Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

Н. А. Белов, профессор кафедры ЛТиХОМ, эл. почта: nikolay-belov@yandex.ru

В. В. Дорошенко, аспирант, инженер кафедры ОМД

МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия:
Е. А. Наумова, ведущий инженер кафедры ОМД

Московский политехнический университет, Москва, Россия:

В. Д. Илюхин, доцент кафедры МПУ

На примере экспериментального сплава Al6Ca1Fe обоснована принципиальная возможность применения сплавов на основе алюминиево-кальциевой эвтектики для получения отливок методом литья под давлением. Сплавы готовили в электропечи сопротивления в графитошамотном тигле на основе алюминия марки А85. Кальций вводили в чистом виде, а железо в виде лигатуры Al – 10 % Fe. Разливку осуществляли при температуре 730–740 ^оС, получая отливки различного размера. Микроструктуру литых образцов изучали с помощью оптического микроскопа Olympus GX51 и сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGA 3. Установлено, что первичные кристаллы алюминиевого твердого раствора практически не содержат кальция и железа. Эти элементы обнаруживаются в эвтектике, которая содержит ~7,4 % Ca и 0,9 % Fe. Кроме этого, установлено, что в равновесии с алюминиевым твердым раствором могут находиться не только фазы из двойных систем (Al₄Ca и Al₃Fe), но и тройное соединение Al₁₀CaFe₂, на основании чего представлен общий вид фазовой диаграммы Al – Ca – Fe в области, богатой алюминием. В частности, предложено строение поверхности ликвидуса, определены две трехфазные области (Al) + Al₄Ca + Al₁₀CaFe₂ и (Al) + Al₁₀CaFe₂ + Al₃Fe, а также установлено наличие двух нонвариантных реакций: эвтектической L → (Al) + Al₄Ca + Al₁₀CaFe₂ и перитектической L + Al₃Fe → (Al) + Al₁₀CaFe₂. Показано, что алюминиево-кальциевая эвтектика имеет значительно более тонкое строение, чем алюминиево-кремниевая, при сравнении экспериментального сплава Al6Ca1Fe и силумина типа АК12. Размер дендритных ячеек алюминиевого твердого раствора составляет ~7 мкм, а толщина дендритных ветвей алюминидов, входящих в состав эвтектики, составляет менее 0,5 мкм. Литейные свойства сплава Al6Ca1Fe, в частности горячеломкость, не уступают свойствам эвтектических силуминов. Методом литья под давлением на машине марки А71108 с запирающим усилием 250 т из сплава Al6Ca1Fe получены образцы для изучения структуры и свойств. Определение механических свойств на отдельно отлитых разрывных образцах (толщиной от 1,9 до 6,5 мм) показало, что они характери зуются высокой стабильностью, при этом временное сопротивление превышает 200 МПа.

Статья подготовлена в рамках соглашения № 14.578.21.0220 (уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0178) о предоставлении субсидии Минобрнауки России в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

1. Kaufman J. G., Rooy E. L. Aluminum alloy castings: properties, processes and applications. — Materials Park : ASM International, 2004. — 340 p.
2. Золоторевский В. С., Белов Н. А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. — М. : МИСиС, 2005.— 376 с.
3. Белов Н. А., Савченко С. В., Белов В. Д. Атлас микроструктур промышленных силуминов. — М. : Издательский Дом «МИСиС», 2009. — 204 с.
4. ГОСТ 1583–93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. — Введ. 1997–01–01.
5. Mohamed A. M. A., Samuel F. H., Samuel A. M., Doty H. W. Influence of additives on the impact toughness of Al – 10,8 % Si near-eutectic cast alloys // Materials and Design. 2009. Vol. 30. P. 4218–4229.
6. Hosch T., Napolitano R. E. The effect of the flake to fiber transition in silicon morphology on the tensile properties of Al – Si eutectic alloys // Materials Science and Engineering A. 2010. Vol. 528. P. 226–232.
7. Bao Li, Hongwei Wang, Jinchuan Jie, Zunjie Wei. Effects of yttrium and heat treatment on the microstructure and tensile properties of Al – 7,5Si – 0,5Mg alloy // Materials and Design. 2011. Vol. 32. P. 1617–1622.
8. Puga H., Costa S., Barbosa J., Ribeiro S., Prokic M. Influence of ultrasonic melt treatment on microstructure and mechanical properties of AlSi9Cu3 alloy // Journal of Materials Processing Technology. 2011. Vol. 211. P. 1729–1735.
9. Hosch T., Napolitano R. E. The effect of the flake to fiber transition in silicon morphology on the tensile properties of Al – Si eutectic alloys. Materials Science and Engineering A. 2010. Vol. 528. P. 226–232.
10. Milligan J., Vintila R., Brochu M. Nanocrystalline eutectic Al–Si alloy produced by cryomilling // Materials Science and Engineering A. 2009. Vol. 508. P. 43–49.
11. Böyük U., Engin S., Maraşlı N. Microstructural characterization of unidirectional solidified eutectic Al – Si – Ni alloy // Materials characterization. 2011. Vol. 62. P. 844–851.
12. Wu Shu-sen, Zhong Gu, An Ping, Wan Li, H. Nakae. Microstructural characteristics of Al – 20Si – 2Cu – 0.4Mg – 1Ni alloy formed by rheo-squeeze casting after ultrasonic vibration treatment // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. P. 2863–2870.
13. Moustafa M. A., Samuel F. H., Doty H. W. Effect of solution heat treatment and additives on the microstructure of Al – Si (A413.1) automotive alloys // Journal of materials science. 2003. Vol. 38. P. 4507 – 4522.
14. Мондольфо Л. Ф. Структура и свойства сплавов / пер. с англ. — М. : Металлургия, 1979. — 640 с.
15. Kevorkov D., Schmid-Fetzer R. The Al – Ca system. Part 1: Еxperimental investigation of phase equilibria and crystal structures // Z. Metallkd. 2001. Vol. 92 (8). P. 946–952.
16. Belov N. A., Naumova E. A., Alabin A. N., Matveeva I. A. Effect of scandium on structure and hardening of Al – Ca eutectic alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 646. P.741–747.
17. Новиков И. И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. — М. : Наука, 1966. — 299 с.
18. Eskin D. G., Katgerman L. Mechanical properties in the semisolid state and hot tearing of aluminium alloys // Progress in Materials Science. 2004. Vol. 49. P. 629–711.
19. ГОСТ 11069–2001. Алюминий первичный. Марки. — Введ. 2003–01–01.
20. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 1986–01–01.
21. ГОСТ 9.021–74. Единая система защиты от коррозии и старения. Алюминий и сплавы алюминиевые. Методы ускоренных испытаний на межкристаллитную коррозию. — Введ. 1975–01–01.
22. Bäckerud L., Chai G., Tamminen J. Solidification characteristics of aluminum alloys. Vol. 2: Foundry Alloys, Des Plaines. — AFS / SkanAluminium, 1990. — 136 p.
23. Белов Н. А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. — М. : Издательский Дом «МИСиС», 2010. — 511 с.