Особенности структуры и свойств перспективных заэвтектических алюминиево-кальциевых «естественных композитов»

Язык труда и переводы:
УДК:
669.717. 669.7.017
Дата публикации:
30 мая 2022, 07:45
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Наумова Евгения Александровна
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Аннотация:
Рассмотрены расчетные и экспериментальные методы, с помощью которых установлены допустимые концентрации железа и кремния для сплавов Al–8Ca–2Mn и Al–6Ca–3Mn (не более 0,3Fe и 0,3Si). С использованием оптической, сканирующей электронной микроскопии, МРСА и РФА установлены формулы и структуры тройных соединений, которые отсутствуют в рентгеновских базах данных: CaMn2Al10 и Al10CaFe2. Исследована растворимость Ce в Al4Ca в системе Al–Ca–Ce; Cu в Al4Ca в системе Al–Ca–Cu; Zn и Ce в в Al4Ca в системе Al–Ca–Ce–Zn. церий замещает атомы кальция, образуя фазу Al4(Ca, Ce); медь замещает алюминий, образуя фазу (Al,Cu)4Ca; в системе Al–Ca–Ce–Zn образуются кристаллы (Al, Zn)4(Ca, Ce). Сделан вывод, что микротвердость кристаллов Al4Ca при растворении в них разных компонентов монотонно растет. Из плоских слитков заэвтектических сплавов Al–8Ca–2Mn–1Ni, Al–6Ca–3Mn–2Ce получены горячекатаные листы при температуре 550 °С. Общая степень деформации составила около 90 %. Из круглых слитков диаметром 60 мм заэвтектических сплавов Al–8Ca–2Mn–1Ni и АК18 на гидравлическом прессе отпрессованы прутки диаметром 40 мм, а затем из этих прутков методом радиально сдвиговой прокатки получены прутки диаметром 13,5 мм. Структура проката полностью соответствует структуре «естественного композита». Исследования прочностных свойств, сравнительной теплостойкости и ТКЛР полуфабрикатов показали перспективность новых сплавов для замены стандартного силумина АК18.
Ключевые слова:
заэвтектичесские алюминиево-кальциевые сплавы, «естественные композиты», интерметаллиды, кристаллы, эвтектика, прокатка
Основной текст труда

С помощью расчетных и экспериментальных методов на основе выбранных ранее композиций перспективных «естественных композитов» Al–8Ca–2Mn и Al–6Ca–3Mn были выбраны допустимые концентрации железа и кремния. Для этих сплавов допустимо не более 0,3Fe и 0,3Si. Внесено уточнение о том, что наиболее перспективной композитной структурой в системе Al–Ca–Mn–Fe обладает сплав Al–8Ca–2Mn–0,3Fe. Следовательно, заэвтектические сплавы этой системы могут быть приготовлены на основе вторичного сырья.

С помощью оптической, сканирующей электронной микроскопии, МРСА и РФА были установлены формулы и структуры тройных соединений в системах Al–Ca–Mn и Al–Ca–Fe, которые отсутствуют в рентгеновских базах данных: соединение CaMn2Al10  с решеткой, относящейся к структурному типу tP52/2 и параметрами: а =1,2829нм, с = 0,5135 нм; соединение Al10CaFe2  с решеткой, относящейся к структурному типу oC52/14 и параметрами: а=0,9024 нм, b=1,0200 нм, c=0,9062 нм. Экспериментально подтверждено протекание в системе Al–Ca–Fe нонвариантной перитектической реакции L + Al3Fe → (Al) + Al10CaFe2.

С помощью оптической, сканирующей электронной микроскопии, МРСА и РФА была исследована растворимость Ce в Al4Ca в системе Al–Ca–Ce; Cu в Al4Ca в системе Al–Ca–Cu; Zn и Ce в в Al4Ca  в системе Al–Ca–Ce–Zn. церий замещает атомы кальция, образуя фазу Al4(Ca,Ce); медь замещает алюминий, образуя фазу (Al,Cu)4Ca; в системе Al–Ca–Ce–Zn образуются кристаллы (Al,Zn)4(Ca,Ce). Микротвердость кристаллов Al4Ca при растворении в них разных компонентов монотонно растет.

Установлено, что заэвтектические сплавы системы Al–Ca, содержащие высокую долю первичных кристаллов Al4Ca, в том числе и в форме длинных пластин, имеют высокую деформационную пластичность при разных видах горячей деформации: прессовании, прокатке, ковке.

С помощью расчетных и экспериментальных методов спрогнозировано строение системы Al–Ca–Mn–Ni в области алюминиевого угла, где должны протекать три нонвариантные реакции: две перитектические L+Al3Ni®(Al)+Al6Mn+Al8CaNi2 (P1); L+ Al6Mn®(Al)+Al10Mn2Ca+Al8CaNi2(P2) и одна эвтектическая L®(Al)+Al4Ca+Al10Mn2Ca+Al8CaNi2 (E).

Установлено, что не все первичные кристаллы можно рассматривать, как благоприятную структурную составляющую «естественных композитов». Важным требованием к первичным кристаллам заэвтектических кальцийсодержащих сплавов можно считать прочность, сопоставимую с прочностью матрицы (окружающей эвтектической структуры). При заметной разнице в прочности матрицы и первичных кристаллов, последние являются местами хрупкого разрушения, даже при их малых размерах и равномерном распределении в объеме сплава. Кристаллы фазы Al10Mn2Ca являются наиболее подходящими в качестве структурной составляющей «естественных композитов». Кроме того, если прочность первичных кристаллов сопоставима с прочностью матрицы, их форма может не быть компактной, как это показано на примере первичных пластин Al4Ca.

Из плоских слитков сплавов Al–8Ca–2Mn–1Ni, Al–6Ca–3Mn–2Ce были получены горячекатаные листы при температуре 550°С. Общая степень деформации составила около 90 %. Структура проката полностью соответствует структуре «естественного композита». Предел прочности листов из сплавов Al–8Ca–2Mn–1Ni, Al–6Ca–3Mn–2C составил 207 и 178 МПа, соответственно, предел текучести 170 и 128 МПа, соответственно, относительное удлинение 0,6 и 1,6 %, соответственно.

Из круглых слитков диаметром 60мм сплавов Al–8Ca–2Mn–1Ni и АК18 на гидравлическом прессе были отпрессованы прутки диаметром 40мм, а затем из этих прутков методом радиально сдвиговой прокатки были получены прутки диаметром 13,5 мм. Структура РСП прутков из сплава Al–8Ca–2Mn–1Ni плотная и полностью соответствует «естественному композиту», а в прутках из АК18 образовались трещины вокруг кристаллов кремния. Таким образом, сплавы Al–8Ca–2Mn–1Ni, Al–6Ca–3Mn–2Ce оказались пригодны для любых видов горячей деформации, в том числе, и высокоскоростной, превосходя по деформационной технологичности заэвтектические силумины. Кроме того, было наглядно показано, что рабочие температуры алюминиево-кальциевых сплавов могут быть значительно выше, чем у силумина.

С целью поиска жаропрочных заэвтектических композиций, образцы церийсодержащих сплавов Al–8Ca–2Mn–1Ce, Al–6Ca–3Mn–2Ce, Al–10Ca–6Ce и стандартный сплав АМ5 были подвергнуты ТМО (пластической деформации по схеме одноосной осадки) при помощи высокоточного моделирующего лабораторного оборудования – комплекса Gleeble System 3800. В результате было установлено, что сплав Al–6Ca–3Mn–2Ce вполне сопоставим по высокотемпературной прочности со стандартным жаропрочным сплавом АМ5 и даже немного превосходит его. При этом экспериментальный сплав превосходит АМ5 по совокупности таких важнейших характеристик, как литейные свойства, коррозионная стойкость и  его ТКЛР ниже (более термически стабилен).

При исследовании ТКЛР сплавов было показано, что высококальциевы сплавы (c 10 и более  %Ca) имеют ТКЛР, сопоставимый с АК18, а сплав Al–18Ca имеет значительно более низкий ТКЛР. Учитывая высокую деформационную пластичность этих сплавов, можно предположить их перспективность в качестве замены заэвтектических силуминов.

Особенности структуры и свойств заэвтектических «естественных композитов» на алюминиево-кальциевой основе рассмотрены в работах [1–4].

Грант
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-19-00746.
Литература
  1. Naumova E., Doroshenko V., Barykin M., Sviridova T., Lyasnikova A., Shurkin P. Hypereutectic Al–Ca-Mn–(Mi) alloys as natural eutectic composites. Metals, 2021, vol. 11 (6), art. no. 890. https://doi.org/10.3390/met11060890
  2. Naumova E.A., Rogachev S.O., Sundeev R.V. Effect of severe plastic deformations on structure features and mechanical behavior of Al4Ca intermetallic in Al–18% Ca alloy. Journal of Alloys and Compounds, 2021, vol. 854, p. 157117. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157117
  3. N.A. Belov, E.A. Naumova, V.V. Doroshenko, M.A. Barykin N.A. Belov, E.A. Naumova, V.V. Doroshenko, M.A. Barykin Comparative analysis of the effect of Ni, Mn, Fe and Si additives on the microstructure and phase composition of hypereutectic aluminum-calcium alloys // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2022. 63(1). P.71-80
  4. Дорошенко В.В., Наумова Е.А., Барыкин М.А., Кошмин А.Н. Исследование технологических свойств новых алюминиево-кальциевых сплавов для поршней ДВС // Цветные металлы. №1. 2022. C.62-71
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.