Образование зоны интерметаллических соединений при контакте жидкого алюминия с твердой сталью.
Исследования, посвященные непосредственно механизму образования и кинетике роста диффузионного слоя, весьма малочисленны. К тому же большая часть этих исследований относится не к самому механизму образования слоя, а к отдельным его моментам. Вместе с тем этот слой определяет работоспособность всего разнородного соединения. Стивене указывает, что необходимым условием для получения металлической связи между двумя металлами является способность одного металла растворяться в другом. В случае пары твердое железо – расплавленный алюминий такой способностью обладает железо. При растворении железа поверхность его резко увеличивается, в результате чего создаются условия для последующей реакции железа и алюминия с образованием интерметаллического диффузионного слоя. Благодаря тому, что температура процесса невысока, реакция этим ограничивается. При повышении температуры или увеличении времени алитирования возможно дальнейшее протекание диффузионных процессов с образованием фаз, богатых железом.
Описанный механизм образования диффузионного слоя нельзя признать исчерпывающим. В этой связи более полным следует признать механизм, предложенный в работе. Основным условием образования диффузионного слоя является хорошая смачиваемость алюминиевым расплавом поверхности железной детали. В первый момент взаимодействия алюминия с железом происходит растворение последнего и хемосорбция на его поверхности атомов алюминия, что создает условия для последующей химической реакции с образованием слоя интерметаллического соединения. Поэтому чем больше растворяющая способность алрминия по отношению к арматуре, тем за более короткое время образуется диффузионный слой и тем он ровнее.
При протекании химической реакции в первый момент наиболее вероятно образование интерметаллического соединения FеАl3, как имеющего наибольшую теплоту образования (6, 7 ккал/г-атом). В результате образования слоя этого соединения непосредственный контакт железа с расплавом нарушается. Поэтому дальнейший рост диффузионного слоя идет при диффузии через слой атомов алюминия либо молекул соединения FеАl3; диффузия атомов железа при этом имеет подчиненное значение. Так как в процессе диффузии атомы алюминия (молекулы FеАl3) взаимодействуют с материалом основы арматуры – железом, то фазовый состав диффузионного слоя изменяется. В результате в растущем слое возможно образование интерметаллических соединений с меньшим содержанием железа – Fе2Аls, FеАl2, FeAl – и даже твердого раствора алюминия в железе. Этому способствует также встречная диффузия атомов железа. Однако наличие градиента концентрации алюминия по толщине диффузионного слоя приводит к диффузии атомов алюминия (молекул FеАl3) через слой в направлении железа, в результате чего возникшие интерметаллиды обогащаются алюминием вплоть до FеАl3. Следовательно, фазовый состав растущего слоя будет зависеть от скорости диффузии атомов алюминия (молекул FеАl3); при значительной величине этой скорости в диффузионном слое образуются интерметаллические соединения, более богатые алюминием – FеАl3 и Fе2Аl5.
Таким образом, увеличение толщины диффузионного слоя происходит главным образом в результате диффузии атомов алюминия (молекул FеАl3) путем цепочной передачи их через ряд интерметаллических соединений железа с алюминием. При этом рост слоя идет на границе его с железом. Увеличение толщины диффузионного слоя затрудняет диффузию атомов алюминия, что приводит к затуханию скорости роста слоя во времени в соответствии с параболической зависимостью и к образованию в слое нескольких зон из вторичных фаз (например, Fе2Аl5). Однако, как указывается в работах, описанный механизм роста диффузионного слоя имеет место только в случае взаимодействия чистых железа и алюминия. При алитировании сталей и чугунов в алюминиевых сплавах содержащиеся в них примеси оказывают существенное влияние на процесс образования диффузионного слоя и изменяют его состав и строение. Некоторые моменты описанного механизма образования диффузионного слоя находят свое подтверждение в ряде других работ, где утверждается, что при погружении железа в расплавленный алюминий происходит растворение железной поверхности с образованием химического соединения FеАU. В дальнейшем с увеличением времени алитирования это соединение диффундирует внутрь железа с образованием твердого раствора соединения в железе.
Так как взаимная диффузия двух металлов может происходить только в условиях смачивания поверхности железа алюминием, рекомендуется применять специальные флюсыНепосредственное наблюдение диффузии алюминия в железо с помощью высокотемпературного микроскопа показало, что сначала выявляются границы зерен алюминия, а при дальнейшем нагреве происходит быстрое расплавление алюминия, растекание его по поверхности стального образца и образование диффузионного слоя по поверхности контакта расплавленного алюминия со сталью.
В работе установлено, что слой состоит из кристаллов только одной фазы Fе2Аls. Зародыши фазы РегАЬ уже с самого момента своего возникновения благоприятно ориентируются к поверхности образца и вырастают вследствие анизотропии роста в виде столбчатых кристаллов – «языков». Тот факт, что при алитировании железа с аустенитной структурой «языкообразного» строения слоя не наблюдается, авторы объясняют влиянием высокой температуры алитирования: с повышением температуры число зародышей фазы Fе2Аls в поверхностном слое железа резко увеличивается, что тормозит и, в конечном итоге, подавляет их преимущественный рост. В результате этого также значительно уменьшается общая толщина диффузионного слоя. Аналогичный механизм роста слоя описан в работе.
Таким образом, в литературе в настоящее время не имеется достоверных данных о механизме образования диффузионного слоя. Этим в основном объясняется значительное расхождение мнений о свойствах диффузионного слоя, о его фазовом составе и о причинах различного строения.
  • Читать все новости