Влияние интерметаллических фаз на свойства сталеалюминиевых соединений Фазовый состав сталеалюминиевых соединений
При производстве высокотемпературных защитных покрытий, в сталеалюминиевых сварных соединениях, а также в биметаллических отливках металлическая связь достигается за счет диффузионного слоя, образующегося на поверхности железных образцов (арматуры) при алитировании погружением в расплав чистого алюминия либо алюминиевых сплавов. Наиболее развитые диффузионные слои получаются при длительном взаимодействии алюминия со сталью и чугуном, поэтому строение и состав слоя рассматриваются применительно к этому случаю.
Металлографические исследования диффузионного слоя в светлом и темном поле с косым освещением и поляризованном свете с использованием различных травителей показали, что слой в основном содержит отдельные крупные столбчатые кристаллиты, имеющие мозаичное строение. Установлено также, что слой состоит из двух зон: тонкой, прилегающей к алюминию, и более толстой, растущей внутрь железа.
Сталь Исследования позволили обнаружить в диффузионном слое фазу Fе2Аl5. При алитировании белого и серого чугунов в чистом алюминии при 800°С в диффузионном слое наряду с фазой Fе2Аl5 присутствуют также мелкие выделения фазы Аl4С3. Имеются также данные о том, что состав диффузионного слоя изменяется в зависимости от химического состава ванны для алитирования и состоит либо из FеАl3, либо из Fе2Аl5, при этом особое влияние на состав диффузионного слоя оказывают добавки к алюминию цинка и кремния.
Некоторые авторы считают состав диффузионного слоя более сложным. Так, например, при алитировании серого чугуна в алюминиевом сплаве сложного состава (14 % Zn, 7 % Si, 1 % Си и 0,5 % Mg) слой состоит из FеАl3, Fе2Аl5, Аl3Мg3, SiFe, АUС3 и др. По данным рентгеноструктурного анализа алитированной стали и биметаллических образцов после разрушения, диффузионный слой состоит из трех фаз: FеАl3, Fе2Аl5 и Fе3Аl; при этом добавка в ванну для алитирования до 5 % Zn на фазовый состав слоя не влияет. По данным электронно-микроскопических исследований, при алитировании серого чугуна в алюминиевом сплаве с 5 % Si и 0,6 % Be в диффузионном слое наряду с другими фазами найдено также тройное химическое соединение Аl2Fе3Si. Противоречивые суждения разных авторов о фазовом составе диффузионного слоя следует объяснить трудностью изучения тонких диффузионных слоев, отсутствием достоверных данных о кристаллической структуре и свойствах интерметаллических фаз системы железо – алюминий, низкой симметрией кристаллических решеток этих фаз, особенно с большим содержанием алюминия, многообразием условий алитирования.
Нами изучалось строение и фазовый состав диффузионного слоя при алитировании образцов армко – железа (0,014 % С), сталей марок 20 и У8А и чугуна марки СЧ21 – 40. Чугун имел следующий химический состав: 3,33 % С; 1,92 % Si; 0,73 % Мn; 0,41 % Р; 0,11 % S; 0,43 % Сr; 1,07 % Ni. Алитирование образцов производили при различной температуре и разной выдержке в расплаве чистого алюминия или в алюминиевом сплаве с 4 % Si и 7 % Zn. Применяли цилиндрические образцы двух типов: диаметром 10 мм и длиной 30 мм и диаметром 18 мм и длиной 70 мм.
Строение диффузионного слоя изучали металлографическим методом с применением комплексного травителя следующего состава: 1 мл концентрированной плавиковой кислоты; 1,5 мл соляной кислоты (плотностью 1,19 г/см3); 2,5 мл серной кислоты плотностью 1,84 г/см3; 95 мл воды. Фазовый состав слоя исследовали с помощью химического и рентгеноструктурного анализов и измерения микротвердости. Фазовый рентгеноструктурный анализ проводили путем последовательного сошлифовывания и рентгенографирования косого шлифа диффузионного слоя через каждые 10 – 15 мкм, а также путем рентгенографирования поверхностей разрушения биметаллических образцов в экспрессной камере Курдюмова – Каминского.
Для получения эталонных рентгенограмм и определения микротвердости интерметаллических железоалюминиевых фаз изучали бинарные железоалюминиевые сплавы в литом и отожженном состоянии. На основании проведенных замеров по эталонным сплавам была построена зависимость микротвердости от состава сплава, которую мы использовали в дальнейших исследованиях.
Интенсивное растворение столбчатых кристаллитов диффузионного слоя в алюминии указывает также на то, что фаза, составляющая эти кристаллиты, не находится в термодинамическом равновесии с алюминиевым расплавом и, следовательно, имеет состав, отличный от соединения FеАl3. Таким образом, микроструктурный анализ показывает, что диффузионный слой является двухфазным. Как уже отмечалось выше, образование двухфазного слоя является результатом реактивной диффузии в системе твердое железо – алюминиевый расплав: диффузия атомов алюминия способствует удлинению столбчатых кристаллитов и повышению общей толщины слоя, а встречная диффузия атомов железа изменяет условия равновесия системы, что приводит к уменьшению его толщины. С термодинамической точки зрения, это явление сводится к увеличению энтропии смешения и уменьшению свободной энергии системы, а поэтому протекает самопроизвольно и необратимо. Как известно, диффузия атомов в упорядоченных твердых растворах и интерметаллических соединениях протекает по вакансионному механизму. Вследствие различия парциальных коэффициентов диффузии атомов железа и алюминия концентрация вакансий в кристаллитах превышает равновесную, в результате чего избыточные вакансии коагулируют, образуя так называемую диффузионную пористость. Толщина слоя и пористость его увеличиваются пропорционально длительности алитирования.
По величине микротвердости 950 – 970 кГ/мм2 столбчатые кристаллиты диффузионного слоя наиболее полно соответствуют интерметаллическим соединениям Fе2Аl5 (1000–1200 кГ/мм2) и FеАl3 (820 – 980 кГ/мм2). Если же учесть высокую хрупкость и пористость слоя, то только на основании данных микротвердости судить о фазовом составе диффузионного слоя не представляется возможным.
Химический анализ показал, что взятый из диффузионного слоя порошок содержал 52,13 % А1 и 0,47 % С, т. е. слой по составу соответствует в основном интерметаллическому соединению Fе2Аl3, содержание алюминия в котором в среднем составляет 54,71 %.
Исследования показали, что выбранные режим алитирования, структура и химический состав применявшихся для алитирования ванн не изменяют фазовый состав и двухзонное строение слоя, а лишь относительное количество фаз в слое. Очевидно, различная скорость роста столбчатых кристаллитов и их растворения в алюминиевом расплаве приводит к изменению количественного соотношения фаз в слое, что, учитывая большую трудность исследования тонких диффузионных слоев, послужило причиной различных выводов о фазовом составе диффузионного слоя.
Ранее были приведены термодинамические расчеты, которые показали, что из всех железоалюминиевых фаз термодинамически наиболее устойчиво соединение FеАl3. Тем не менее, основную толщину диффузионного слоя составляют кристаллиты фазы Fе2Аl5, имеющей меньшую термодинамическую устойчивость по сравнению с фазой FеАl3. Наличие в диффузионном слое фазы Fе2Аl5 объясняется специфичной дефектной решеткой этой фазы, способствующей быстрому притоку атомов алюминия к фронту роста кристаллов. Тонкая зона соединения FеАl3 может образоваться также в результате растворения кристаллов фазы Fе2Аl3 в алюминиевом расплаве.

  • Читать все новости