Сравнительный анализ влияния добавок Ni, Mn, Fe и Si на микроструктуру и фазовый состав заэвтектических алюминиево-кальциевых сплавов

Расчетными и экспериментальными методами, включая построение поверхностей ликвидуса, проведен сравнительный анализ фазового состава и морфологии первичных кристаллов в заэвтектических сплавах системы Al–Ca–Ni–X (где Х – Fe, Si, Mn). Показано, что дополнительное легирование базового сплава Al–6%Ca–3%Ni железом и кремнием приводит к формированию грубых вытянутых первичных кристаллов размером до 100 мкм в длину. Установлено, что добавка марганца, напротив, приводит к образованию сравнительно небольших (около 20 мкм) компактных первичных кристаллов двух 4-компонентных фаз – предположительно на основе тройных соединений Al9CaNi и Al10CaMn2. Определен состав эвтектик в четверных сплавах. Все алюминиево-кальциевые эвтектики характеризуются повышенной долей вторых фаз и более тонким строением по сравнению с алюминиево-кремниевой эвтектикой в силумине АК18, а также способностью к сфероидизации при нагреве начиная с 500 °С. Сочетание компактной и сферической морфологий частиц после отжига в сплаве 63-2Mn представляется благоприятным для деформации. Сравнение технологичности экспериментального сплава Al–8%Ca–1%Ni–2%Mn и марочного силумина АК18 показало преимущество первого. По совокупности характеристик он может рассматриваться в качестве основы для разработки заэвтектических сплавов нового поколения как альтернативы поршневым силуминам типа АК18. Экспериментальный сплав, микроструктура которого характеризуется компактной морфологией, малыми размерами первичных кристаллов и тонким строением эвтектики, в отличие от заэвтектических силуминов не требует специального модифицирования.

1. Hatch J.E. Aluminum: Properties and physical metallurgy. Ohio: American Society for Metals, 1984.

2. Polmear I., StJohn D., Nie J.F., Qian M. Physical metallurgy of aluminium alloys. In: Light alloys (5th ed.). London: Elseiver, 2017. P. 31—107.

3. Gloria A., Montanari R., Richetta M., Varone A. Alloys for aeronautic applications: state of the art and perspectives. Metals. 2019. Vol. 9. P. 662. DOI: 10.3390/met9060662.

4. Graf A. Aluminum alloys for lightweight automotive structures. In: Materials, design and manufacturing for lightweight vehicles (2nd ed.). London, UK: Elsevier, Woodhead Publishing in Materials, 2021. P. 97—123. DOI: 10.1016/B978-0-12-818712-8.00003-3.

5. Jorstad J., Apelian D. Hypereutectic Al—Si alloys: Practical casting considerations. Inter. Metalcast. 2009. No. 3. Р. 13—36. DOI: 10.1007/BF03355450.

6. Белов Н.А., Белов В.Д., Савченко С.В., Самошина М.Е., Чернов В.А., Алабин А.Н. Поршневые силумины. М.: ИД «Руда и металлы», 2011.

7. Zhang H-h., Duan Hm., Shao G., Xu L. Microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al—Si alloy modified with Cu—P. Rare Metal. 2008. Vol. 27. No. 1. P. 59—63.

8. Zhu Q., Rassili A., Midson S.P., Hu X.G. Thixoforming of hypereutectic AlSi12Cu2NiMg automotive pistons. Sol. St. Phen. 2019. Vol. 285. P. 446—452. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.285.446.

9. Prudnikov A.N. Deformable heatproof transeutectic silumin for pistons. Steel Trans. 2009. Vol. 39. No. 456. P. 456—459. DOI: 10.3103/S0967091209060047.

10. Наумова Е.А. Использование кальция в сплавах: От модифицирования до легирования. Известия вузов. Цветная металлургия. 2018. No. 2. С. 59—76. DOI:10.17073/0021-3438-2018-2-59-76.

11. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: ИД «Руда и металлы», 2016.

12. Belov N.A., Naumova E.A., Akopyan T. K., Doroshenko V.V. Phase diagram of the Al—Ca—Fe—Si system and its application for the design of aluminum matrix composites. JOM. 2018. Vol. 70(11). P. 2710—2715. DOI: 10.1007/s11837-018-2948-3.

13. Белов Н.А., Наумова Е.А, Базлова Т.А., Дорошенко В.В. Фазовый состав и упрочнение литейных сплавов системы Al—Ca—Ni—Sc, содержащих 0,3 % Sc. МиТОМ. 2017. No. 2. С. 12—17

14. Naumova E.A., Akopyan T.K., Letyagin N.V., Vasina M.A. Investigation of the structure and properties of eutectic alloys of the Al—Ca—Ni system containing REM. Non-ferrous Metals. 2018. No. 2. P. 24—29. DOI: 10.17580/nfm.2018.02.05.

15. Petzow G., Effenberg G. Ternary alloys: A comprehensive compendium of evaluated constitutional data and phase diagrams. Berlin, Weinheim: Wiley-VCH, 1990. Vol. 3.

16. Mondolfo L.F. Aluminium alloys: Structure and properties. London: Butterworths, 1976. P. 806—841.

17. Glazoff M., Khvan A., Zolotorevsky V., Belov N., Dinsdale A. Casting aluminum alloys: Their physical and mechanical metallurgy (2-nd ed.). London, UK: Elsevier, 2018. DOI: 10.1016/C2015-0-02446-7.

18. Наумова Е.А. Петров М.А., Степанов Б.А., Васильева Е.С. Штамповка с кручением заготовки из Al—Ca-сплава с высоким содержанием интерметаллида Al4Ca. Цветные металлы. 2019. No. 1. С. 66—71. DOI: 10.17580/tsm.2019.01.10.

19. Rogachev S.O., Naumova E.A., Vasileva E.S., Magurina M.Yu., Sundeev R.V., Veligzhanind A.A. Structure and mechanical properties of Al—Ca alloys processed by severe plastic deformation. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. А767. Art. 138410. DOI: 10.1016/j.msea.2019.138410.

20. Rogachev S.O., Naumova E.A., Sundeev R.V., Tabachkova N.Yu. Structural and phase transformations in a new eutectic Al—Ca—Mn—Fe—Zr—Sc alloy induced by high pressure torsion. Mater. Lett. 2019. Vol. 243. P. 161—164. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.02.043.

21. Thermo-Calc Software TTAL5 Al-Alloys. URL: www.thermocalc.com (accessed: 17.02.2019).

22. Shelekhov E.V., Sviridova T.A. Programs for X-ray analysis of polycrystals. Metal. Sci. Heat Treat. 2000. Vol. 42. P. 309—313. DOI: 10.1007/BF02471306.

23. Белов Н.А. Диаграммы состояния тройных и четверных систем: Уч. пос. для вузов. М.: МИСиС, 2007.