У рідкому алюмінії залізо має відносно високу розчинність – до 1,87 мас. % при 655 °C, тому у алюмінієвому розчині воно може перебувати в розчиненому атомарному стані [1]. Проте максимальна рівноважна розчинність заліза у твердому алюмінії α–Al різко зменшується і становить близько 0,004–0,052 мас. % при 655 °C, а при 427 °C вона є меншою за 0,01 мас. % [1]. Унаслідок цього лише незначна частина заліза, що не перевищує його рівноважної розчинності, залишається в твердому розчині. Тоді як основна кількість заліза витісняється фронтом кристалізації в залишкову міждендритну рідину, яка в процесі твердження поступово збагачується залізом, а в Al–Si сплавах ще й кремнієм, внаслідок чого за зростання їх локальної концентрації надалі формуються залізовмісні інтерметалідні фази.

Фазовий склад залізовмісних інтерметалідів у куті системи Al–Si–Fe визначається сукупною дією термодинамічних і кінетичних чинників, насамперед положенням складу сплаву на діаграмі стану, тобто вмістом заліза і кремнію та їх співвідношенням, а також температурою кристалізації, швидкістю охолодження і ступенем переохолодження [2]. Передусім зауважимо, що залізо більшою мірою визначає кількість інтерметалідних залізовмісних фаз, а кремній та умови кристалізації впливають на їх фазовий тип [2, 3]. Стосовно температури кристалізації, вона впливає на фазовий склад через зміну складу залишкової рідини в процесі тверднення. У міру виділення α-Al залишковий розплав збіднюється алюмінієм і відносно збагачується залізом та кремнієм, тому на пізніших стадіях кристалізації зростає ймовірність утворення більш кремнієвих тернарних залізовмісних фаз [3]. Саме тому фазоутворення в системі Al–Si–Fe слід розглядати не за однією фіксованою температурою, а в межах усього інтервалу тверднення, коли умови стабільності фаз безперервно змінюються, оскільки під час охолодження змінюються і температура, і склад залишкової рідини, а отже і умови утворення залізовмісних фаз [2, 3]. Разом з тим, швидкість охолодження впливає на дифузійні процеси та фазові перетворення під час кристалізації сплаву. У табл. 1 наведено параметри кількості кремнію, температури та швидкості охолодження.

Отже, хімічний склад і температура визначають термодинамічну можливість існування певних залізовмісних фаз, тож їх реальне утворення під час кристалізації залежить від кінетичних умов зародження і росту [2-4]. Саме тому важливим є переохолодження, яке характеризується зниження температури розплаву нижче рівноважної температури кристалізації [4]. Його роль полягає в тому, що зі збільшенням переохолодження зростає різниця в енергії Гіббса між рідким і твердим станами, тобто підвищується рушійна сила утворення залізовмісних інтерметалідів. Це призводить до зменшення бар’єра зародження нової фази та полегшує утворення її стійких зародків. Унаслідок цього змінюються умови зародження та росту залізовмісних фаз, що впливає на фазовий склад, послідовність виділення та морфологію.

Таблиця 1. Вплив вмісту кремнію та швидкості охолодження на температури утворення залізовмісних фаз у сплавах системи Al–Si–Fe [2]

Література:

1. Overview of β-Al₅FeSi phase in Al-Si alloys Mahta, M.; Emamy, M.; Cao, X.; Campbell, J. Materials Science Research Trends, pp. 251-271, 2008.

2. Khalifa, W. Iron intermetallic phases in the Al corner of the Al-Si-Fe system / W. Khalifa, F. H. Samuel, J. E. Gruzleski // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2003. – Vol. 34. – P. 807–825. – DOI: 10.1007/s11661-003-1009-9.

3. Que, Z. Understanding Fe-Containing Intermetallic Compounds in Al Alloys: An Overview of Recent Advances from the LiME Research Hub / Z. Que, Y. Wang, C. L. Mendis, C. Fang, J. Xia, X. Zhou, Z. Fan // Metals. – 2022. – Vol. 12, No. 10. –              P. 1–33. – DOI: 10.3390/met12101677.

4. Zhao, B. Influence of La addition on Fe-rich intermetallic phases formation and mechanical properties of Al-7Si-4Cu-0.35Mg-0.2Fe alloys prepared by squeeze casting / B. Zhao, S. Xing, A. Shan, G. Yan, X. Jiang // Intermetallics. – 2023. – Vol. 153. – Article 107783. – DOI: 10.1016/j.intermet.2022.107783.