Государственная ключевая лаборатория цифрового текстильного оборудования провинции Хубэй, Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай¹ ; Чжэцзян Вэньюань Интеллиджент Текнолоджи Ко., Синчан, Китай² ; Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия³

В. Б. Деев*, профессор^{1, 2}; главный научный сотрудник³, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: deev.vb@mail.ru

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия
Е. С. Прусов, профессор кафедры «Технологии функциональных и конструкционных материалов», докт. техн. наук, доцент, эл. почта: eprusov@mail.ru

Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия
Э. Х. Ри, руководитель Высшей школы промышленной инженерии Политехнического института, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: erikri999@mail.ru

Государственная ключевая лаборатория цифрового текстильного оборудования провинции Хубэй, Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай
Мей Шунчи, директор, PhD, профессор, эл. почта: meishunqi@vip.sina.com

*Корреспондирующий автор.

В работе изучено влияние модифицирующей добавки кальция от 0,05 до 0,30 % (мас.) на формирование структуры и изменение трибологических свойств литых композиционных материалов на основе псевдобинарной системы Al – Mg₂Si (15 и 25 % (мас.)). Показано, что с увеличением содержания кальция в композитах Al – 15Mg₂Si средний размер армирующих частиц Mg₂Si (по диаметру Ферета) снижается незначительно: с 32,69 мкм при 0,05 % (мас.) Ca до 30,13 мкм при 0,25 % (мас.) Ca, однако существенно улучшается степень равномерности распределения частиц в структуре материала (с 0,69 до 0,58 соответственно). В композитах Al – 25Mg₂Si при 0,25 % (мас.) Ca диаметр Ферета частиц Mg₂Si составил в среднем ~30 мкм, степень округлости 0,48, степень равномерности распределения частиц 0,33, что является весьма хорошим показателем. Дальнейшее повышение содержания Ca до 0,3 % (мас.) сопровождалось увеличением средних размеров частиц Mg₂Si до 35,16 мкм и ухудшением степени равномерности распределения до показателя 0,41. По результатам трибологических испытаний по схеме «неподвижный шарик – вращающийся диск» (pin-on-disc) в паре со сталью в условиях сухого трения установлено, что коэффициент трения и массовый износ образцов литых алюмоматричных композитов Al – 15Mg₂Si, модифицированных кальцием (0,25 % (мас.) Ca), составляли в среднем 0,383 и 0,0071 г соответственно; для Al – 25Mg₂Si при аналогичных условиях 0,423 и 0,0051 г. При этом в немодифицированном состоянии для Al – 15Mg2Si массовый износ составлял 0,0357 г при коэффициенте трения 0,4667 и для Al – 25Mg₂Si 0,0131 г и 0,4623 соответственно. Результаты подтверждают, что модифицирование кальцием позволяет существенно улучшить микроструктуру литых алюмоматричных композитов системы Al – Mg₂Si, что обеспечивает повышенную износостойкость и расширяет возможности для их применения в условиях интенсивного трения. 

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-19-00687-П, https://rscf.ru/project/23-19-45019/.

1. Han M., Wu Y., Zong X., Shen Y. et al. Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength // Nature Communications. 2024. Vol. 15. 7102.
2. Yang T., Cao B. X., Zhang T. L., Zhao Y. L. et al. Chemically complex intermetallic alloys: A new frontier for innovative structural materials // Materials Today. 2022. Vol. 52. P. 161–174.
3. Li Q., Qiao Z., Bao X., Fan C. et al. Effect of intermetallic compounds on the microstructure, mechanical properties, and tribological behaviors of pure aluminum by adding high-entropy alloy // Journal of Materials Engineering and Performance. 2022. Vol. 31. P. 6697–6710.
4. Zhang W., Xu J. Advanced lightweight materials for Automobiles: A review // Materials & Design. 2022. Vol. 221. 110994.
5. Emadi P., Andilab B., Ravindran C. Engineering lightwei ght aluminum and magnesium alloys for a sustainable future // Journal of the Indian Institute of Science. 2022. Vol. 102. P. 405–420.
6. Amirkhanlou S., Ji S. A review on high stiffness aluminum-based composites and bimetallics // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2019. Vol. 45. P. 1–21.

7. Mavhungu S. T., Akinlabi E., Onitiri M., Varachia F. M. Aluminum matrix composites for industrial use: Advances and Trends // Procedia Manufacturing. 2016. Vol. 7, No. 3. P. 178–182.
8. Deev V., Prusov E., Rakhuba E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: Opportunities and prospects of application // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946 MSF. P. 655–660.
9. Macke A., Schultz B. F., Rohatgi P. Metal matrix composites offer the automotive industry an opportunity to reduce vehicle weight, improve performance // Advanced Materials and Processes. 2012. Vol. 170, Iss. 3. P. 19–23.
10. Pandee P., Sankanit P., Uthaisangsuk V. Structuremechanical property relationships of in-situ A356/Al3Zr composites // Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 866. 144673.
11. Liu X., Liu Y., Huang D., Han Q., Wang X. Tailoring in-situ TiB2 particulates in aluminum matrix composites // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 705. P. 55–61.
12. Pramod S. L., Bakshi S. R., Murty B. S. Aluminum-based cast in situ composites: a review // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. P. 2185–2207.
13. Goalakrishnan B., Rajaravi C., Udhayakmar Goikrishnan, Lakshminarayanan P. R. A comparative study on ex-situ & in-situ formed metal matrix composites // Archives of Metallurgy and Materials. 2023. Vol. 68. P. 171–185.
14. Biswas P., Mondal M. K., Roy H., Mandal D. Microstructural evolution and hardness property of in situ Al–Mg2Si composites using one-step gravity casting method // Canadian Metallurgical Quarterly. 2017. Vol. 56. P. 340–348.
15. Deev V. B., Prusov E. S., Ri E. H. Microstructural modification of in situ aluminum matrix composites via pulsed electromagnetic processing of crystallizing melt // Non-Ferrous Metals. 2023. No. 1. P. 36–40.
16. Bhandari R., Mallik M., Mondal M. K. Microstructure evolution and mechanical properties of in situ hypereutectic Al – Mg2Si composites // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2162. 020145.
17. Khorshidi R., Honarbakhsh-Raouf A., Mahmudi R. Effect of minor Gd addition on the microstructure and creep behavior of a cast Al–15Mg2Si in situ composite // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 718. P. 9–18.
18. Si Y. Effect of Pr modification treatment on the microstructure and mechanical properties of cast Al – Mg2Si metal matrix composite // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 936. P. 23–27.
19. Jin Y., Fang H., Wang S., Chen R. et al. Effects of Eu modification and heat treatment on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al – Mg2Si composites // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 831. 142227.
20. Deev V., Prusov E., Ri E., Prihodko O. et al. Effect of melt overheating on structure and mechanical properties of Al – Mg – Si cast alloy // Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 9. 1353.
21. Vdovin K. N., Dubsky G. A., Deev V. B., Egorova L. G. et al. Influence of a magnetic field on structure formation during the crystallization and physicomechanical properties of aluminum alloys // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2019. Vol. 60, Iss. 3. P. 247–252.
22. Deev V. B., Prusov E. S., Ri E. H. Physical methods of processing the melts of metal matrix composites: current state and prospects // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2022. Vol. 63, Iss. 3. P. 292–304.
23. Деев В. Б., Прусов Е. С., Ри Э. Х., Шабалдин И. В. Модифицирование литых алюмоматричных композиционных материалов барием // Цветные металлы. 2024. № 4. С. 7–12.
24. Деев В. Б., Прусов Е. С., Ри Э. Х., Шабалдин И. В. Влияние натрия на структуру и свойства алюмоматричных композиционных материалов на основе псевдобинарной эвтектики // Цветные металлы. 2024. № 5. С. 50–56.
25. Prusov E. S., Shabaldin I. V., Deev V. B. Quantitative characterization of the microstructure of in situ aluminum matrix composites // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2131, No. 4. 042040.
26. Zhang J., Fan Z., Wang Y. Q., Zhou B. L. Equilibrium pseudobinary Al – Mg2Si phase diagram // Materials Science and Technology. 2001. Vol. 17, Iss. 5. P. 494–496.
27. Itkin V. P., Alcock C. B., Van Ekerer P. J., Oonk H. A. J. The AI – Ca (Aluminum-Calcium) System // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1988. Vol. 9, No. 6. P. 652–657.
28. Belov N. A., Naumova E. A., Akopyan T. K., Doroshenko V. V. Phase diagram of Al – Ca – Mg – Si system and its application for the design of aluminum alloys with high magnesium content // Metals. 2017. Vol. 7. 429.
29. Zarif M., Spacil I., Pabel T., Schumacher P., Li J. Effect of Ca and P on the size and morphology of eutectic Mg2Si in high-purity Al – Mg – Si alloys // Metals. 2023. Vol. 13, Iss. 4. 784.
30. Kumari Sreeja S. S., Pillai R. M., Pai B. C. Role of calcium in aluminium based alloys and composites // International Materials Reviews. 2005. Vol. 50, Iss. 4. P. 216–238.