НИТУ «МИСиС», Москва, Россия:

Е. А. Наумова, ведущий инженер каф. обработки металлов давлением, эл. почта: jan73@mail.ru
Н. А. Белов, главный научный сотрудник каф. обработки металлов давлением
М. А. Васина, магистрант каф. обработки металлов давлением
В. В. Дорошенко, инженер каф. обработки металлов давлением

Исследование посвящено определению оптимальных концентрационных диапазонов новых высокопрочных алюминиевых сплавов на основе системы Al – Zn – Mg – Ca – Fe – Si. Установлено сложное распределение легирующих элементов между фазами, число которых может достигать 9, среди них 3 фазы содержат кальций: (Al, Zn)₄Ca, Al₁₀CaFe₂, Al₂CaSi₂. С помощью рассчитанной в программе Thermo-Calc проекции поверхности ликвидуса системы при постоянном содержании цинка и магния установлено, что с увеличением концентрации кальция область первичной кристаллизации алюминиевого твердого раствора (Al) значительно сужается, что приводит к риску образования первичных кристаллов интерметаллидных фаз Al₁₀CaFe₂ и Al₂CaSi₂. С использованием методов электронной сканирующей микроскопии, а также микрорентгеноспектрального анализа исследованы структуры модельных сплавов Al – 8 % Zn – 3 % Mg – 0,5 % Fe – 0,5 % Si с 1 и 2 % Сa в литом состоянии. Установлено, что соединение Al₂CaSi₂ имеет более грубое строение, чем Al₁₀СaFe₂. Количество и размер кремнийсодержащих включений значительно увеличиваются с ростом содержания кальция и кремния. Анализ склонности сплавов к упрочнению изучен с помощью зависимостей твердости HV от температуры старения в диапазоне от 100 до 250 ^оС. Установлено, что твердость минимальна для сплавов с повышенным содержанием кальция, что обусловлено избыточным растворением цинка в фазе Al₄Ca. При этом кремний при содержании до 0,5 % (мас.) мало влияет на упрочнение сплавов. Максимум твердости сплавов при старении превышает 180 HV, что, согласно результатам термодинамических расчетов, обусловлено формированием метастабильных выделений фазы MgZn₂. С учетом полученных экспериментальных данных для базового сплава Al – 8 % Zn – 3 % Mg предложено оптимальное содержание, %: ~1 Ca; ~0,5 Fe; ~0,2 Si. Сплав с такими концентрациями позволяет реализовать структуру, состоящую из алюминиевого твердого раствора с суммарной концентрацией Zn и Mg ~10 % (мас.) и Ca-содержащей эвтектики, в которую также входят Fe и Si. Сплав также показал приемлемый уровень технологичности при литье и обработке давлением.

Статья подготовлена в рамках Соглашения № 14.578.21.0220 (уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0220) о предоставлении субсидии Минобрнауки России в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

1. Polmear I. Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals. 4th edition. — Oxford : Elsevier, 2006. — 421 p.
2. Glazoff M. V., Khvan A. V., Zolotorevsky V. S., Belov N. A., Dinsdale A. T. Casting Aluminum Alloys. Their Physical and Mechanical Metallurgy. — Oxford, UK : Elsevier, 2019. — 564 p.
3. Aluminum: properties and physical metallurgy / ed. J. E. Hatch. — Ohio : ASM, 1984.
4. Aluminum and its alloys / ed. S. G. Epstein. — Arlington : The Aluminum Association Inc., 1994.
5. Belov N. A., Zolotorevskij V. S. The effect of nickel on the structure, mechanical and casting properties of aluminium alloy of 7075 type // Materials Science Forum. 2002. Vol. 396–402. P. 935–940.
6. 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 Metals. 2016. No. 1. P. 20–27.
7. Piatti G., Pellegrini G., Trippodo D. The tensile properties of a new superplastic alluminum alloy: Al – Al4Ca eutectic // Journal of Materials Science. 1976. Vol. 11, No. 1. P. 186–190.
8. Moore D. M., Morris L. R. A new superplastic aluminum sheet alloy // Materials Science and Engineering. 1980. Vol. 43, No. 1. P. 85–92.
9. Swaminathan K., Padmanabhan K. A. Tensile flow and fracture behavior of a superplastic Al – Ca – Zn alloy // Journal of Materials Science. 1990. Vol. 25, No. 11. P. 4579–4586.
10. Perez-Prado M. T., Cristina M. C., Ruano O. A., Gonza G. Microstructural evolution of annealed Al – 5 wt% Ca – 5 wt% Zn sheet alloy // Journal of Materials Science. 1997. Vol. 32, No. 5. P. 1313–1318.
11. Kono N., Tsuchida Y., Muromachi S., Watanabe H. Study of the AlCaZn ternary phase diagram // Light Metals. 1985. Vol. 35. P. 574–580.
12. Naumova E. A., Belov N. A., Bazlova T. A. Effect of Heat Treatment on Structure and Strengthening of Cast Eutectic Aluminum Alloy Al9Zn4Ca3Mg // Metal Science and Heat Treatment. 2015. Vol. 57, No. 5-6. P. 274–280.
13. Belov N. A.,Naumova E. A., Akopyan T. K. Eutectic alloys based on the Al – Zn – Mg – Ca system: microstructure, phase composition and hardening // Materials Science and Technology. 2017. Vol. 33, No. 6. P. 656–666.
14. Belov N. A., Akopyan T. K., Mishurov S. S., Korotkova N. O. Effect of Fe and Si on the microstructure and phase composition of the aluminium – calcium eutectic alloys // Non-ferrous Metals. 2017. No. 2. P. 37–42.
15. 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 // Цветные металлы. 2018. № 5. С. 69–77.
16. Prusov E., Deev V., Rakhuba E. Aluminum Matrix In-Situ Composites Reinforced with Mg2Si and Al3Ti // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 11. P. 386–391.
17. ГОСТ 11069–2001. Алюминий первичный. Марки. — Введ. 01.01.2003.
18. ГОСТ 3640–94. Цинк. Технические условия. — Введ. 01.01.1997.
19. ГОСТ 804–93. Магний первичный в чушках. Технические условия. — Введ. 01.01.1997.
20. ГОСТ 2999–75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. — Введ. 01.07.1976.
21. Masatomo Nishi, Kenji Matsuda, Naoya Miura, Katsumi Watanabe, Susumu Ikeno, Tomoo Yoshida, Satoshi Murakami. Effect of the Zn/Mg ratio on microstructure and mechanical properties in Al – Zn – Mg alloys // Materials Science Forum. 2014. Vol. 794–796. P. 479–482.
22. Shurkin P. K., Belov N. A., Akopyan T. K., Alabin A. N., Aleshchenko A. S., Avxentieva N. N. Formation of the structure of thin-sheet rolled product from a high-strength sparingly alloyed aluminum alloy “nikalin” // Physics of Metals and Metallography. 2017. Vol. 118, No. 9. P. 896–904.