Сплавы железа с алюминием, содержащие до 36 % Аl, образуют непрерывный ряд твердых растворов.
В системе Fe – Аl - С образуются углеродсодержащие фазы: графит, Fe3AlCx (часто обозначаемая g, К или ε-фаза) и карбид алюминия Al4С3.
Чугуны, содержащие до 32 % Al имеют две области с содержанием до 8 и от 18 до 26 % Аl, в которых углерод кристаллизуется в виде графита. При содержании алюминия 9 - 17 % практически весь углерод кристаллизуется в виде соединения Fe3AlCx, а при содержании более 26 % Аl - Аl4С3. По мере увеличения содержания алюминия в чугуне снижается растворимость углерода, а при содержании алюминия 30 % содержание углерода не превышает 1,5 %. Избыток углерода сверх его растворимости выделяется в виде графитовой спели при охлаждении и кристаллизации чугуна.
Алюминий снижает также растворимость углерода в g- железе, однако в значительно меньшей степени, чем в жидком чугуне.
Для сплавов, содержащих 4 - 8 % Аl, характерна перлитоферритная матрица, причем количество легированного алюминием феррита (α-фаза) увеличивается по мере повышения содержания алюминия.
Структура чугунов, содержащих 10 - 17 % Аl, состоит из a - фазы и фазы Fe3AlCx, отличающейся высокой микротвердостью (640 - 850 HV). Микротвердость α-фазы 360 - 400 HV. Количество фазы Fe3AlCx зависит от содержания алюминия и углерода. С увеличением алюминия до 13 - 14 % количество ее растет, а затем постепенно уменьшается.
При содержании углерода менее 1 % количество фазы Fe3AlCx сравнительно невелико, и она располагается по границам зерен a - фазы. Увеличение содержания углерода приводит к появлению сплошной сетки фазы Fe3AlCx, а затем к образованию структуры эвтектического строения, состоящей из смеси α и Fe3AlCx фаз. Такие чугуны отличаются высокой твердостью и хрупкостью, практически не обрабатываются резанием и поэтому, несмотря на высокую жаростойкость, не нашли применения в промышленности.
При модифицировании чугунов, содержащих 10 - 17% Аl 0,3 - 0,6 % титана количество фазы Fe3AlCx снижается в сравнении с первоначальным за счет ее графитизации, и в структуре появляются включения пластинчатого графита. Максимальный эффект графитизации достигается при модифицировании 0,5 % Ti.
Модифицирование силикокальцием также способствует графитизации чугуна. В чугуне, содержащем 9 и 17 % Аl, присадкой 1 - 1,5 % силикокальция можно добиться полной графитизации фазы Fe3AlCx.
Металлическая основа сплавов, содержащих 9 - 10 % Аl, в равновесном состоянии (после длительного отжига) состоит из a-фазы Fe3AlCx. При содержании в таких сплавах углерода более 2 % в структуре одновременно присутствует графит. Фаза Fe3AlCx имеет непостоянный состав, изменяющийся при нагреве до высоких температур. Сплавы с более высоким содержанием алюминия (15%) в состоянии равновесия при любом содержании углерода образуют структуру, состоящую из a и Fe3AlCx фаз. В этих сплавах фаза Fe3AlCx достаточно стабильна, и при нагреве до 1100 °С наблюдается лишь частичное растворение ее. При быстром охлаждении эта фаза выделяется в более дисперсном виде.
Сплавы, содержащие 18--25 % Al, имеют преимущественно ферритную металлическую основу с включениями пластинчатого графита. Кроме того, вблизи нижней границы графитизированной области по содержанию алюминия появляется фаза Fe3AlCx, а вблизи верхней — карбид Al4C3, причем соотношение количества этих фаз зависит от содержания углерода и кремния в чугуне.
При содержании более 25 % Аl структура чугуна состоит из трудно травящейся α-фазы и карбидов Аl4Сз, имеющих форму прямоугольников или многоугольников, количество которых увеличивается по мере повышения содержания алюминия. При содержании углерода более 0,75 % кристаллизация сплава начинается с выделения карбидов алюминия. Первичные карбиды алюминия представляют собой крупные включения, расположенные вдоль осей дендритов. При температуре 1280 - 1260 °С образуется эвтектика, состоящая из α-фазы и карбида Аl4Сз.
Включения карбидов Аl4С3 на нетравленом шлифе имеют обычно светло-серый цвет, иногда светло-синий или сине-зеленый в зависимости от длительности хранения шлифа. Микротвердость 950 - 1000 HV. На воздухе в присутствии атмосферной влаги карбид алюминия легко окисляется, покрывается цветами побежалости и растрескивается.