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

Н. А. Белов, главный научный сотрудник кафедры «Обработка металлов давлением»
Е. А. Наумова, доцент кафедры «Обработка металлов давлением», эл. почта: jan73@mail.ru
В. В. Дорошенко, инженер кафедры «Обработка металлов давлением»
Т. А. Базлова, доцент кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

Расчетным методом изучен фазовый состав алюминиевых сплавов системы Al – Ca – Mn – Fe, что позволило обосновать оптимальные концентрации кальция, марганца и железа. Для определения концентрационных границ появления первичных кристаллов интерметаллидных фаз рассчитаны проекции ликвидуса этой четверной системы. Показано, что при 6 % (мас.) Ca суммарная концентрация Fe и Mn, при которой не образуются первичные кристаллы Fe- и Mn-содержащих фаз, составляет менее 1 %. При снижении содержания кальция область первичной кристаллизации алюминиевого твердого раствора существенно расширяется. На основании результатов расчета состав Al – 2 % Ca – 1 % Mn – 0,4 % Fe был выбран в качестве базового. Показано, что при кристаллизации сплава такого состава после образования небольшого количества первичных кристаллов (Al) должна протекать эвтектическая реакция L → (Al) + Al₆(Fe, Mn), а завершается кристаллизация при 613 оС по четырехфазной эвтектической реакции L → (Al)+ Al₆(Fe, Mn) + Al₄Ca, которая хотя и является моновариантной, но ее температурный интервал очень мал (менее 1 ^оС). Объектом экспериментального изучения были 2 сплава системы Al – Ca – Mn – Fe (Al₂Ca₁Mn_0,4Fe и Al₄Ca₁Mn_0,4Fe), которые были приготовлены в электропечи сопротивления в графитошамотном тигле на основе алюминия высокой чистоты (99,99 %). Кальций, марганец, железо вводили в алюминиевый расплав в виде двойных лигатур на основе алюминия (Al – 15 % Ca, Al – 10 % Mn, Al – 10 % Fe). Показано, что при выбранных концентрациях практически все количество марганца входит в состав алюминиевой матрицы, в то время как кальций и железо находятся в составе многофазной эвтектики, имеющей дисперсное строение. В сплаве Al₄Ca₁Mn_0,4Fe выявлены первичные кристаллы фазы Al₆(Fe, Mn), что подтверждает результаты расчета. На примере экспериментального сплава Al₂Ca₁Mn_0,4Fe продемонстрировано, что сплавы на основе алюминиево-кальциевой эвтектики могут обладать высокой технологичностью как при фасонном литье, так и при обработке давлением.

Статья подготовлена в рамках Соглашения № 14.578.21.0220 (уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0220) 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. Белов Н. А., Наумова Е. А., Акопян Т. К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. — М. : Руда и Металлы, 2016. — 256 с.
2. Liang Tian, Hyongjune Kim, Iver Anderson, Alan Russell. The microstructure-strength relationship in a deformation processed Al – Ca composite. Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 570. Р. 106–113.
3. Мондольфо Л. Ф. Структура и свойства сплавов : пер. с англ. — М. : Металлургия, 1979. — 640 с.
4. Kevorkov D., Schmid-Fetzer R. The Al – Ca System. Part 1: Experimental investigation of phase equilibria and crystal structu res // Metallkd. 2001. Vol. 92. Р. 946–952.
5. 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 Compaunds. 2015. Vol. 646. Р. 741–747.
6. Ternary alloys: a comprehensive compendium of evaluated constitutional data and phase diagrams / ed. G. Petzow, G. Effenberg. — Wiley-VCH, 1990. — 647 p.
7. Золоторевский В. С., Белов Н. А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. — М. : МИСиС, 2005. — 376 с.

8. Deev V. B., Ponomareva K. V., Yudin A. S. Investigation into the density of polystyrene foam models when implementing the resource-saving fabrication technology of thin-wall aluminum sheet // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2015. Vol. 56, No. 3. P. 283–286.
9. Pat. 6783730 US. Lin J. C., Zolotorevsky V. S., Glazoff M. V. et al. Al – Ni – Mn сasting alloy for automotive and aerospace structural components ; fil. 20.12.2002 ; publ. 31.08.2004.
10. Vlach M., Stulikova I., Smola B., Piesova J., Cisarova H., Danis S., Plasek J., Gemma R., Tanprayoon D., Neuber V. Effect of cold rolling on precipitation processes in Al – Mn – Sc – Zr alloy // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 548. P. 27–32.
11. Huang K., Li Y., Marthinsen K. Isothermal annealing of cold-rolled Al – Mn – Fe – Si alloy with different microchemistry states // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2014. Vol. 24. P. 3840–3847.
12. Li Y. J., Muggerud A. M. F., Olsen A., Furu T. Precipitation of partially coherent α-Al(Mn, Fe)Si dispersoids and their strengthening effect in AA 3003 alloy // Acta Materialia. 2012. Vol. 60. P. 1004–1014.
13. Muggerud A. M. F., Mørtsell E. A., Li Y., Holmestad R. Dispersoid strengthening in AA3xxx alloys with varying Mn and Si content during annealing at low temperatures // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 567. P. 21–28.
14. Белов Н. А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. — М. : МИСиС, 2010. — 511 с.
15. Balanetskyy S., Pavlyuchkov D., Velikanova T., Grushko B. The Al-rich region of the Al – Fe – Mn alloy system // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 619. Р. 211–220.
16. Белов Н. А., Наумова Е. А., Илюхин В. Д., Дорошенко В. В. Структура и механические свойства отливок сплава Al – 6 % Ca – 1 % Fe, полученных литьем под давлением // Цветные металлы. 2017. № 3. С. 69–75.
17. ГОСТ 11069–2001. Алюминий первичный. Марки. — Введ. 2003–01–01.