Los aluminuros de hierro son compuestos intermetálicos de hierro y aluminio ; normalmente contienen alrededor de un 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 de 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 de un 18% de aluminio se observó por primera vez en la década de 1930. [1] Su resistencia a la tracción se compara favorablemente con los aceros, aunque utilizan solo 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 a los sulfuros y la oxidación, buena resistencia al desgaste y menor densidad que los aceros. [2] La resistencia y dureza máximas se alcanzan en la región estequiométrica Fe3Al. [ 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 la fragilización a través del hidrógeno producido en la reacción entre Al y H2O . [ 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 una hipótesis de que podría reducir la fragilización por hidrógeno a través de su capacidad para estabilizar la fase FeAl. [1] Otras explicaciones han incluido que el cromo podría facilitar el deslizamiento a través de dislocaciones cristalinas , y que podría contribuir a la pasivación de la superficie y prevenir las reacciones de fragilización del agua. [3] Una aleación desordenada (designada FAPY) que contiene ~16% Al, ~5,4% Cr más ~0,1% Zr, C e Y, con ~1% Mo mostró una ductilidad mucho mejor, cayendo solo sustancialmente por debajo de ~200C (cf 650C para Fe 3 Al); esta aleación también es trabajable en frío. [2]
Por debajo de ~18-20% (atómico) de Al, el aluminio existe como una solución sólida en el hierro. Por encima de esta concentración, existen FeAl (fase B2) y Fe3Al ( fase DO3 ) que existen en forma de estructuras cristalinas de cloruro de cesio (CsCl) y trifluoruro de α-bismuto (BiF3 ) . [1] Por encima de ~550 °C, la fase Fe3Al se transforma en FeAl (y Fe). [3]
Por encima del ~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 presente en la carga produce problemas con la generación de hidrógeno , que muestra solubilidad en el aluminuro de hierro, lo que genera huecos de gas. El soplado con argón o la fusión al vacío alivian este problema. [2]
El tamaño de grano grande es muy perjudicial para la ductilidad, especialmente con Fe3Al , 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 de FeAl las hace deseables para aplicaciones de alta temperatura en entornos 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 usarse 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 por solución sólida y el endurecimiento por precipitación. [5]
Se ha demostrado que el fortalecimiento con solución sólida disminuye la tasa de fluencia en estado estacionario y el exponente de la ley de potencia 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, aún está limitada por la ductilidad de FeAl, ya que la aleación fortalecida 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 basadas en Y de 5 nm aumentan la resistencia a la fluencia de FeAl a temperaturas de hasta 800 °C. [7] De manera similar, se ha demostrado que los carburos basados en 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 el FeAl y las partículas de óxido pueden engrosarse a temperaturas superiores a 1000 °C. [5] Como resultado, las aleaciones de FeAl no se han fortalecido de manera efectiva para aplicaciones que requieren temperaturas superiores a 1000 °C y se necesitarán diferentes estrategias para aumentar aún más la posible temperatura de operación.
Los usos potenciales para los aluminuros de hierro incluyen: elementos de calentamiento eléctrico , tuberías y otros trabajos para procesos de alta temperatura, incluyendo tuberías para gasificación de carbón y para tubos de sobrecalentadores y recalentadores. [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 cermets WC-Co convencionales por FeAl en el proceso de revestimiento láser provocó una mejora de las propiedades de oxidación y desgaste. [12] [13]