Образование зоны интерметаллических фаз в соединении алюминии-железо при нагреве.
Изучение скорости роста интерметаллических фаз при диффузии различных металлов имеет существенное практическое значение. Свойства биметаллических соединений (прочность, коррозионная стойкость и др.) определяются строением и толщиной отдельных фаз.
Для изучения кинетики взаимодействия алюминия с армко-железом в твердом состоянии был получен биметалл алюминий – армко-железо методом однокомпонетной прокатки в холодном состоянии. При этом исключались диффузионные процессы, которые протекают в биметалле при горячей прокатке. Степень обжатия при прокатке составляла примерно 54 %, толщина полученного биметалла была 5 – 6 мм. Из биметаллических листов алюминия АДО и армко-железа вырезали образцы размером 20 x 20 x 5 мм. Их помещали в эвакуированные кварцевые ампулы и отжигали в муфельных печах при 300, 400, 500, 600, 630, 650° С с регулировкой температуры +5 град. Длительность отжига изменяли от 15 мин до 8 – 10 ч. Образцы охлаждали на воздухе вместе с кварцевыми ампулами. После охлаждения с образцов снимали слой металла толщиной 1,5 – 2 мм, чтобы исключить влияние наклепа поверхности на процесс диффузии. На одной из граней образца приготовляли шлиф, на котором изучали структуру слоя, измеряли его толщину и микротвердость, исследовали фазовый состав и распределение элементов. Определяли также характер и закон роста интерметаллического слоя.
Для выявления макроструктуры алюминия, а также алюминия со сталью был использован реактив следующего состава: 3 ч. азотной кислоты, 2 ч. соляной кислоты, 1 ч. воды. Для биметалла алюминий с армко-железом или низкоуглеродистой сталью Ст. 3 применяли 3 – 5 %-ный спиртовый раствор азотной кислоты. Травление продолжалось 10 – 15 сек. Для изучения особенностей интерметаллического слоя это время увеличивали до 20 – 25 сек. Для выявления структуры алюминиевой части соединения и интерметаллического слоя применяли полирование в электролите такого состава:
1000 см 3 уксусной кислоты; 30 – 75 см 3 хлорной кислоты; 2 – 5 г алюминиевой фольги. Режим подбирали опытным путем. Структуру биметалла исследовали под микроскопом при различных увеличениях.
Первоначально этот слой состоит из отдельных, как бы разрозненных кусочков интерметаллидов. В некоторых участках он вообще не просматривается при увеличении 1000.
При изучении структуры биметалла алюминий – армко-железо в состоянии после прокатки с помощью электролитического и химического травления удалось на границе контакта выявить окисные включения на железной основе, а также участки скопления окисной алюминиевой пленки. Они служат своеобразным индикатором, по которому определяют направление диффузионных процессов в биметалле.
Наличие этих включений по границе контакта в первое время тормозит диффузионные процессы. На участках расположения окисных включений интерметаллид не образуется. С увеличением температуры и времени нагрева тормозящее действие окисных включений прекращается. Интерметаллический слой в этом случае образуется по всей границе контакта. Наблюдается продвижение фронта интерметаллидов в сторону железа.
Все вышесказанное справедливо для температур нагрева биметалла армко-железо – алюминий вплоть до 600° С. С увеличением температуры до 630 и 650° С в переходной зоне исследуемых соединений происходят резкие изменения. При нагреве до 650° С в течение 15 и 30 мин по границе контакта возникает интерметаллический слой неравномерной толщины. По структуре он похож на слой, образующийся при 600° С. При этих выдержках толщина слоя составляет 10 и 14 мкм соответственно. Детальное изучение структуры возникающего в этом случае слоя и замер толщины составляющих его прослоек позволили построить зависимости. Из рисунка следует, что с увеличением выдержки при 650° С общая толщина интерметаллического слоя повышается главным образом в результате роста прослойки фазы Fе2Аl5 (рост языков). Увеличение прослойки, состоящей из фазы FеАl3, в сторону алюминия, хотя и происходит, но менее интенсивно, чем фазы Fе2Аls.
Для установления фазового состава интерметаллических фаз, образующихся при взаимодействии железа с алюминием в твердом и твердо-жидком состояниях, было исследовано распределение железа в образцах после соответствующих изотермических отжигов.
Если в процессе диффузии образуется несколько интерметаллических соединений в виде резко очерченных слоев, то с течением времени или при изменении температуры каждый слой растет с определенной скоростью. Скорость эта обычно измеряется одним из двух способов: либо определяется общее количество элемента, диффундирующего через границу раздела, либо замеряется толщина интерметаллического слоя. Второй участок характеризует кинетику роста интерметаллического слоя в сторону железа. Так как прослойка со стороны алюминия в несколько раз тоньше, чем со стороны железа, то этот участок иллюстрирует изменение толщины слоя, возникшего в твердожидком состоянии. Алюминий при этих выдержках уже частично оплавился.
  • Читать все новости