Новый высокопрочный литейный алюминиевый сплав на основе системы Al–Zn–Mg–Ca–Fe, не требующий термообработки

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: σ_в ~ 310 МПа, σ_0,2 ~ 210 МПа, δ ~ 4 %.

1. Glazoff M., Khvan A., Zolotorevsky V., Belov N., Dinsdale A. Casting aluminum alloys. 2-nd ed.: Their physical and mechanical metallurgy. Elsevier, 2018.

2. Hatch J.E. Aluminum: Properties and physical metallurgy. Ohio: American Society for Metals, 1984.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.2016.03.091

18. Левчук 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Zaki Ahmad. Aluminium alloys — new trends in fabrication and applications. Croatia: InTech, 2012. DOI: http:// dx.doi.org/10.5772/3354.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: Изд. дом «Руда и металлы», 2016.

29. Thermo-Calc Software TTAL5 Al-Alloys. URL: www.thermocalc.com (accessed: 17.02.2019).

30. Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. М.: Наука, 1966.

31. 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.

32. Белов Н.А., Шуркин П.К. Высокопрочный литейный алюминиевый сплав с добавкой кальция. Пат. 2691476 (РФ). 2019.