Том 26 № 1 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Куц В.В., Олешицкий А.В., Гречухин А.Н., Григоров И.Ю. Исследование изменения геометрических параметров образцов, наплавленных методом GMAW при воздействии на электрическую дугу продольного магнитного поля....................................................................................................................................................................................... 6 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg................................ 22 Губин Д.С., Кисель А.Г. Особенности расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов без применения СОЖ................................................................................................................... 38 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Зворыгин А.С., Скиба В.Ю. Адаптация системы ЧПУ станка к условиям комбинированной обработки.................................................................................................................................................... 55 Носенко В.А., Багайсков Ю.С., Мироседи А.Е., Горбунов А.С. Эластичные хоны для полирования профилей зубьев термообработанных цилиндрических колес специального назначения.............................................................. 66 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В., Папко С.С., Рожнов Е.Е., Юлусов И.С. Синтез механизма привода ремиз............................................................................................................. 80 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Бахтегареев И.Д. Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль............................................................................................................................................................................ 99 Зорин И.А., Арышенский Е.В., Дриц А.М., Коновалов С.В. Изучение эволюции микроструктуры и механических свойств в алюминиевом сплаве 1570 с добавкой 0,5 % гафния......................................................................... 113 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Взаимосвязь микроструктуры с ударной вязкостью металлов сварного шва трубных высокопрочных низколегированных сталей (обзор исследований).............................................................................................................................................. 129 Патил Н.Г., Сараф А.Р., Кулкарни А.П. Полуэмпирическое моделирование температуры резания и шероховатости поверхности при точении конструкционных материалов твердосплавным инструментом с покрытием TiAlN.......................................................................................................................................................................... 155 Савант Д., Булах Р., Джатти В., Чинчаникар С., Мишра А., Сефене Э.М. Исследование электроэрозионной обработки криогенно обработанных бериллиево-медных сплавов (BeCu)................................................................... 175 Карлина А.И., Кондратьев В.В., Сысоев И.А., Колосов А.Д., Константинова М.В., Гусева Е.А. Исследование влияния комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства на свойства серых чугунов................................................................................................................................................................................. 194 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 212 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 223 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.03.2024. Выход в свет 15.03.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,0. Уч.-изд. л. 52,08. Изд. № 15. Заказ 84. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 1 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 1 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuts V.V., Oleshitsky A.V., Grechukhin A.N., Grigorov I.Y. Investigation of changes in geometrical parameters of GMAW surfaced specimens under the infl uence of longitudinal magnetic fi eld on electric arc....................................... 6 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Optimization of selective laser melting modes of powder composition of the AlSiMg system................................................................. 22 Gubin D.S., Kisel’ A.G. Features of calculating the cutting temperature during high-speed milling of aluminum alloys without the use of cutting fl uid............................................................................................................................................. 38 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Zvorygin A.S., Skeeba V.Y. Adaptation of the CNC system of the machine to the conditions of combined processing...................................................................................................................................... 55 Nosenko V.A., Bagaiskov Y.S., Mirocedi A.E., GorbunovA.S. Elastic hones for polishing tooth profi les of heat-treated spur wheels for special applications..................................................................................................................................... 66 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V., Papko S.S., Rozhnov E.E., Yulusov I.S. Synthesis of the heddle drive mechanism....................................................................................................... 80 MATERIAL SCIENCE Ragazin A.A., Aryshenskii V.Y., Konovalov S.V., Aryshenskii E.V., Bakhtegareev I.D. Study of the eff ect of hafnium and erbium content on the formation of microstructure in aluminium alloy 1590 cast into a copper chill mold............................................................................................................................................................................ 99 Zorin I.A., Aryshenskii E.V., Drits A.M., Konovalov S.V. Study of evolution of microstructure and mechanical properties in aluminum alloy 1570 with the addition of 0.5 % hafnium........................................................................... 113 Karlina Y.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Relationship between microstructure and impact toughness of weld metals in pipe high-strength low-alloy steels (research review)..................... 129 Patil N.G., Saraf A.R., Kulkarni A.P Semi empirical modeling of cutting temperature and surface roughness in turning of engineering materials with TiAlN coated carbide tool................................................................................. 155 Sawant D., Bulakh R., Jatti V., Chinchanikar S., Mishra A., Sefene E.M. Investigation on the electrical discharge machining of cryogenic treated beryllium copper (BeCu) alloys........................................................................................ 175 Karlina A.I., Kondratiev V.V., Sysoev I.A., Kolosov A.D., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Study of the eff ect of a combined modifi er from silicon production waste on the properties of gray cast iron................................................. 194 EDITORIALMATERIALS 212 FOUNDERS MATERIALS 223 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 99 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль Александр Рагазин 1, a, *, Владимир Арышенский 1, b, Сергей Коновалов 1, 2, c, Евгений Арышенский 1, 2, d, Инзиль Бахтегареев 1, e 1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, ул. Московское шоссе, 34, г. Самара, 443086, Россия 2 Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, г. Новокузнецк, 654007, Россия a https://orcid.org/0000-0002-6762-7436, aleksander.ragazin@samara-metallurg.ru; b https://orcid.org/0000-0001-6869-4764, arysh54@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0003-4809-8660, konovalov@sibsiu.ru; d https://orcid.org/0000-0003-3875-7749, arishenskiy_ev@sibsiu.ru; e https://orcid.org/0009-0004-3081-9049, bakhtegareev.id@ssau.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 1 с. 99–112 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-99-112 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Алюминиевые сплавы применяются во многих отраслях современной промышленности изза своего небольшого веса, высокой прочности ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.017.16 История статьи: Поступила: 12 сентября 2023 Рецензирование: 23 сентября 2023 Принята к печати: 16 ноября 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2024 Ключевые слова: Алюминий Легирование малыми добавками скандия Гафний Эрбий Микроструктура Интерметаллиды Финансирование Исследования выполнены при поддержке проекта РНФ № 22-19-00810, https://rscf.ru/project/22-19-00810/ АННОТАЦИЯ Введение. Алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния широко используются в автомобильной, строительной и аэрокосмической отраслях вследствие своего низкого удельного веса и высоких прочностных свойств. Улучшить характеристики таких сплавов позволяют малые добавки скандия и циркония. Однако скандий очень дорог, поэтому в сплавах нового поколения его количество стараются сократить. В недавно разработанном алюминиевом сплаве 1590 это удалось сделать благодаря введению добавок эрбия и гафния. Цель работы. Исследование влияния концентрации эрбия и гафния на модификацию литой структуры в сплаве 1590 при высоких скоростях кристаллизации. Методы. В работе исследованы микроструктура, химический состав и размер интерметаллидов в образцах из десяти модификаций сплава 1590 с различным содержанием гафния и эрбия, отлитых в медный кокиль со скоростью кристаллизации 10 °С/с. Исследование зеренной структуры производили на оптическом микроскопе. Химический состав и размер интерметаллидных фаз исследовали при помощи Tescan Vega 3. Результаты и обсуждение. Установлено, что при увеличении количества гафния и эрбия происходит модифицирование литой структуры. В целом измельчение зерна при добавках гафния и эрбия можно объяснить ростом переохлаждения между твердой и жидкой фазой. При содержании гафния 0,16 % дендритная структура начинает переходить в равноосную. Такую картину можно объяснить появлением в жидкой фазе первичных интерметаллидов типа Al3Sc. Эти интерметаллиды были выявлены при концентрации эрбия и гафния, равной 0,16 %. Кроме того, во всех сплавах были выявлены интерметаллидные с оединения эвтектического происхождения, содержащие марганец и железо и не оказывающие влияния на литую структуру. Сравнение с ранее полученными результатами по размеру зерна при литье в стальной кокиль показывает, что с увеличением скорости кристаллизации эффективность модифицирования в сплаве 1590 уменьшается. Это объясняется увеличением концентрации переходных элементов в твердом растворе, прежде всего скандия, необходимых для формирования первичных интерметаллидных частиц. Для цитирования: Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль / А.А. Рагазин, В.Ю. Арышенский, С.В. Коновалов, Е.В. Арышенский, И.Д. Бахтегареев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 1. – С. 99–112. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-99-112. ______ *Адрес для переписки Рагазин Александр Алексеевич, аспирант Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, ул. Московское шоссе, 34, 443086, г. Самара, Россия Тел.: +7 917 125-64-91, e-mail: aleksander.ragazin@samara-metallurg.ru и коррозионной стойкости [1–6]. Для дополнительного улучшения свойств в алюминиевые сплавы добавляют магний, вызывающий значительное твердорастворное упрочнение [7, 8]. Поэтому, учитывая высокую прочность алюминиево-магниевых сплавов, неудивительно, что они востребованы в производстве авиационной и ракетно-космической техники. Дополнительно повысить прочность данной группы сплавов можно легированием с добавками скандия. Скандий в концентрации 0,5 %
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 100 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ демонстрирует замечательную способность значительно уменьшать структуру алюминиевых сплавов в готовом виде. Этот эффект возникает в результате образования первичного интерметаллического соединения разновидности Al3Sc в жидкой фазе [9, 10]. Кроме того, при термической обработке скандий выделяется из алюминиевого пресыщенного твердого раствора в виде упрочняющих наночастиц частиц Al3Sc. В то же время скандий является очень дорогим металлом, поэтому постоянно предпринимаются попытки снизить его содержание в сплавах [11]. Этого можно достичь путем одновременного использования скандия и циркония. Последний снижает концентрацию скандия, необходимую для эффективного измельчения литой структуры, до 0,2 %, а также способствует термостабилизации частиц Al3Sc [11, 12]. Классическим промышленным алюминиевым сплавом с высоким содержанием магния и совместными скандиево-циркониевыми добавками является сплав 1570, содержащий 0,17–0,35 % скандия [13, 14]. Однако предпринимаются попытки дальнейшего снижения содержания дорогостоящего скандия в сплавах. Например, в недавно разработанном сплаве 1590 содержание скандия варьируется в пределах 0,06–0,16 % [15–17]. Уменьшение содержания скандия достигается путем введения в данный сплав, помимо циркония, еще гафния и эрбия. Гафний, так же как и цирконий, способствует термостабилизации частиц Al3Sc [18–20]. Эрбий выделяется в виде наночастиц Al3Er, которые не оказывают такого сильного влияния на упрочнение, как Al3Sc, однако играют роль зародышей для последних, тем самым увеличивая их общее количество. Кроме того, как показано в работе [21], увеличение концентрации эрбия и гафния в сплаве 1590 способствует модификации литой структуры. Отметим, что комбинированное влияние этих двух элементов на модификацию зеренной структуры в алюминиевых сплавах c высоким содержанием магния не изучалось, кроме как в [21], при этом литье в указанном исследовании осуществлялось в стальной кокиль, скорость кристаллизации в котором достаточно медленная и составляет 1–2 °С/с. Еще большего измельчения зерна в рассматриваемом сплаве возможно добиться путем увеличения скорости охлаждения при кристаллизации металла – например, за счет литья в медный кокиль, скорость кристаллизации в котором достигает 10 °С/с. [18, 22, 23]. При повышении скорости кристаллизации происходит более быстрое формирование зародышей твердой фазы, что и является причиной измельчения зерна [24, 25]. Однако имеются данные о негативном влиянии снижения скорости кристаллизации на размер зерна в алюминиевых сплавах при легировании их переходными металлами. Например, в работе [26] выявлено, что с увеличением скорости кристаллизации алюминиевых сплавов цирконий остается в твердом пересыщенном растворе и не образует первичных интерметаллидов типа Al3Zr, способствующих измельчению зерна. Поэтому эффект влияния повышения скорости кристаллизации на измельчение зерна в алюминиево-магниевых сплавах, таких как 1590 – содержащих большое количество переходных элементов, может быть неоднозначным и должен быть предварительно изучен. Кроме того, необходимо изучить непосредственно связанный с ним вопрос, как изменение концентрация гафния и эрбия будет влиять на модификацию зерна в сплаве 1590 при высокой скорости кристаллизации. Основной целью настоящего исследования является изучение того, как различные концентрации эрбия и гафния влияют на модификацию структуры отливки в сплаве 1590 в условиях быстрой кристаллизации. Для достижения обозначенной цели необходимо решить следующие задачи: изучить формирование зеренной структуры при литье сплава 1590 в медный кокиль, а также оценить влияние содержания гафния и эрбия на ее размеры и тип (дендритный или равноосный); исследовать влияние эрбия и гафния на формирование интерметаллидных частиц, возникающих при кристаллизации сплава 1590 в случае литья в медный кокиль; изучить связь интерметаллидных частиц с размером и типом зеренной структуры. Методика исследований В соответствии с целью и задачами исследования в медный кокиль было вылито 10 плавок, химическая композиция которых представлена в табл. 1. Содержание Er и Hf в них варьиро-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 101 MATERIAL SCIENCE валось в диапазонах 0,03–0,16 вес.% и 0,05– 0,16 вес.% соответственно. Верхняя и нижняя границы указанных диапазонов близки к минимальной и максимальной допустимой концентрации данных элементов в сплаве 1590. Кроме того, эти химические композиции уже были исследованы в работе [21] при изучении литья сплава 1590 в стальной кокиль. Такой выбор параметров позволяет сравнить влияние скорости кристаллизации на размер зерна при одной и той же химической композиции. Содержание остальных элементов соответствовало химической композиции сплава 1590, для которой в работах [15, 16] исследовалось влияние термической обработки на микроструктуру и механические свойства. Поэтому выбор данной химической композиции позволит изучить, как изменение концентрации Er и Hf будет влиять на формирование микроструктуры не только при литье, но и при термической обработке. Шихтовые материалы, использованные для создания экспериментальных сплавов, состояли из следующих компонентов: первичного алюминия марки A85, первичного магния марки Mг90, цинка марки Ц1, лигатуры Al-Mn10, Al-Zr5, AlSc2, Al-Er5 и Al-Hf2. Перед загрузкой этих материалов в печь каждый из них был взвешен с использованием устройств, обладающих высокой точностью измерений. Для взвешивания материалов весом до 15 кг использовались электронные весы MECHELECTRON-M VR4900, обеспечивающие погрешность всего в 5 г; для материалов весом до 500 г – электронные весы MIDLENA 251, поддерживающие уровень точности ± 0,1 г. Процесс загрузки в печь осуществлялся вручную согласно следующему маршруту. 1. Сначала был загружен и расплавлен первичный алюминий. 2. Как только температура достигла 730 °C, поверхность расплава очищали от шлака. 3. Затем расплав нагревали до температур диапазона 770–790 °C. 4. Последовательно вводили порции по 300 г лигатур Al-Sc2, Al-Hf-2, Al-Zr5 и Al-Mn10. 5. После добавления каждого компонента расплав тщательно перемешивали и выдерживали в течение 5 мин. 6. После введения всей рассчитанной лигатуры расплав охлаждалcя до температуры 740 °C. 7. Затем в расплав были добавлены магний и цинк. 8. Расплав перемешивали титановой ложкой в течение 3 мин. 9. Расплав снова нагревали до 740 °C. После процесса литья был проведен всесторонний анализ химического состава всех алюминиевых сплавов. Для оценки структурных компонентов применялась атомно-эмиссионная спектроскопия с использованием детектора Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав исследуемых сплавов Chemical composition of the studied alloys Сплав Массовая доля элементов, % Al Si Fe Mn Mg Zn Zr Sc Er Hf 1590 баз основа 0,03 0,06 0,42 5,54 0,19 0,1 0,14 – – 1590Er0,03Hf0,05 основа 0,04 0,07 0,41 5,54 0,21 0,1 0,14 0,03 0,05 1590Er0,03Hf0,1 основа 0,04 0,07 0,41 5,58 0,2 0,1 0,14 0,03 0,1 1590Er0,03Hf0,16 основа 0,05 0,08 0,41 5,58 0,2 0,1 0,14 0,03 0,16 1590Er0,1Hf0,05 основа 0,04 0,07 0,41 5,57 0,21 0,1 0,14 0,1 0,05 1590Er0,1Hf0,1 основа 0,05 0,08 0,41 5,53 0,21 0,1 0,14 0,1 0,1 1590Er0,1Hf0,16 основа 0,05 0,08 0,41 5,57 0,19 0,1 0,14 0,1 0,16 1590Er0,16Hf0,05 основа 0,04 0,07 0,41 5,55 0,21 0,1 0,14 0,16 0,05 1590Er0,16Hf0,1 основа 0,05 0,08 0,42 5,56 0,2 0,1 0,14 0,16 0,1 1590Er0,16Hf0,16 основа 0,05 0,09 0,41 5,58 0,2 0,1 0,14 0,16 0,16
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 102 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ARL 3460. Детектор работает в диапазоне энергий 0–10 кэВ с энергетическим разрешением 122 эВ, что обеспечивает точность анализа. Анализ проводили в соответствии со стандартами, установленными ГОСТ 25086. Предельно допустимые концентрации ключевых элементов были строго установлены следующим образом: – Sc и Zn: 0,009 %; – Hf, Zr, Er, Si и Fe: 0,0053 %; – Мn: 0,018 %; – Мg: 0,15 %. Определенный экспериментально химический состав всех опытных плавок представлен в табл. 1. Литье слитков производилось в медный кокиль со скоростью кристаллизации 10 °С/с. Изучение зеренной структуры образцов проводилось с использованием сложного оптического микроскопа Carl Zeiss Axiovert-40 MAT. В каждом образце определялся средний размер зерен по методу секущих, изложенному в ГОСТ 21073.2. Кроме того, с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan Vega 3 было проведено исследование размеров интерметаллических соединений в их литом состоянии. Точный химический состав структурных элементов в алюминиевых сплавах 1590Er0,03Hf0,05; 1590Er0,03Hf0,16; 1590Er0,16Hf0,05; 1590Er0,16Hf0,16 был определен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Анализ проводился с использованием X-детектора Max 80T, работающего в диапазоне энергий от 0 до 10 кэВ и обладающего энергетическим разрешением 122 эВ. Процедура подготовки образцов включала в себя несколько этапов, начиная с механического шлифования, за которым следовала прецизионная полировка, и завершалась электрополировкой. Электрополировка проводилась в контролируемых условиях, включающих поддержание температуры 85–110 °C и подачу напряжения в диапазоне 10–30 В. Раствор электролита, используемый для электрополировки, содержал следующие компоненты: H3PO4 (500 мл), H2SO4 (300 мл), CrO3 (50 г) и H2O (50 мл). Результаты и их обсуждение В процессе исследования микроструктуры выявлено, что при литье в медный кокиль в основном образуются выделяющиеся в ходе эвтектической реакции интерметаллиды, содержащие марганец и железо, которые по своему химическому составу (рис. 1, 2, табл. 2) близки к Al8(FeMn), Al12(FeMn) и MgSi2 [27]. Следует отметить, что для точного определения кристаллической структуры фаз необходимо проведение рентгенофазового анализа. Авторами использовался ЭДС-анализ, с помощью которого можно лишь приблизительно определить химический состав интерметаллидов и сопоставить с уже описанными в литературе фазами, имеющими схожую композицию [28], что и было сделано в данной работе. Таким образом, в образцах 1590Er0,03Hf0,05, 1590Er0,03Hf0,16 и 1590Er0,16Hf0,05, отлитых в медный кокиль, образуются интерметаллиды, являющиеся продуктом эвтектической реакции и содержащие марганец и железо, которые не модифицируют структуру. В то же время модифицирующих литую структуру частиц типа Al3Sc, Al3Hf и Al3Zr в этих сплавах не обнаружено. Однако в сплаве 1590Er0,16Hf0,16 с максимальным содержанием гафния и эрбия в количестве 0,16 % выявлены интерметаллиды типа Al3Sc (табл. 2, рис. 2, г). Наличие циркония и гафния объясняется тем, что они могут растворяться в фазе Al3Sc до 35 и 36 % соответственно [29, 30]. Эти интерметаллиды являются первичными, т. е. образуются непосредственно в жидкой фазе до кристаллизации твердого раствора. Отметим, что в некоторых интерметаллидах был обнаружен титан, причиной появления которого, очевидно, является обработка расплава титановой ложкой. На рис. 2 представлена микроструктура образцов, отлитых в медный кокиль, а на рис. 3 – изменение размера зерна в зависимости от концентрации элементов. Для сравнения в рис. 3 добавлены результаты зависимости размеров зерна от концентрации химических элементов при л итье в стальной кок иль, в зятые из [21]. В базовом сплаве, лишенном эрбия и гафния, мы наблюдаем дендритную струк туру со средним размером зерен 372 мкм. Стоит отметить, что размеры некоторых зерен варьируются от 600 до 800 мкм, в то время как другие находятся в диапазоне от 100 до 200 мкм, как показано на рис. 2, а. При добавке в базовый сплав 0,03 % Er и 0,05 % Hf средний размер
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 103 MATERIAL SCIENCE Al3(ScHfZr) Рис. 1. Химический состав крупных интерметаллидных частиц в образцах, отлитых в медный кокиль: а – 1590Er0,03Hf0,05; б – 1590Er0,03Hf0,16; в – 1590Er0,16Hf0,05; г – 1590Er0,16Hf0,16 Fig. 1. Chemical composition of large intermetallic particles in specimens cast into a copper chill mold: a – 1590 Er0.03-Hf0.05; б – 1590 Er0.03-Hf0.16; в – 1590 Er0.16-Hf0.05; г – 1590 Er0.16-Hf0.16 а б в г Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Химический состав крупных интерметаллидных частиц Chemical composition of coarse intermetallic particles Mg Al Sc Hf Zr Mn Si Zn Fe Ti Er Al8(FeMn) 4,48 74,32 0,12 0,61 0,2 8,11 0,1 0,37 10,54 0 0,06 Al12(FeMn) 7,06 83,93 0,18 0,3 0,21 3,25 0,58 0,32 3,95 0,02 0,15 MgSi2 23,39 60,95 0,08 0 0,1 0,13 14,88 0,42 0 0,06 0 Al3ScHf 6,36 72,82 5,78 6,86 6,13 0,47 0,39 0,17 0,02 0,08 0,19
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1