В сучасній науці і техніці при створенні нових матеріалів з високими функціональними властивостями для виготовлення ряду деталей вузлів і механізмів у машинобудуванні, авіаційної і ракетно-космічної техніки до них також ставиться вимога мати малу густину [1]. У цьому відношенні перспективними є легкі композиційні матеріали на основі алюмінію зміцненого твердою дисперсною фазою, якою можуть бути тверді сполуки перехідних металів та інтерметаліди алюмінію, які він утворює з багатьма металами, у тому числі і з залізом [1, 2].

Виходячи із доступності та технологічності останнього в роботі була поставлена мета вивчити процеси формування структури сплавів системи Al-Fe залежно від складу та умов отримання.

В роботі вивчались сплави алюмінію, які вміщували 15 та 40% заліза, які є перспективними для  їх використання як основи антифрикційних матеріалів.

Виходячи з температури плавлення сплаву Al + 40% Fe згідно діаграми стану сплави отримували  плавленням вихідної шихти за температури 1300 ^оC. Вихідну шихту готували з  брикетованої суміші стружки алюмінію та заліза взятих у необхідній кількості. Після розплавлення шихти і витримки протягом 10 хв. розплав охолоджували з різною швидкістю з метою вивчення її впливу на структуру та фазовий склад отримуваних виливків. Швидкість охолодження регулювали шляхом лиття розплаву у масивний металевий кокіль, у воду та піщану форму на повітрі.

З виливків готували зразки на яких вивчалась структура, твердість сплавів і мікротвердість фазових складових. Отримані результати наведені на рис. 1.

Як видно з рисунків 1– а, б, в, структура сплавів Al + 15% Fe складається з двох фаз. Вона складається з світлої фази (1), яка є матричною та сірої (2) голчастої форми. Сіра фаза також присутня в матричній фазі у вигляді дрібних включень (евтектики) (3). Розмір включень сірої фази збільшується при переході від охолодження у воді  до охолодження на повітрі. У цьому ж напрямі збільшується розмір дрібних включень сірої фази у матричній.

Рис. 1. Мікроструктура сплавів Al + 15% Fe (а, б, в) і Al + 15% Fe (в, г, д) отриманих з розплаву, охолодженого у воді (а,в), металевому кокілі (б,г) на повітрі (в,д) (х400)

Вивчення структури сплавів Al + 40% Fe показало (рис. 1 – в, г, д), що вона також складається з двох фаз, але переважно з сірої. Світла фаза присутня у вигляді тонких прошарків між зернами сірої фази, розмір яких практично не змінюється залежно від умов отримання виливків.

Аналіз результатів дослідження структури отриманих сплавів показує, що вона узгоджуєтьс з діаграмою стану Fe – Al [3]. У сплавах з 14% заліза сіру фазу можна індентифікувати як інтерметалід AL₃Fe, а світлу фазу як матричну фазу з алюмінію з включеннями інтерметаліду Al.Fe. Ці міркування узгоджуються з отриманими в роботі результатами вимірювання мікротвердості фаз сплавів. Отримані значення мікротвердості для сірої фази сумірні зі значеннями мікротвердості для інтерметаліду Al₃Fe (4,0…5,0 ГПа) наведеними в літературі [4]. Значення мікротвердості для світлої фази дещо вищі за мікротвердість алюмінію і складають 0,6…0,7 ГПа, що може бути зумовлено його зміцненням за рахунок дисперсних включень інтерметалідів, які мають більшу твердість.

Вимірювання мікротвердості сірої фази для сплавів алюмінію з 40% заліза показало, що вона вища за мікротвердість сірої фази для сплаві з 15% заліза і складає 6,5…7,5 ГПа і за її значеннями може бути індентифікована як інтерметалід AlFe, що також узгоджується з діаграмою стану Fe – Al. Мікротвердість світлої фази у сплавах з вмістом заліза 40% також дещо вища ніж у сплавів з вмістом заліза 15%. Останнє може бути зумовлено, що її зміцнення можлив за рахунок  дисперсних включень більш твердих інтерметалідів.

Вивчення твердості отриманих сплавів показує, що вона для сплавів з вмістом заліза 15% залежить від умов їх кристалізації при охолодженні. Найвищі значення твердості мають сплави охолоджені на повітрі (89,0 HRB) і зменшуються для сплавів охолоджених у воді (51,8 HRB) і у кокілі (43,3 HRB). Такі результати вступають у протиріччя з існуючими уявленнями про вплив розміру зерен, на механічні характеристики, у тому числі і твердість, матеріалів. На нашу думку це протиріччя може бути зумовлено тим, що досліджувані сплави складаються двох фаз з різною твердістю.

Таким чином, змінюючи умови отримання сплавів можна регулювати їх структуру і властивості і, як наслідок, експлуатаційні властивості. Тому у подальшому доцільно проведення досліджень по вивченню таких властивостей.

Література:

1. Баглюк Г.А. Новые композиционные дисперсно-упрочненные материалы на основе алюминия [Текст] / Г.А. Баглюк, Ю.А. Шишкина // Технологические системы. – 2011. – № 4 (57). – С. 36-43.

2. Yang Xue. Fabrication, microstructure and mechanical properties of Al–Fe intermetallic particle reinforced Al–based composites / Yang Xue, Rujuan Shen, Song Ni // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – №618. – P. 537–544.

3. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем : в 3 т. Т. 1. / Н. П. Лякишев. – М. : Машиностроение, 1996. – 992 с.

8. Krasnowski M. Nanocrystalline Al-Fe intermetallics – light weight alloys with high hardness / M. Krasnowski, T. Kulik // Intermetallics. – 2010. – № 18. – P. 47–50.