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 113 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Изучение эволюции микроструктуры и механических свойств в алюминиевом сплаве 1570 с добавкой 0,5 % гафния Игорь Зорин 1, 2, a, *, Евгений Арышенский 1, 2, b, Александр Дриц 1, c, Сергей Коновалов 1, 2, d 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/0000-0001-9349-2494, zorin.ia@ssau.ru; b https://orcid.org/0000-0003-3875-7749, arishenskiy_ev@sibsiu.ru; c https://orcid.org/0000-0002-9468-8736, alexander.drits@samara-metallurg.ru; d https://orcid.org/0000-0003-4809-8660, konovalov@sibsiu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 1 с. 113–128 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-113-128 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Алюминиевые сплавы применяются в различных отраслях современной промышленности благодаря их высокой коррозионной стойкости, свариваемости и низкой плотности [1–5]. В частности, в аэрокосмической промышленности сплавы Al-Mg, известные в зарубежной литературе как сплавы серии 5XXХ, являются ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.017.16 История статьи: Поступила: 18 октября 2023 Рецензирование: 25 октября 2023 Принята к печати: 20 ноября 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2024 Ключевые слова: Алюминиевые сплавы Скандий Гафний Микроструктура Механические свойства Термообработка Просвечивающая микроскопия Финансирование Исследования выполнены при поддержке проекта РНФ № 22-29-01506, https://rscf.ru/project/22-29-01506/ Благодарности Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Технологии и Материалы НИУ «БелГУ»». АННОТАЦИЯ Введение. Алюминиевые сплавы являются очень востребованным материалом в аэрокосмической отрасли. С точки зрения сочетания различных эксплуатационных характеристик одними из самых перспективных являются высокомагниевые алюминиевые сплавы с добавками переходных металлов, таких как Zr и Sc. Одним из самых распространенных сплавов этой группы является сплав 1570. Недавние исследования показали положительное влияние добавок 0,5 % гафния на литую структуру. Цель работы: изучение влияния 0,5 % гафния на структуру и свойства алюминиевого сплава 1570 в процессе термомеханической обработки. В работе исследовано влияние гомогенизации холодной прокатки и рекристаллизационного отжига на механические свойства и микроструктуры образца из сплава 1570 и его аналога с добавкой 0,5 масс.% гафния. Методика исследований: для изучения были отлиты слитки из сплава 1570 с добавками 0,5 масс.% гафния и без него. Полученные слитки были гомогенизированы при температуре 440 °С в течение 4 часов, после чего направлялись сначала на горячую, а затем на холодную прокатку. Холоднокатаные образцы отжигались при температурах 340...530 °С с временем выдержки 3 часа. Полученные образцы исследовались методами просвечивающей и световой микроскопии в гомогенизированном, холоднокатаном и отожженном состояниях. Кроме того, гомогенизированные и холоднокатаные образцы испытывались на одноосное растяжение для определения механических свойств исследуемых сплавов. Результаты и обсуждение. В результате исследования выявлено, что в сплаве, содержащем гафний, после гомогенизационного отжига наблюдается небольшое уменьшение среднего размера частиц и увеличение их общей доли в сравнении со сплавом 1570. В целом добавка 0,5 % гафния не сильно влияет на механические свойства. По сравнению с литым состоянием у обоих сплавов растет количество наночастиц, а также предел текучести. При нагреве в обоих сплавах происходит рост пластических и падение прочностных характеристик. Исследования влияния отжига на зеренную структуру исследованных сплавов показали, что гафний повышает склонность сплава 1570 к рекристаллизации, однако для выяснения причин этого явления тре буются дополнительные исследования. Для цитирования: Изучение эволюции микроструктуры и механических свойств в алюминиевом сплаве 1570 с добавкой 0,5 % гафния / И.А. Зорин, Е.В. Арышенский, А.М. Дриц, С.В. Коновалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 1. – С. 113–128. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-113-128. ______ *Адрес для переписки Зорин Игорь Александрович, магистрант Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, ул. Московское шоссе, 34, 443086, г. Самара, Россия Тел.: +7 927 731-03-85, e-mail: zorin.ia@ssau.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 114 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ одними из наиболее распространенных групп алюминиевых сплавов [6, 7]. Их востребованность обусловлена эффектом твердорастворного упрочнения, вызванным добавкой магния [8, 9]. Достичь существенного улучшения механических свойств этой группы алюминиевых сплавов можно за счет добавок скандия [10–12]. Скандий обладает низкой растворимостью в пересыщенном алюминиевом твердом растворе (например, при температуре 655 °С в равновесных условиях она составляет 0,35 %) [13]. При достаточно высокой скорости охлаждения после литья можно растворить в алюминиевую матрицу избыточное количество скандия. При нагреве до 250–350 °С происходит распад пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии с выделением частиц Al3Sc [14]. При непрерывном распаде пересыщенного твердого раствора и отсутствии процесса коагуляции эти частицы имеют сферическую морфологию с радиусом от 2 до 20 нм [15, 16]. Такие частицы имеют тип решетки L12 и минимальное несоответствие между кристаллической решеткой и алюминиевой матрицей, что обеспечивает им когерентность [13, 14]. При размерах наночастиц от 1,5 до 4 нм упрочнение происходит из-за их перерезания дислокациями, а при превышении данных размеров – по механизму Орована [17–19]. Кроме того, скандий является сильным модификатором литой структуры [14]. Его способность к измельчению объясняется тем, что первичные интерметаллиды Al3Sc, образующиеся в жидкой фазе, также обладают структурой L12 и имеют минимальное несоответствие между кристаллической решеткой и алюминиевым твердым раствором [14, 13]. Благодаря этому первичные частицы Al3Sc создают дополнительное количество зародышей в процессе кристаллизации алюминия. Стоит отметить, что модифицирующий эффект проявляется только при достижении концентрации скандия 0,6 %, когда в жидкости начинают формироваться первичные частицы Al3Sc [14]. В то же время наночастицы скандия, формирующиеся при распаде пересыщенного твердого раствора, при повышении температуры до 400 °С начинают коагулировать и увеличиваться в размерах [14]. При достижении наночастицами критического диаметра 30–40 нм они теряют свою когерентность, а вызываемый ими упрочняющий эффект сходит на нет [16]. Это сильно ограничивает применимость скандиевых сплавов, так как, например, уменьшает температуру их гомогенизации и горячей деформации, что неизбежно будет снижать эффективность обоих процессов и приводить к увеличению энергозатрат [20]. Для повышения термостабильности наночастиц типа Al3Sc также используют малые добавки циркония [21]. Цирконий частично растворяется в частицах Al3Sc, образуя вокруг них оболочку. Благодаря тому, что цирконий обладает более низким коэффициентом диффузии, чем скандий, он тормозит рост наночастиц типа Al3Sc при повышенных температурах [22]. Кроме того, цирконий уменьшает концентрацию скандия, необходимую для образования в жидкости первичных интерметаллидов Al3Sc, а следовательно, способствует эффективной модификации литой структуры [23, 24]. Одним из классических алюминиевых сплавов с высоким содержанием Mg и добавками Sc и Zr, успешно применяющимся в промышленности, является сплав 1570 [25, 26]. В то же время, несмотря на наличие циркония, частицы Al3Sc все равно не имеют достаточной термостабильности для сохранения своего размера в ходе высокотемпературной гомогенизации и последующей горячей деформации [20]. Одним из путей решения этой проблемы является дополнительное легирование сплава 1570 гафнием. Последний имеет еще более низкий коэффициент диффузии, чем цирконий [22], кроме того, он частично растворяется в частицах Al3Sc [27], также создавая вокруг них термостабилизирующую оболочку [22]. Совместное легирование гафнием и цирконием очень эффективно для термостабилизации частиц Al3Sc [28, 29]. Исследования влияния совместных добавок гафния и циркония на термостабилизацию частиц Al3Sc проводились в основном для малолегированных алюминиевых сплавов, между тем алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния имеют ряд особенностей. Во-первых, магний несколько ускоряет кинетику распада пересыщенного скандием алюминиевого твердого раствора [30], а во-вторых, способствует увеличению критического размера наночастиц, после достижения которого происходит потеря
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 115 MATERIAL SCIENCE ими когерентности [13, 31]. Поэтому особенный интерес представляет изучение влияния гафния на частицы Al3Sc на примере промышленных высокомагниевых сплавов. Для сплава 1570 были проведены исследования влияния 0,5 % гафния в литом состоянии. Было установлено, что легирование данного сплава 0,5 % гафния способствует модификации литой структуры, а также приводит к полному прекращению прерывистого распада пересыщенного скандием алюминиевого раствора [32, 33]. Стоит отметить, что прерывистый распад при остывании слитка представляет собой негативный процесс, в ходе которого формируются иглообразные выделения Al3Sc [34–36]. Эти частицы, как правило, являются полукогерентными алюминиевой матрице и не вносят такого большого вклада в упрочнение, как равноосные дисперсные фазы, образующиеся при термической обработке. В то же время прерывистый распад приводит к тому, что в алюминиевом пересыщенном твердом растворе не остается скандия, необходимого для формирования наночастиц Al3Sc при последующей термомеханической обработке [12, 34]. Учитывая способность 0,5 % гафния останавливать прерывистый распад, целесообразно исследовать, какое влияние будет оказывать эта добавка не только на микроструктуру и механические свойства сплава 1570 в литом состоянии, но и при последующей термомеханической обработке. Необходимо отметить, что большинство изделий, получаемых из сплава 1570, являются тонкостенными и изготавливаются из листовой продукции, которая в зависимости от требуемых свойств поставляется в отожженном или холоднокатаном состоянии. Именно поэтому наиболее целесообразно исследовать влияние 0,5 % гафния на микроструктуру и механические свойства сплава 1570 после этих видов обработки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать формирование наночастиц при гомогенизационном отжиге сплава 1570, так как их размер и количество будут определять структуру и свойства сплава на последующих этапах термомеханической обработки, кроме того, необходимо изучить влияние 0,5 % гафния на механические свойства и зеренную структуру в холоднокатаном и отожженном состояниях. Методика исследований В качестве объекта исследования были выбраны сплав 1570 и его вариант с добавлением 0,5 % гафния, их химический состав приведен в табл. 1. Сплавы получали в лаборатории в индукционной печи УИ-25П. Слитки имели размеры 20×40×400 мм и отливались в стальной кокиль с водяным охлаждением при температуре расплава 720–740 °С. Технология получения образцов Литье слитков Вес слитков составил 5 кг, для каждого химического состава было отлито три слитка. Для этого были использованы алюминий марки A85, магний марки MG90, а также лигатуры Al-Sc2, Al-Zr5, Al-Hf2 и таблетки Mn90Al10. Спектральный метод исследования на атомно-эмиссионном спектрометре ARL 3460 позволял определить содержание элементов по ГОСТ 25086, ГОСТ 7727, ГОСТ 3221, ASTM E 716 и ASTM E 1251. Необходимая концентрация исходных материалов с гафнием была рассчитана теоретическим путем, поскольку на данный момент ГОСТ по работе с гафниевыми добавками не разработан. После затвердевания слитка его извлекали из кокиля и затем охлаждали в воде. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав исследуемых сплавов, % Chemical composition of the studied alloys, % Cплав Al Si Fe Mn Mg Ti Zr Sc Hf 1570 осн. 0,17 0,26 0,4 6,1 0,03 0,07 0,25 – 1570-0,5Hf осн. 0,15 0,32 0,42 6,36 0,01 0,04 0,2 0,52
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 116 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Гомогенизационный отжиг Цель гомогенизационного отжига – растворение грубой неравновесной эвтектики и повышение химической однородности алюминиевого твердого раствора. Процесс гомогенизационного отжига проводился по режиму 440 °C – 4 часа, после чего для гомогенизированных образцов выполнялись испытания на одноосное растяжение. Прокатка После отжига исследуемые сплавы подвергались прокатке. Следует отметить, что при промышленном производстве листа из сплава 1570 применяют сначала горячую прокатку при температурах выше температуры рекристаллизации, а затем холодную. Поэтому лабораторная прокатка, в ходе которой получался листовой материал, осуществлялась по такому же принципу. Сначала производилась горячая прокатка с толщины 40 мм до толщины 5 мм на реверсивном прокатном стане Duo при температуре 440 °С и скорости вращения валков 3 м/мин. Каждые три прохода слитки нагревали до исходной температуры прокатки, общий процент обжатия составил 88 %. Отметим, что температура горячей прокатки была выбрана соответствующей температуре гомогенизации, так как ее превышение может вызвать коагуляцию частиц (по крайне мере в сплаве, не содержащем гафния), а ее снижение – потерю пластичности [20]. Прокатка уже нагретого после гомогенизации небольшого слитка, в том числе с учетом его подогрева в печи, занимает не более 30 мин. Ввиду того что данная операция не является финишной, а кратковременный нагрев не способен оказать существенного влияния на частицы Al3Sc, исследований микроструктуры и свойств сплава по завершении этой операции не проводилось. После достижения толщины 5 мм полосы прокатывались вхолодную до 2 мм толщиной, процент обжатия при холодной прокатке составил 95 %. Отжиги холоднокатаной ленты После прокатки производился отжиг холоднокатаной ленты из исследуемых сплавов с целью выявления того, как содержание гафния влияет на процесс рекристаллизации. Кроме того, была проведена дополнительная серия отжигов холоднокатаной ленты для изучения механических свойств сплавов. Режимы отжигов представлены в табл. 2. Следует отметить, что в зависимости от требований к уровню механических свойств (необходимого сочетания прочностных и пластических свойств), а также от содержания скандия, циркония и гафния выбор температуры отжига высокомагниевых сплавов возможен в широком температурном интервале от 340 до 530 °С. Именно поэтому указанные значения температур были выбраны в настоящем исследовании. Методы исследования микроструктуры и механических свойств образцов Просвечивающая электронная микроскопия Тонкую структуру образцов исследовали на аналитическом просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 (JEOL, Япония) с ускоряющим напряжением 200 кВ и приставкой для EDX-анализа INCA (Oxford Instruments, Великобритания). Точное позиционирование образцов фольги осуществлялось в держателе с двумя поТ а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Режимы отжига холоднокатаной ленты Annealing modes of cold-rolled tape Отжиг для проверки прохождения рекристаллизации Отжиг для изучения механических свойств 470 °C, 3 часа 340 °C, 3 часа 500 °C, 3 часа 440 °C, 3 часа 530 °C, 3 часа 470 °C, 3 часа 550 °C, 3 часа 530 °C, 3 часа
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 117 MATERIAL SCIENCE воротами, предоставляющем возможность наклонять их на ±30° вдоль каждой оси. При подготовке образцов для просвечивающей электронной микроскопии частиц (ПЭМ) соблюдалась стандартная методика, включающая подготовку двух образцов фольги толщиной 500 мкм, дальнейшее механическое утонение до 120 мкм с последующим электролитическим утонением [29]. Всего для исследования с помощью ПЭМ-анализа было подготовлено пять образцов тонкой фольги. Для исследования частиц Al3Sc образец помещали в ось зоны, снимали электронограмму и выделяли слабый сверхструктурный рефлекс от плоскости [011] α. С помощью этого приема получали темнопольные снимки (ТП), что позволяет подсчитывать количество видимых частиц. Для определения размеров и плотности частиц использовался программный модуль Digimizer. По пяти полям зрения для каждого из исследуемых состояний была проведена оценка среднего размера частиц и их доли. Оптическая микроскопия Оптическая микроскопия проводилась на микроскопе Axiovert 40 МАТ. Средний размер зерен в случае прохождения процесса рекристаллизации измеряли методом секущих. Механические свойства Сплавы также испытывались на одноосное растяжение при комнатной температуре с использованием универсальной испытательной машины Zwick/Roell Z050 в соответствии со стандартами ISO 6892-1, ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 11150–84. На каждое исследуемое состояние было испытано не менее пяти десятикратных круглых образцов, диаметр которых составлял 10 мм. В табл. 3 приведена информация о том, какие исследования проводились после того или иного этапа технологической цепочки изготовления образцов. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлена структура литого материала из сплава 1570 после его гомогенизационного отжига в режиме 440 °C – 4 часа. Из анализа изображений при помощи трансмиссионной электронной микроскопии (ТП) рис. 1 установлено, что средний размер этих частиц равен 11,4 нм, а их плотность составила f = 2,2⋅1010 см–2. После данного режима гомогенизационного отжига преобладают частицы с размерами в диапазоне от 1,6 до 13,3 нм. Это указывает на преимущественное присутствие мелкодисперсных фаз в образце, однако наблюдаются и более крупные частицы размером более 25 нм. На рис. 1, а можно отчетливо наблюдать сверхструктурные рефлексы L12; этот факт согласно [32] говорит о наличии частиц Al3Sc в алюминиевых сплавах, содержащих скандий. В сплаве 1570-0,5Hf (рис. 2, б) преобладают частицы с размером в диапазоне от 5,2 до 14,5 нм. При этом на ТП-снимках также выделяются частицы, размер которых превышает 25 нм. Средний размер частиц в данном сплаве 10,5 нм, а плотность распределения частиц составляет 2,6⋅1010 см–2. Замечено, что неравномерность распределения частиц внутри объема зерна немного уменьшилась в сравнении со сплавом 1570. Сверхструктурные рефлексы хоть и присутствуют, однако достаточно слабы (рис. 2, а) Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Технологическая цепочка исследований образцов Technological chain of the specimens’ research Этап технологической цепочки Гомогенизированный материал Холоднокатаный материал Вид испытаний ПЭМ Механические свойства Механические свойства, Оптическая микроскопия
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1