cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2020-1-48-58cvmet-1068Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentНовый высокопрочный литейный алюминиевый сплав на основе системы Al–Zn–Mg–Ca–Fe, не требующий термообработкиNew high-strength casting aluminum alloy based on the Al–Zn–Mg–Ca–Fe system without requirement for heat treatmentШуркинП. К.ShurkinP. K.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

Postgraduate student, engineer of the Department of metal forming

119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

pa.shurkin@yandex.ruБеловН. А.BelovN. A.

Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением

г. Москва, 

 

Dr. Sci. (Tech.), prof., chief researcher of the Department of metal forming 

Moscow

nikolay-belov@yandex.ruМусинА. Ф.MusinA. F.

Магистрант, инженер кафедры обработки металлов давлением

г. Москва

Graduate student, engineer of the Department of metal forming 

Moscow

mu7ina@mail.ruАксеновА. А.AksenovA. A.

Доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением

г. Москва

Dr. Sci. (Tech.), prof. of the Department of metal forming 

Moscow

aksenov@misis.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian Federation202019022020014858Copyright © Шуркин П.К., Белов Н.А., Мусин А.Ф., Аксенов А.А., 20202020Шуркин П.К., Белов Н.А., Мусин А.Ф., Аксенов А.А.Shurkin P.K., Belov N.A., Musin A.F., Aksenov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1068

На основании изучения структуры, технологических и механических свойств обоснованы состав и перспективы применения литейного высокопрочного алюминиевого сплава системы Al–Zn–Mg–Ca–Fe без использования термической обработки. В качестве объектов исследования были получены сплавы на основе базовой композиции Al–5,5%Zn–1,5%Mg (мас.%), совместно и раздельно легированные 0,5–1,0 % Сa и 0,5 % Fe. Объектами сравнения выступали стандартные литейные сплавы (согласно ГОСТ 1583-93): АК12М2, АМг6лч, АМ4,5Кд. Способом заливки карандашных проб был проведен тест на склонность к формированию горячих трещин вследствие затрудненной усадки. Показано, что раздельное легирование кальцием и железом не способствует улучшению трещиностойкости и отрицательно сказывается на механических свойствах. Совместное введение 1 % Са и 0,5 % Fe позволяет повысить показатель горячеломкости до уровня свойств сплава АМг6лч. Данный эффект обусловлен образованием кальцийсодержащих фаз эвтектического происхождения и формированием благоприятной зеренной структуры, в которой отсутствуют столбчатые кристаллы. Железо в структуре сплава связано в компактные частицы фазы Al10CaFe2, что является следствием неравновесной кристаллизации, реализуемой при литье в кокиль. Формирование этой фазы позволило снизить количество цинка в фазе (Al, Zn)4Ca и в значительной мере сохранить состав твердого раствора (Al), о чем свидетельствуют схожие значения твердости базового сплава Al–5,5%Zn–1,5%Mg и сплава Al–5,5%Zn–1,5%Mg–1%Ca–0,5%Fe, а также превосходство этих значений перед показателями твердости сплавов, которые отдельно легированы кальцием и железом. Также твердость перспективного сплава в литом состоянии более чем на 20 HV превышает твердость марочных литейных сплавов в аналогичном состоянии. Новый сплав в литом состоянии показал конкурентоспособные механические свойства на растяжение: σв ~ 310 МПа, σ0,2 ~ 210 МПа, δ ~ 4 %.

The paper substantiates the composition and prospects of using high strength Al–Zn–Mg–Ca–Fe casting aluminum alloy without heat treatment based on the study on the structure, technological and mechanical properties. Alloys of the base composition Al–5.5%Zn–1.5%Mg (wt.%) jointly and separately doped with 0.5–1.0 % Ca and 0.5 % Fe were obtained as the objects of research. Standard casting alloys according to GOST 1583-93: AK12M2, AMg6lch, AM4,5Kd were the objects of comparison. A hot tensile test using a cast test bar was conducted to check the tendency to form hot cracks due to hindered contraction. It was shown that separate alloying with calcium and iron does not contribute to the improvement of crack resistance and adversely affects mechanical properties. Combined alloying with 1 % Ca and 0.5 % Fe improves the hot tearing resistance to the level of the AMg6lch alloy properties. This effect is due to calcium-containing phases of eutectic origin formed and a favorable grain structure created that is free from columnar grains. Iron in the alloy structure is bound in compact Al10CaFe2 phase particles as a result of the non-equilibrium crystallization during permanent mold casting. The formation of this phase allowed to reduce the amount of zinc in the (Al, Zn)4Ca phase and mostly retain the (Al) solid solution composition as evidenced by similar hardness values of the Al–5.5%Zn–1.5%Mg base alloy and Al–5.5%Zn–1.5%Mg–1%Ca–0.5%Fe alloy, and the superiority of the values over the hardness of alloys separately alloyed with calcium and iron. Also the cast hardness of the promising alloy more than 20 HV higher than the cast hardness of commercial cast alloys. The new alloy in the as-cast condition exhibited competitive mechanical tensile properties: UTS ~ 310 MPa, YS ~ 210 MPa, El ~ 4 %.

литейные алюминиевые сплавывысокопрочные алюминиевые сплавысистема Al–Zn–Mgкальцийжелезомикроструктурафазовый составмеханические свойствагорячеломкостьcasting aluminum alloyshigh-strength aluminum alloysAl–Zn–Mg systemcalciumironmicrostructurephase compositionmechanical propertieshot tearing resistanceReferencesGlazoff M., Khvan A., Zolotorevsky V., Belov N., Dinsdale A. Casting aluminum alloys. 2-nd ed.: Their physical and mechanical metallurgy. Elsevier, 2018.Glazoff M., Khvan A., Zolotorevsky V., Belov N., Dinsdale A. Casting aluminum alloys. 2-nd ed.: Their physical and mechanical metallurgy. Elsevier, 2018.Hatch J.E. Aluminum: Properties and physical metallurgy. Ohio: American Society for Metals, 1984.Hatch J.E. Aluminum: Properties and physical metallurgy. Ohio: American Society for Metals, 1984.Dong X., Yang H., Zhu X., Ji S. High strength and ductility aluminium alloy processed by high pressure die casting. JALCOM. 2019. Vol. 773. P. 86—96. DOI: doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.260.Dong X., Yang H., Zhu X., Ji S. High strength and ductility aluminium alloy processed by high pressure die casting. JALCOM. 2019. Vol. 773. P. 86—96. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.260.Ji S., Watson D., Fan Z., White M. Development of a super ductile diecast Al—Mg—Si alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 556. P. 824—833. DOI: doi.org/10.1016/j.msea.2012.07.074.Ji S., Watson D., Fan Z., White M. Development of a super ductile diecast Al—Mg—Si alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 556. P. 824—833. DOI: 10.1016/j.msea.2012.07.074.Zhang P., Li Z., Liu B., Ding W., Peng L. Improved tensile properties of a new aluminum alloy for high pressure die casting. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 651. P. 376—390. DOI: doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.127.Zhang P., Li Z., Liu B., Ding W., Peng L. Improved tensile properties of a new aluminum alloy for high pressure die casting. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 651. P. 376—390. DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.127.Zuqi H., Li W., Shulin L., Peng Z., Shusen W. Research on the microstructure, fatigue and corrosion behavior of permanent mold and die cast aluminum alloy. Mater. Design. 2014. Vol. 55. P. 353—360. DOI: doi.org/10.1016/j.matdes.2013.10.012.Zuqi H., Li W., Shulin L., Peng Z., Shusen W. Research on the microstructure, fatigue and corrosion behavior of permanent mold and die cast aluminum alloy. Mater. Design. 2014. Vol. 55. P. 353—360. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.10.012.Závodská D., Tillová E., Švecová I., Kuchariková L., Chalupová M. Secondary cast Al-alloys with higher content of iron. Mater. Today. Proc. 2018. Vol. 5. P. 26680—26686. DOI: doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.135.Závodská D., Tillová E., Švecová I., Kuchariková L., Chalupová M. Secondary cast Al-alloys with higher content of iron. Mater. Today. Proc. 2018. Vol. 5. P. 26680—26686. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.08.135.Yang H., Ji S., Fan Z. Effect of heat treatment and Fe content on the microstructure and mechanical properties of die-cast Al—Si—Cu alloys. Mater. Design. 2015. Vol. 85. P. 823—832. DOI: doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.074.Yang H., Ji S., Fan Z. Effect of heat treatment and Fe content on the microstructure and mechanical properties of die-cast Al—Si—Cu alloys. Mater. Design. 2015. Vol. 85. P. 823—832. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.07.074.Богданова Т.А., Меркулова Г.А., Гильманшина Т.Р. Влияние содержания железа и марганца на структуру литого изделия из алюминиевого сплава АК12. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2018. No. 9. С. 3—7. DOI: doi.org/10.1007/s11041-019-00318-0.Bogdanova T.A., Merkulova G.A., Gil’manshina T.R. Effect of iron and manganese content on the structure of cast article from aluminum alloy AK12. Met. Sci. Heat Treat. 2019. Vol. 60. Iss. 9—10. P. 555—559. DOI: 10.1007/s11041-019-00318-0.Cong X., Chaoli M., Yufeng S., Shuji H., Guangxi L., Shaokang G. Optimizing strength and ductility of Al—7Si—0.4 Mg foundry alloy: Role of Cu and Sc addition. JALCOM. 2019. Vol. 810. P. 151944. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.151944.Cong X., Chaoli M., Yufeng S., Shuji H., Guangxi L., Shaokang G. Optimizing strength and ductility of Al—7Si—0.4 Mg foundry alloy: Role of Cu and Sc addition. JALCOM. 2019. Vol. 810. P. 151944. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.151944.Prach O., Trudonoshyn O., Randelzhofer P., Körner С., Durst K. Effect of Zr, Cr and Sc on the Al—Mg—Si—Mn high-pressure die casting alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 759. P. 603—612. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.05.038.Prach O., Trudonoshyn O., Randelzhofer P., Körner С., Durst K. Effect of Zr, Cr and Sc on the Al—Mg—Si—Mn high-pressure die casting alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 759. P. 603—612. DOI: 10.1016/j.msea.2019.05.038.Bingbing W., Weiping C., Lusheng L., Xueyang C., Li Z., Zhiqiang F. Effect of trace yttrium addition on the microstructure and tensile properties of recycled Al— 7Si—0.3Mg—1.0Fe casting alloys. Mater. Sci. Eng. A. Vol. 666. P. 165—175. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.04.036.Bingbing W., Weiping C., Lusheng L., Xueyang C., Li Z., Zhiqiang F. Effect of trace yttrium addition on the microstructure and tensile properties of recycled Al— 7Si—0.3Mg—1.0Fe casting alloys. Mater. Sci. Eng. A. Vol. 666. P. 165—175. DOI: 10.1016/j.msea.2016.04.036.Fei—fan W., Wen M., Hong—wei Z., Zhi—qiang H. Effects of under—aging treatment on microstructure and mechanical properties of squeeze-cast Al—Zn—Mg—Cu alloy. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2018. Vol. 28. No. 10. P. 1920—1927. DOI: 10.1016/S1003-6326(18)64837-X.Fei—fan W., Wen M., Hong—wei Z., Zhi—qiang H. Effects of under—aging treatment on microstructure and mechanical properties of squeeze-cast Al—Zn—Mg—Cu alloy. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2018. Vol. 28. No. 10. P. 1920—1927. DOI: 10.1016/S1003-6326(18)64837-X.Fan C.H., Chen Z.H., He W.Q., Chen J.H., Chen D. Effects of the casting temperature on microstructure and mechanical properties of the squeeze-cast Al—Zn—Mg—Cu alloy. JALCOM. 2010. Vol. 504. Iss. 2. P. L42—L45. DOI: http:// doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.06.012.Fan C.H., Chen Z.H., He W.Q., Chen J.H., Chen D. Effects of the casting temperature on microstructure and mechanical properties of the squeeze-cast Al—Zn—Mg—Cu alloy. JALCOM. 2010. Vol. 504. Iss. 2. P. L42—L45. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.06.012.Dong J., Cui J.Z., Yu F.X., Zhao Z.H., Zhuo Y.B. A new way to cast high-alloyed Al—Zn—Mg—Cu—Zr for super-high strength and toughness. J. Mater. Proc. Technol. 2006. Vol. 171. Iss. 3. P. 399—404. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.07.010.Dong J., Cui J.Z., Yu F.X., Zhao Z.H., Zhuo Y.B. A new way to cast high-alloyed Al—Zn—Mg—Cu—Zr for super-high strength and toughness. J. Mater. Proc. Technol. 2006. Vol. 171. Iss. 3. P. 399—404. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.07.010.Cheng-kun Z., Wei-wen Z., Da-tong Z., Yuan-yuan L. Low cycle fatigue behavior of T4-treated Al—Zn—Mg—Cu alloys prepared by squeeze casting and gravity die casting. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2015. Vol. 25. Iss. 11. P. 3505—3514. DOI: http://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63992-9.Cheng-kun Z., Wei-wen Z., Da-tong Z., Yuan-yuan L. Low cycle fatigue behavior of T4-treated Al—Zn—Mg—Cu alloys prepared by squeeze casting and gravity die casting. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2015. Vol. 25. Iss. 11. P. 3505—3514. DOI: 10.1016/S1003-6326(15)63992-9.Xinwei L., Qizhou C., Bingyi Z., Yating X., Bing L. Effect of nano TiN/Ti refiner addition content on the microstructure and properties of as-cast Al—Zn—Mg—Cu alloy. JALCOM. 2016. Vol. 675. 5 P. 201—210. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.03.091Xinwei L., Qizhou C., Bingyi Z., Yating X., Bing L. Effect of nano TiN/Ti refiner addition content on the microstructure and properties of as-cast Al—Zn—Mg—Cu alloy. JALCOM. 2016. Vol. 675. 5 P. 201—210. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.03.091Левчук В.В., Трапезников А.В., Пентюхин С.И. Коррозионно-стойкие литейные алюминиевые сплавы (обзор). Тр. ВИАМ. 2018. No. 7(67). C. 33—40. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-7-33-40.Levchuk V.V., Trapeznikov A.V., Pentyukhin S.I. Corrosionresistant cast aluminum alloys (overview). Trudy VIAM. 2018. No. 7 (67). P. 33—40 (In Russ.). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-7-33-40.Xinyan Y., Jen C.L., Cagatay Y., Larry Z., Xavier D., Robert T., Eric L. An Al—Zn—Mg—Ag high-strength alloy for aerospace and automotive castings. EP1885897A2 (EU). 2006.Xinyan Y., Jen C.L., Cagatay Y., Larry Z., Xavier D., Robert T., Eric L. An Al—Zn—Mg—Ag high-strength alloy for aerospace and automotive castings. EP1885897A2 (EU). 2006.Jesik S., Taehyeong K., Dong E.K., Dongkwon K., Kitae K. Castability and mechanical properties of new 7xxx aluminum alloys for automotive chassis/body applications. JALCOM. 2017. Vol. 698. P. 577—590. DOI: doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.269.Jesik S., Taehyeong K., Dong E.K., Dongkwon K., Kitae K. Castability and mechanical properties of new 7xxx aluminum alloys for automotive chassis/body applications. JALCOM. 2017. Vol. 698. P. 577—590. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.12.269.Benedetti A.V., Cabot P.L., Garrido J.A., Moreira A.H. Influence of iron addition on the microstructure and the electrochemical corrosion of Al—Zn—Mg alloys. J. Appl. Electrochem. 2001. Vol. 31. Iss. 3. P. 293—300. DOI: http://doi.org/10.1023/A:1017566002951.Benedetti A.V., Cabot P.L., Garrido J.A., Moreira A.H. Influence of iron addition on the microstructure and the electrochemical corrosion of Al—Zn—Mg alloys. J. Appl. Electrochem. 2001. Vol. 31. Iss. 3. P. 293—300. DOI: 10.1023/A:1017566002951.Zaki Ahmad. Aluminium alloys — new trends in fabrication and applications. Croatia: InTech, 2012. DOI: http:// dx.doi.org/10.5772/3354.Zaki Ahmad. Aluminium alloys — new trends in fabrication and applications. Croatia: InTech, 2012. DOI: 10.5772/3354.Zolotorevskii V.S., Pozdnyakov A.V., Churyumov A.Yu. Search for promising compositions for developing new multiphase casting alloys based on Al—Zn—Mg matrix using thermodynamic calculations and mathematic simulation. Phys. Met. Metallogr. 2014. Vol. 115. Iss. 3. P. 286— 294. DOI: http://doi.org/10.1134/S0031918X13120107.Zolotorevskii V.S., Pozdnyakov A.V., Churyumov A.Yu. Search for promising compositions for developing new multiphase casting alloys based on Al—Zn—Mg matrix using thermodynamic calculations and mathematic simulation. Phys. Met. Metallogr. 2014. Vol. 115. Iss. 3. P. 286— 294. DOI: 10.1134/S0031918X13120107.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-Ferr. Met. 2016. No. 1. P. 20—27. DOI: 10.17580/nfm.2016.01.04.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-Ferr. Met. 2016. No. 1. P. 20—27. DOI: 10.17580/nfm.2016.01.04.Наумова Е.А. Использование кальция в сплавах: от модифицирования до легирования. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2018. No. 2. С. 59—76. DOI: doi.org/10.17073/0021-3438-2018-2-59-76.Naumova E.A. Use of calcium in alloys: from modifying to alloying. Russ. J. Non—Ferr. Met. 2018. Vol. 59. No. 3. P. 284—298. DOI: 10.3103/S1067821218030100.Шуркин П.К., Долбачев А.П., Наумова Е.А., Дорошенко В.В. Влияние железа на структуру, упрочнение и физические свойства сплавов системы Al—Zn—Mg—Ca. Цвет. металлы. 2018. No. 5. C. 69—77. DOI: 10.17580/tsm.2018.05.10.Shurkin P.K., Dolbachev A.P., Naumova E.A., Doroshenko V.V. Influence of iron on structure, hardening and physical properties of Al—Zn—Mg—Ca alloys. Tsvetnye metally. 2018. No. 5. P. 69—77 (In Russ.).Belov N. A., Naumova E.A., Akopyan T.K. Eutectic alloys based on the Al—Zn—Mg—Ca system: microstructure, phase composition and hardening. Mater. Sci. Technol. 2017. Vol. 33. Iss. 6. P. 656—666. DOI: http://doi.org/10.1080/02670836.2016.1229847.Belov N. A., Naumova E.A., Akopyan T.K. Eutectic alloys based on the Al—Zn—Mg—Ca system: microstructure, phase composition and hardening. Mater. Sci. Technol. 2017. Vol. 33. Iss. 6. P. 656—666. DOI: 10.1080/02670836.2016.1229847.Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: Изд. дом «Руда и металлы», 2016.Belov N.A., Naumova E.A., Akopyan T.K. Eutectic alloys based on aluminum: new alloying systems. Moscow: Ruda i metally, 2016 (In Russ.).Thermo-Calc Software TTAL5 Al-Alloys. URL: www.thermocalc.com (accessed: 17.02.2019).Thermo-Calc Software TTAL5 Al-Alloys. URL: www.thermocalc.com (accessed: 17.02.2019).Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. М.: Наука, 1966.Novikov I.I. Hot tearing tendency of non—ferrous metals and alloys. Moscow.: Nauka, 1966 (In Russ.).Yijie Z., Naiheng M., Hongzhan Y., Songchun L., Haowei W. Effect of Fe on grain refinement of commercial purity aluminum. Mater. Design. 2006. Vol. 27. Iss. 9. P. 794—798. DOI: http://doi.org/10.1016/j.matdes.2005.01.021.Yijie Z., Naiheng M., Hongzhan Y., Songchun L., Haowei W. Effect of Fe on grain refinement of commercial purity aluminum. Mater. Design. 2006. Vol. 27. Iss. 9. P. 794—798. DOI: 10.1016/j.matdes.2005.01.021.Белов Н.А., Шуркин П.К. Высокопрочный литейный алюминиевый сплав с добавкой кальция. Пат. 2691476 (РФ). 2019.Belov N.A., Shurkin P.K. High strength casting aluminum alloy with calcium. Pat. 2691476 (RF). 2019 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.