Los aluminuros de hierro son compuestos intermetálicos de hierro y aluminio ; normalmente contienen ~18% de Al o más.
La buena resistencia al óxido y al azufre, con una resistencia comparable a la de las aleaciones de acero y el bajo costo de los materiales han hecho que estos compuestos sean de interés metalúrgico; sin embargo, la baja ductilidad y los problemas con la fragilización por hidrógeno son barreras para su procesamiento y uso en aplicaciones estructurales.
La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones de hierro que contienen más del 18% de aluminio se observó por primera vez en la década de 1930. [1] Su resistencia a la tracción se compara favorablemente con la de los aceros, aunque utilizan sólo elementos comunes; sin embargo, tienen baja ductilidad a temperatura ambiente y la resistencia disminuye sustancialmente por encima de los 600 °C. [1] Las aleaciones también tienen buena resistencia al sulfuro y a la oxidación, buena resistencia al desgaste y menor densidad que los aceros. [2] La resistencia y dureza máximas se alcanzan en la región estequiométrica de Fe 3 Al. [1] Aunque el Al proporciona resistencia a la corrosión a través de una superficie de película de óxido, la reacción (con agua) también puede dar lugar a fragilización a través del hidrógeno producido en la reacción entre Al y H 2 O. [1]
El cromo (2-6%) mejora la ductilidad a temperatura ambiente. En 1996, Kamey [1] dijo que el mecanismo no se entendía completamente, pero ofreció la hipótesis de que podría reducir la fragilización del hidrógeno a través de su capacidad para estabilizar la fase FeAl. [1] Otras explicaciones han incluido que el cromo podría facilitar el deslizamiento mediante dislocaciones de cristales y que podría contribuir a la pasivación de la superficie y prevenir reacciones de fragilización del agua. [3] Una aleación desordenada (denominada FAPY) que contiene ~16 % Al, ~5,4 % Cr más ~0,1 % Zr, C e Y, con ~1 % Mo mostró una ductilidad mucho mejor, y solo cayó sustancialmente por debajo de ~200 °C (cf. 650 °C). para Fe3Al ) ; esta aleación también es trabajable en frío. [2]
Por debajo de ~18-20% (atómico) de Al, el aluminio existe como una solución sólida en hierro. Por encima de esta concentración hay FeAl (fase B2) y Fe 3 Al (fase DO 3 ) existentes en forma de estructuras cristalinas de cloruro de cesio (CsCl) y trifluoruro de α-bismuto (BiF 3 ). [1] Por encima de ~550 °C, la fase Fe 3 Al se transforma en FeAl (y Fe). [3]
Por encima de ~50 % de Al (atómico) también se conocen Fe 5 Al 8 , FeAl 2 , Fe 2 Al 5 y Fe 4 Al 13 ; las fases ricas en Al muestran una alta fragilidad. [3]
La reacción entre Al y Fe para generar aluminuro de hierro es exotérmica . La producción a partir de la fusión directa de Al y Fe es económica, pero cualquier agua en la carga produce problemas con la generación de hidrógeno , que muestra solubilidad en el aluminuro de hierro, lo que genera huecos de gas. Esto se soluciona soplando con argón o fundiendo al vacío . [2]
El tamaño de grano grande es muy perjudicial para la ductilidad, especialmente con Fe 3 Al, y se encuentra en aluminuros de hierro fundido. [2]
Los recubrimientos de aluminuro de hierro se pueden preparar mediante deposición química de vapor sobre hierro. [4]
La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones FeAl las hace deseables para aplicaciones de alta temperatura en ambientes corrosivos. Sin embargo, las aleaciones de FeAl tienen una resistencia a la fluencia intrínsecamente baja a altas temperaturas debido a la alta difusividad de la estructura B2. [5] Para poder utilizarlo como aleación de alta temperatura, el FeAl debe tratarse para aumentar su resistencia a la fluencia. Los dos métodos más comunes para aumentar la resistencia a la fluencia del FeAl son el fortalecimiento con solución sólida y el endurecimiento por precipitación. [5]
Se demostró que el fortalecimiento con solución sólida disminuye la velocidad de fluencia en estado estacionario y el exponente de la ley potencial de FeAl al aumentar la concentración de otros metales de transición en una aleación de FeAl. [6] Si bien esto aumentó la resistencia a la fluencia del material, todavía está limitada por la ductilidad del FeAl, ya que la aleación reforzada se fracturó después de solo un 0,3% de deformación.
El endurecimiento por precipitación en FeAl se logra comúnmente con dos tipos diferentes de precipitados: partículas de óxido y carburos. [5] Se ha demostrado que las partículas de óxido a base de Y de 5 nm aumentan la resistencia a la fluencia del FeAl a temperaturas de hasta 800 °C. [7] De manera similar, se ha demostrado que los carburos a base de Ti tienen una alta resistencia a la fluencia a bajas tensiones, en consonancia con el mecanismo de fortalecimiento por precipitación. [8] Si bien el fortalecimiento por precipitación es excelente para aumentar la resistencia a la fluencia, la estabilidad de los precipitados a altas temperaturas es un factor limitante. Los carburos se pueden disolver en FeAl y las partículas de óxido pueden volverse más gruesas a temperaturas superiores a 1000 °C. [5] Como resultado, las aleaciones de FeAl no se han reforzado eficazmente para aplicaciones que requieren temperaturas superiores a 1000 °C y se necesitarán diferentes estrategias para aumentar aún más la posible temperatura de funcionamiento.
Los usos potenciales de los alumuros de hierro incluyen: elementos calefactores eléctricos , tuberías y otros trabajos para procesos de alta temperatura, incluidas tuberías para gasificación de carbón y tubos de sobrecalentador y recalentador. [1] También se ha sugerido como material estructural para uso lunar. [9] Gracias a la buena combinación de propiedades mecánicas y de oxidación, el aluminuro de hierro se ha utilizado con éxito como fase aglutinante para carburos de tungsteno. [10] [11] Además, la sustitución del cobalto en los cermets WC-Co convencionales por FeAl en el proceso de revestimiento láser mejoró las propiedades de oxidación y desgaste. [12] [13]