Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия:

Э. Х. Ри, зав. кафедрой «Литейное производство и технологии металлов»
Хосен Ри, профессор кафедры «Литейное производство и технологии металлов»
А. В. Гончаров, аспирант кафедры «Литейное производство и технологии металлов»

НИТУ «МИСиС», Москва, Россия:

В. Б. Деев, профессор кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов», эл. почта: deev.vb@mail.ru

Разработана новая технология получения лигатурного сплава из алюминидов переходных металлов III группы (Ce, La и Y), заключающаяся в легировании алюминия марки А95 церием, лантаном и иттрием при температуре 900 ^оС в атмосфере чистого аргона в следующих долевых частях: 7–10 церия; 3,5–5,0 лантана; 15–20 иттрия; алюминий — остальное. Оптимальное соотношение Y, Ce и La равно 2:1:0,5. С использованием методов оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного микроанализа, измерения микро- и нанотвердости изучены особенности микроструктуры нового лигатурного сплава системы Al – Ce – La – Y, состоящего из кристаллов чистого алюминия, интерметаллидов типа Al₃Y –алюминида иттрия с РЗМ и типа Al₁₁РЗМ₃ = Al_3,66РЗМ(Ce и La) —алюминида РЗМ с Y и эвтектики Al + Al_xР_ЗМ_yY_z. Кристаллы алюминида РЗМ с Y имеют светлый цвет, а кристаллы алюминида Y с РЗМ — более темный. В результате систематического изучения характера распределения элементов в различных структурных составляющих сплава Al – Ce – La – Y идентифицированы следующие фазы:
1. Алюминид иттрия с РЗМ имеет следующую стехиометрию, отличную от стандартного соединения Al₃Y: Al_xY_yР_ЗМ_z, где x = 3,08–3,15 (среднее значение x = 3,11); y + z = 1,0. Микротвердость иттриевого алюминида РЗМ соответствует 6547 МПа (5233–8176 МПа), а нанотвердость — 9627 МПа (9410–9730 МПа).
2. Алюминид РЗМ с Y имеет стехиометрическую формулу, отличную от стандартного соединения Al₁₁РЗМ₃ = Al_3,66РЗМ (Al_3,66Ce, Al_3,66La): Al_xРЗМ_yY_z, где x = 3,5–3,7 (среднее значение х = 3,6); y + z = 1,0. Имеет микротвердость 4695 МПа (3230–5854 МПа), а нанотвердость — 8560 МПа (8350–8710 МПа).
3. Эвтектический алюминид РЗМ и Y имеет стехиометрию Al_xРЗМ_yY_z, где x = 3,51–3,9 (среднее значение х = 3,71); y + z = 1,0. Микротвердость эвтектики 423 МПа (404–523 МПа).
4. Чистый алюминий имеет микротвердость 254 МПа.
Область применения лигатурного сплава Al – Ce – La – Y:
1. Лигатурный сплав вводят в жидкий чугун (% (мас.): 3,0–3,6 C; 1,5–2,0 Si; 0,5–1,0 Mn; 0,1–0,15 P; 0,05–0,07 S) методом погружения в количестве 1,0–1,25 % от массы жидкого металла. Температура плавления лигатуры 720–760 ^оC. Лигатура хорошо усваивается в чугуне. При введении лигатуры в жидкий чугун (при 1300–1600 ^оC) пироэффекта не наблюдается, эффект получения шаровидного графита стабилен. На клиновых пробах отбела нет. Повышаются одновременно прочность и пластичность чугуна с шаровидным графитом.
2. Лигатурный сплав может быть использован для литейных алюминиевых сплавов для повышения механических свойств, так как РЗМ резко измельчает структурные составляющие (α-твердый раствор, первичный и эвтектический кремний) и изменяет морфологию железистых и кремнистых соединений.

Исследования проводили на оборудовании кафедры «ЛПиТМ» и ЦКП «Прикладное материаловедение» ФГБОУ ВО «ТОГУ» при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки РФ в рамках государственных заданий (№ гос. рег. 11.7208.2017/7.8, 11.3014.2017/4.6 и 11.7213.2017/7.8).

1. Пат. 0521915 РФ. Модификатор / Ри Хосен, Ри Э. Х., Зернова Т. С., Калаушин М. А., Ри В. Э., Ермаков М. А. ; заявл. 28.11.2012 ; опубл. 10.07.2014.
2. Добаткин В. И., Елагин В. И., Федоров В. М. Быстро-закристаллизующиеся алюминиевые сплавы. — М. : ВИЛС, 1995. — 341 с.
3. Белов Н. А., Алабин А. Н. Перспективные алюминиевые сплавы с повышенной жаропрочностью для арматуростроения как возможная альтернатива сталям и чугунам // Материалы в машиностроении. 2010. № 2 (65). С. 50–54.
4. Hyde K. B., Norman A. F., Prangnell P. B. The effect of Ti on grain refinement in Al – Sc alloys // Mater. Sci. Forum. 2002. Vol. 396–402. P. 39–44.
5. Min Song, Yuehui He, Shanfeng Fang. Effect of Zr content on the yield strength of an Al – Sc alloy // J. Mater. Eng. and Perform. 2011. Vol. 20, No. 3. P. 377–381.
6. Dalen M. E., Dunand D. C., Seidman D. N. Effects of Ti additions on the nanostructure and cree properties of precipitation-strengthened Al – Sc alloys // Acta Mater. 2005. Vol. 53, No. 15. P. 4225–4235.

7. Norman A. F., Prangnell P. В., McEwen R. S. The solidification behavior of dilute aluminium-scandium alloys // Acta Mater. 1998. Vol. 46, No. 16. P. 5715–5732.
8. Marquis E. A., Seidman D. N. Nanoscale structural evolution of Al₃Sc precipitates in Al(Sc) alloys. Acta mater. 2001. Vol. 49. P. 1909–1919.
9. Royset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // Int. Mater. Rev. 2005. Vol. 50, No. 1. P. 19–44.
10. Harada Y., Dunand D. C. Microstructure of Al₃Sc with ternary transition-metal additions // Mater. Sci. and Eng. A. 2002. Vol. 329–331. P. 686–695.
11. Белов Н. А., Наумова Е. А. Структура и свойства сплавов на основе системы алюминий – церий // Перспективные материалы. 1999. № 6. С. 47–56.
12. Белов Н. А., Хван А. В. Структура и механические свойства эвтектических композитов на основе системы Al – Ce – Cu // Цветные металлы. 2007. № 2. С. 91-94.
13. Quinlin Li, Tiandong Xia, Yefeng Lan, Wenjun Zhao, Lu Fan, Pengfei Li. Effect of rare earth cerium addition on the microstructure and tensile properties of hypereutectic Al – 20 % Si alloy // Alloys and Compound. 2013. Vol. 562. P. 25–32.
14. Xiao D. H., Wang J. N., Ding D. Y., Yang H. L. Effect of rare earth Ce addition on the microstructure and mechanical properties of an Al – Cu – Mg – Ag alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2003. Vol. 352. P. 84–88.
15. Anasyida A. S., Daud A. R., Ghazali M. J. Dry sliding wear behaviour of Al – 12Si – 4Mg alloy with cerium addition // Materials & Design. 2010. Vol. 31, No. 1. P. 365–374.
16. Zhongwei Chen, Pei Chen, Shishun Li. Effect of Ce addition on microstructure of Al20Cu2Mn3 twin phase in an Al – Cu – Mn casting alloy // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 532. P. 606–609.
17. Aguirre-De la Torre E., Pérez-Bustamante R., Camarillo-Cisneros J., Gómez-Esparza C. D., Medrano-Prieto H. M., Martínez-Sánchez R. Mechanical properties of the A356 aluminum alloy modified with La/Ce // Journal of Rare Earths. 2013. Vol. 31, No. 8. P. 811–816.
18. Wuhua Yuan, Zhenyu Liang, Chuanyang Zhang, Linjun Wei. Effects of La addition on the mechanical properties and thermalresistant properties of Al – Mg – Si – Zr alloys based on AA 6201 // Materials & Design. 2012. Vol. 34. P. 788–792.
19. Weixi Shi, Bo Gao, Ganfeng Tu, Shiwei Li, Yi Hao, Fuxiao Yu. Effect of neodymium on primary silicon and mechanical properties of hypereutectic Al – 15 % Si alloy // Journal of Rare Earths. 2010. Vol. 28. P. 367–370.
20. Shi W. X., Gao B., Tu G. F., Li S. W. Effect of Nd on microstructure and wear resistance of hypereutectic Al – 20 % Si alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 508, No. 2. P. 480–485.
21. Hui-zhong Li, Xiao-peng Liang, Fang-fang Li, Fei-fei Guo, Zhou Li, Xin-ming Zhang. Effect of Y content on microstructure and mechanical properties of 2519 aluminium alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2007. Vol. 17, No. 6. P. 1194–1198.
22. Xianchen Song, Hong Yan, Xiaojun Zhang. Microstructure and mechanical properties of Al – 7 Si – 0,7 Mg alloy formed with an addition of (Pr + Ce) // Rare Earths. 2017. Vol. 35, No. 4. P. 412–418.
23. Mehdi Hosseinifar. Physical metallurgy and thermodynamics of aluminum alloys containing cerium and lanthanum. PhD dissertation. McMaster University, Canada, 2009.
24. ГОСТ Р 8.748–2011 (ИСО 14577-1:2002) Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний. — Введ. 2013-05-01.
25. Готолинский К. В., Львова Н. А., Усеинов А. С. Применение сканирующих зондовых микроскопов и нанотвердомеров для измерения механических свойств твердых материалов на наноуровне // Заводская лаборатория. 2007. Т. 73, № 6. С. 28–36.

26. Диаграммы состояний двойных металлических систем : справочник : в 3 т. Т. 1. / под ред. Н. П. Лякишева. — М. : Машиностроение, 1996.
27. Akopyan T. K., Belov N. A. Approaches to the design of the new high-strength casting aluminum alloys of 7xxx series with high iron content // Non-ferrous Мetals. 2016. No. 1. P. 20–27. DOI: 10.17580/nfm.2016.01.04