Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Москва, Россия

А. А. Лыскович, аспирант кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов (ЛТиХОМ)», эл. адрес: lyskovich.aa@misis.ru
В. Е. Баженов, доцент кафедры «ЛТиХОМ», канд. техн. наук, эл. адрес: v.e.bagenov@gmail.com
И. И. Баранов, аспирант кафедры «ЛТиХОМ», эл. адрес: baranov.ii@misis.ru
А. В. Колтыгин, заведующий кафедрой «ЛТиХОМ», д-р техн. наук, эл. адрес: misistlp@mail.ru

Основным методом изготовления радиаторов охлаждения и корпусов электроники сложной конфигурации является литье под давлением. Однако на сегодняшний день большинство литейных промышленных сплавов не обеспечивают требуемого теплоотвода, что стимулирует спрос на создание новых легких литейных сплавов с высокой теплопроводностью. Проведено исследование перспективной группы сплавов Al – 3 % (мас.) Zn – 3 % (мас.) Ca – X (где X = Si, Mg, Ni, Zr, Sc). Методами электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа изучено влияние добавок на микро- и макроструктуру сплава-основы Al – 3 % (мас.) Zn – 3 % (мас.) Ca. Показано, что введение кремния, магния или никеля приводит к укрупнению частиц фазы (Al, Zn)4Ca в эвтектике. Кроме того, установлено, что добавка скандия в количестве 0,3 % (мас.) эффективнее измельчает зерна, чем добавка циркония. Были исследованы твердость по Бринеллю и теплопроводность (с помощью уравнения Смита – Палмера) сплавов в литом и термообработанном состоянии. Выявлено, что наибольший прирост твердости в литых сплавах происходит после введения добавок магния и кремния. При этом введение более 0,1 % (мас.) легирующего элемента в значительной степени снижает теплопроводность литых сплавов. Старение при 300 ^оС способствовало увеличению твердости и теплопроводности сплавов, содержащих скандий. Также отмечен рост тепло проводности сплавов с добавками кремния и магния, однако их твердость оставалась неизменной или даже снижалась с увеличением продолжительности выдержки.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00682).

1. Takahashi K., Kuwahara H., Kawasaki N., Obata T., Sugawa E. Enhancement of thermal contact conductance between metal surfaces in an induction motor // Journal of Enhanced Heat Transfer. 2001. Vol. 8, Iss. 3. P. 201–213.
2. Sce A., Caporale L. High density die casting (HDDC): new frontiers in the manufacturing of heat sinks // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 525. 012020. DOI: 10.1088/1742-6596/525/1/012020
3. Davis J. R. Aluminum and aluminum alloys. – Ohio : ASM International, 1993. – 784 p.
4. Chen J. K., Hung H. Y., Wang C. F., Tang N. K. Thermal and electrical conductivity in Al–Si/Cu/Fe/Mg binary and ternary Al alloys // Journal of Materials Science. 2015. Vol. 50. P. 5630–5639.
5. Kevorkov D., Schmid-Fetzer R. The Al – Ca system, Part 1: Experimental investigation of phase equilibria and crystal structures // International Journal of Materials Research (formerly Zeitschrift fuer Metallkunde). 2001. Vol. 92, № 8. P. 946–952.
6. Bazhenov V. E., Koltygin A. V., Sung M. C., Park S. H. et al. Development of Mg – Zn – Y – Zr casting magnesium alloy with high thermal conductivity // Journal of Magnesium and Alloys. 2021. Vol. 9, Iss. 5. P. 1567–1577.
7. Zhang A., Li Y. Thermal conductivity of aluminum alloys – a review // Materials. 2023. Vol. 16, Iss. 8. 2972. DOI: 10.3390/ma16082972
8. Belov N. A., Alabin A. N., Naumova E. A., Matveeva I. A. Effect of scandium on structure and hardening of Al – Ca eutectic alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 646. P. 741–747.
9. Fokin D., Matveev S., Vakhromov R., Ryabov D., Alabin A. Effect of alloying elements on corrosion resistance of quench-free Al – Ca alloys for HPDC // Light Metals 2023. TMS 2023. The Minerals, Metals & Materials Series. – Springer, Cham, 2023. P. 505–510.
10. Liu Y. L., Kang S. B., Kim H. W. The complex microstructures in an as-cast Al – Mg – Si alloy // Materials letters. 1999. Vol. 41, № 6. P. 267–272.
11. Karakulak E., Koç F. G., Yamanoğlu R., Zeren M. Mechanical properties of hypoeutectic Al – Ni alloys with Al3Ni interme tallics // Materials Testing. 2016. Vol. 58, No. 2. P. 117–121.
12. Lohar A. K., Mondal B., Rafaja D., Klemm V., Panigrahi S. C. Microstructural investigations on as-cast and annealed Al – Sc and Al – Sc – Zr alloys // Materials Characterization. 2009. Vol. 60, Iss. 11. P. 1387–1394.
13. Klemens P. G., Williams R. K. Thermal conductivity of metalsand all oys // International Metals Reviews. 1986. Vol. 31, Iss. 1. P. 197–215.
14. Lyskovich A. A., Bazhenov V. E., Baranov I. I., Bautin V. A. et al. Castability, mechanical, and corrosion properties of Al – Zn – Ca alloys with high thermal conductivity // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2025. Vol. 35, Iss. 11. P. 3595–3616.
15. Thermo-Calc Software TTAL5 Al-Alloys. – URL: www.thermocalc.com (дата обращения: 27.07.2025).
16. Belov N., Naumova E., Akopyan T. Eutectic alloys based on the Al – Zn – Mg – Ca system: Microstructure, phase composition and hardening // Materials Science and Technology. 2017. Vol. 33, Iss. 6. P. 656–666.
17. Belov N. A., Naumova E. A., Bazlova T. A., Doroshenko V. V. Phase composition and hardening of castable Al – Ca – Ni – Sc alloys containing 0.3% Sc // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59, No. № 1–2. P. 76–81.
18. Belov N. A., Alabin A. N., Eskin D. G., Istomin-Kastrovskii V. V. Optimization of hardening of Al – Zr – Sc cast alloys // Journal of Materials Science. 2006. Vol. 41, No. 18. P. 5890–5899.
19. Ocenasek V., Slamova M. Resistance to recrystallization due to Sc and Zr addition to Al – Mg alloys // Materials Characterization. 2001. Vol. 47, Iss. 2. P. 157–162.
20. Wang F., Qiu D., Liu Z. L., Taylor J. A. et al. The grain refinement mechanism of cast aluminium by zirconium // Acta Materialia. 2013. Vol. 61, Iss. 15. P. 5636–5645.
21. Zhang A., Li Y. Effect of alloying elements on thermal conductivity of aluminum // Journal of Materials Research. 2023. Vol. 38, No. 8. P. 2049–2058.
22. Vandersluis E., Lombardi A., Ravindran C., Bois-Brochu A. et al. Factors influencing thermal conductivity and mechanical properties in 319 Al alloy cylinder heads // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 648. P. 401–411.
23. Mondolfo L. F. Aluminum alloys: Structure and properties. – London, Boston : Butterworths, 1976. – 982 p.
24. Milman Y. V. Scandium effect on increasing mechanical properties of aluminum alloys // High Temperature Materials and Processes. 2006. Vol. 25, Iss. 1–2. P. 1–10.