Микроструктура заготовок сплавов Al-Fe полученных методом литья в водоохлаждаемую изложницу

Алюминий — стабилизирующий элемент, хорошо растворяется в a-Fe, образуя широкие области твердых растворов с о. ц. к. структурой.
Растворимость алюминия в y-Fe при 1150° С составляет 1,285% (ат.); у-фаза полностью исчезает при 1,95 % (ат.).
В сплавах системы Fe - Al образуется пять стабильных фаз: Fe3Al, e, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3, каждая из которых обладает определенной областью гомогенности. Фаза (FeAl) с упорядоченной о. ц. к. решеткой типа B2(CsCl) образуется непосредственно при кристаллизации сплавов по перитектической реакции. Сплавы, содержащие 32—40 % (ат.) А1, в интервале температур 1022 — 700 °С претерпевают вторичное упорядочение, связанное, очевидно, с изменением типа дальнего порядка. Вторичное упорядочение типа В2—>В2' наблюдается также в сплавах систем Fe—Si и Fe—Ge.
При 552° С и 26,8% (ат.) Аl реализуется вырожденное перитектоидное превращение; точку с указанными выше координатами называют иногда двойной точкой Кюри, так как в ней сосуществуют ферромагнитная фаза a-Fe и парамагнитная Fe3Al. Кристаллическая решетка упорядоченной фазы Fe3Al — кубическая типа DO3 (BiFe3).
Чистый алюминий плавится при 660,46° С; при 652° С и 99,1 % (ат.) А1 кристаллизуется эвтектика FeAl + a-Al. При эвтектической температуре в алюминии растворяется 0,03 % (ат.) Fe.
В равновесных условиях алюминий с железом образуют твердые растворы, интерметаллические соединения и эвтектику (рис. 1). Растворимость железа в алюминии незначительна (0,03 ат. % при эвтектической температуре 654 °С), растворимость алюминия в железе в 600 раз выше и составляет примерно 32 %. При затвердевании в структуре сплавов алюминия с железом появляются кристаллы соединения FeAl3 (77,5 ат. % Al). При содержании до 1,8 % железа и температуре 654 °С образуется эвтектика Al + FeAl3. Дальнейшее увеличение содержания железа в сплаве влечет за собой появление химических соединений следующих составов: Fe2Al5 (71 ат. % Al), FeAl2 (67,59 ат. % Al), FeAl (45,2 ат. % Al) и др.

Рисунок 1.1. Диаграмма состояния системы железо-алюминий
Компоненты системы Fe-Al обладают простейшими структурами: α-Fe – кубическая объемно-центрированная, a = 2,8664 Å; γ-Fe — кубическая гранецентрированная, a = 3,656 Å; Al – кубическая гранецентрированная, a = 4,04914 Å.
Несмотря на сравнительно близкие величины периодов, изоструктурные компоненты не образуют непрерывный ряд твердых растворов. На α-модификации железа базируется ограниченный ряд твердых растворов с максимальным содержанием алюминия, равным приблизительно 53 ат. % при температуре 1103 °С. Из этого твердого раствора в результате превращения, состоящего в упорядочении распределения атомов железа и алюминия, образуются два самых богатых железом соединения – FeAl и Fe3Al со следующими структурами: FeAl – кубическая примитивная структура типа CsCl, а = 2,903 Å; Fe3Al – кубическая гранецентрированная структура типа DO3 (BiFe3), а = 5,78 Å. При 552 °С и 26,8 ат. % Аl реализуется вырожденное перитектоидное превращение α + α2 ↔ Fe3Al; в точке с указанными выше координатами сосуществуют ферромагнитная фаза α-Fe и парамагнитная фаза Fe3Al.
По данным, упорядоченная структура типа Fe3Аl образуется в сплавах, содержащих от 25 до 34 ат. % Аl, после медленного охлаждения. После закалки этих сплавов от температуры 600 °С и выше возникает структура FeAl. Процесс упорядочения характеризуется изменением ряда физических свойств, в частности более низким значением точки Кюри, изменением периода кристаллической решетки при комнатной температуре в зависимости от содержания алюминия. При его содержании до 10 % период кристаллической решетки увеличивается линейно с повышением содержания легирующего элемента. Сплавы с содержанием алюминия от 10 до 20 % характеризуются в упорядоченном состоянии почти постоянным периодом решетки. В области невысокого содержания алюминия образуется также нестабильная фаза Fe2Al с гексагональной структурой типа MgZn2 (фаза Лавеса), а = 4,76 Å; b = 7,70 Å; а/c = 1,62.
При содержании алюминия, превышающем 50 ат. %, в системе Al-Fe образуются фазы FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 (Fe4Al13) и метастабильные соединения FeAl6. Структура FeAl6 – ромбическая с периодами решетки а = 7,440 Å; b = 6,4644 Å; c = 8,779 Å. Структура Fe4Al13
(FeAl3) – одна из самых сложных структур интерметаллических соединений, имеющая моноклинную элементарную ячейку с периодами а = 15,489 Å; b = 8,0834 Å; c = 12,476 Å; β = 107°43ʹ. Структура соединения Fe2Al5, содержащего больше железа, чем FeAl3, ромбическая с параметрами а = 7,68 Å; b = 6,40 Å; c = 4,20 Å.
Особенности строения и параметров кристаллической решетки во многом предопределяют механические и эксплуатационные свойства соединений системы Fe-Al. Так, при отношении числа валентных электронов к числу атомов в решетке, равном 3/2, интерметаллические соединения образуют β-фазы с о. ц. к. структурой или со сложной кубической решеткой. К таким соединениям относится сплав FeAl, который обладает металлическими свойствами, однако участие d-электронов в межатомной связи предопределяет появление ковалентной составляющей. Интерметаллиды этого типа характеризуются высокой стойкостью против окисления и газовой коррозии, что позволяет использовать их в качестве жаростойких материалов и покрытий.
Присутствующее в алюминии железо находится в виде химических соединений, что и определяет механические свойства сплавов железо-алюминий. Железо приводит к повышению твердости и прочности сплава и резкому снижению его пластичности. Железоалюминиевые сплавы с содержанием железа 8…10 масс. % обладают незначительной пластичностью, а еще более легированные железом весьма хрупки.


1.2. Технологические параметры процесса литья в водоохлаждаемую изложницу алюминиевых сплавов
Ряд преимуществ перед способом литья в сплошные изложницы имеет весьма распространенный в настоящее время способ литья слитков в вертикальные, охлаждаемые водой, изложницы. Эти преимущества сводятся в основном к следующему:
а) увеличивается срок службы изложниц;
б) сокращается наличный парк изложниц в цехе, так как ускоряется охлаждение и слитка, и изложницы;
в) увеличивается направленность охлаждения снизу вверх:
1) при одинаковой скорости литья (скорости подъема уровня металла) более быстрое охлаждение вызывает кристаллизацию относительно большей части металла во время заполнения изложницы;
2) из-за меньшего градиента температур по сечению медного листа водоохлаждаемой изложницы деформация вследствие термических напряжений в этом случае меньше, чем при сплошной, в особенности чугунной изложницы;
3) подвод холодной воды осуществляется снизу, а отвод нагревшейся в изложнице — сверху.
Аналогично тому, как это делается при литье в сплошные изложницы без водяного охлаждения, в случае литья в охлаждаемые водой изложницы применяются смазки, наносимые на внутреннюю поверхность изложниц, а также применяются и воронки для литья.
Обычно изложницы для отливки плит конструируются в виде двух кессонов (рис. 1.2), стороны которых, обращенные к слитку, делаются из прокатанного листа меди, стали или инвара — сплава железа с никелем, обладающего малым коэффициентом термического расширения. Узкие стороны изложниц и поддон обычно делаются из чугунных плит (иногда и боковые стенки изложниц делают охлаждаемыми водой). Вода в изложницу поступает в несколько подогретом виде, что достигается отводом идущей от изложниц воды в сборный бак, из которого се в случае необходимости разбавляют холодной водой из водопровода и вновь пускают для охлаждения изложниц. Вода для охлаждения подводится к изложнице снизу, а нагретая в кессоне отводится сверху по трубке, проходящей обычно внутри кессона. Так как расплавленный металл поступает в изложницу сверху, то получается противоток, создающий направленное охлаждение.