 до 500 мг/кг.
Характеристики и свойства
Сплавы железа и алюминия имеют следующие характеристики:
- количество циклов термического нагрева до 240, в зависимости от химического состава,
- предел прочности на растяжение 100 МПа,
- отличные литейные свойства сплава,
- допустимо применение легирующих элементов: Cr, Ni, Ti, Mo, Cu, B, Si, Nb, Zr.
Свойства сплава:
- хорошая свариваемость при условии термообработки выше +7000С,
- высокая химическая стойкость,
- необходимость формирования стабильной фазы расплава при температуре до 9000С,
- коррозионная стойкость.
Изготовление
Сплав создаётся из отходов дюрали, алюминия и железа путём алитирования. В жаростойкую ёмкость (электродуговую печь) засыпают, очищенные от окалин и грязи, куски стали (степень очистки 99%), 49% смесь Al или алюминиевого сплава, содержащего 2% хлористого аммония, а затем спекают в атмосфере аргона. Температура термообработки может составлять от +9000С до +15000С.
Нагрев ёмкости осуществляют подачей тока на нагревательные элементы или через саму конструкцию, при условии её высокого омического сопротивления.
После нагрева выбирают оптимальный способ отжига, в зависимости от состава компонент, с последующим естественным охлаждением.
Где применяют?
Железоалюминиевые расплавы применяются при производстве деталей и агрегатов, которые подвержены следующим воздействиям:
- термическому,
- механическому,
- окислительному.
Также сплавы заменяют никелевые сверхпрочные сплавы и специальные стали.
Достоинства и недостатки
Преимущество сплава железа с алюминием — механические характеристики, которые сравнимы с некоторыми титановыми и никелевыми суперсплавами. Предел прочности при растяжении составляет до 100 МПа.
Другим достоинством является стойкость к окислению и коррозии при температурах до +7000С. При более высоких температурах допустимо применение таких конструкций, но без значительных механических нагрузок.
К недостаткам относят:
- хрупкость, проявляемую при определённых условиях эксплуатации и зависящую от температуры и нагрузок,
- при концентрации алюминия менее 12% сплав подвержен окислению, коррозии снижению пластичности,
- сложность получения стабильной фазы с заданными характеристиками,
- низкая прочность на растяжение.
Сплав легко расплавляется, что позволяет снизить расходы на его производство. Допустимо использование вторсырья, которое прошло соответствующие этапы очистки от примесей.
(Пока оценок нет)
Загрузка...
