Владимир Сергеевич Муратов, доктор технических наук, профессор кафедры металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов
AuthorID: 389699
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Vladimir S. Muratov, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Metallurgy, Powder Metallurgy, Nanomaterials Department
AuthorID: 389699
244, Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100
Михаил Сергеевич Казаков, аспирант кафедры металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244)
Mikhail S. Kazakov, Postgraduate Student of the Metallurgy, Powder Metallurgy, Nanomaterials Department
244, Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100
Введение. Работа фокусируется на решении проблем качества отливок из сплава Al-Si-Mg (АК9). Отмечены отсутствие единой теории модифицирования сплавов и необходимость поиска решений, обеспечивающих хорошее качество продукции. Рассматриваются причины брака из-за слабого обоснования выбора производителя исходного шихтового материала — чушек. Чушки от двух поставщиков сравниваются с точки зрения структурнофазового состояния. Показано, как оно обусловливает дефекты отливок. Отмечена неэффективность традиционных методов подавления образования хрупких пластин железосодержащей фазы в сплаве системы Al-Si-Mg за счет присутствия в химическом составе сплава Mn. Если указанный недостаток наследуется из исходного материала, общепринятый подход не срабатывает. Сформулированы рекомендации по решению этой выявленной проблемы. Внедрение предложенного подхода в производственную практику способно открыть путь к решению важной прикладной задачи — улучшить формулировки заданий для тендеров. Актуальность исследования обусловлена широким применением сплавов системы Al-Si-Mg (АК9) в современном машиностроении, в том числе в аэрокосмических конструкциях. Цель данной работы — изучить влияние структурно-фазового состояния исходного материала на качественные характеристики готовых отливок из сплава системы Al-Si-Mg.
Материалы и методы. Проанализированы восемь плавок, в которых использовались чушки двух производителей. Рентгенография позволила выявить корреляцию между строением излома отливок, структурой и качественными показателями. Для анализа микроструктуры и химического состава фаз использовали сканирующую электронную микроскопию. Устанавливая требования к качеству, исходили из действующих отраслевых и государственных стандартов. Из этих же документов брали условия термической обработки образцов. Спектрограммы визуализировали в виде графиков, демонстрирующих интенсивность пика элемента в оже-спектре и энергию электронов, возникших в результате оже-эффекта.
Результаты исследования. Результаты рентгенографии дают основания утверждать, что продукция, предоставляемая поставщиком № 1, обладает значимыми преимуществами в плане качества. Если ориентироваться на отраслевой стандарт, исключение из процесса чушек 2-го поставщика обеспечивает выпуск продукции без литейных дефектов на уровне 73 %. В противном случае этот показатель не превысил 57 %. Браковочными индикаторами были несплошности, скопления раковин, высокая пористость. После плавок 5–8, которые задействовали материалы 2-го производителя, исследовались изломы образцов после разрыва. Выделены локации с гладким, вязким и смешанным рельефом. Увеличение до ×500 позволило установить незначительные участки с вязким рельефом, что характерно для хрупкого разрушения по механизму скола. Установлено отсутствие включений и ликваций. Рассмотрена микроструктура шлифов из разрывных образцов. Выяснилось, что она соответствует модифицированному и термообработанному состоянию сплава АК9ч без признаков пережога. Отмечены отдельные темные игольчатые фазы и единичные поры. Описаны условия дисперсных выделений Si, выкрашивания Al32Si10Fe5Mn и Al37Si5Fe5Mn, а также выделение фазы Al36Si3Fe6Mn3 в скелетообразной форме. Перечислены преимущества микроструктуры образцов чушек от производителя № 1. Она соответствует модифицированному состоянию сплава АК9ч. Ветви дендритов и размеры включений кремния меньше. Не обнаруживаются иглообразные фазы AlxSiyFezMnq.
Обсуждение и заключение. Светлые участки в изломах отливок образовались по хрупкому механизму разрушения, что связано с наличием в структуре сплава пластин фазы AlxSiyFezMnq. Если железосодержащие фазы наследуются из исходного материала, то традиционные методы подавления образования не приводят к созданию компактных равноосных полиэдров. Для повышения качества отливок рекомендуется использовать чушки с предварительно модифицированной структурой, без включения пластин фазы переменного состава AlxSiyFezMnq. Полученные результаты можно задействовать в том числе для обоснования требований к материалу при проведении тендеров, что даст возможность предприятиям машиностроительной отрасли улучшить качество продукции и снизить затраты на брак. В итоге это повысит их конкурентоспособность на российском и мировом рынке.
Introduction. The work focuses on solving quality problems of castings made of Al-Si-Mg alloy (AK9). The paper draws attention to the absence of a unified theory of alloy modification and the need to find solutions that ensure good product quality. The reasons for bad quality due to the weak justification of the choice of the manufacturer of the initial charge material — ingots are considered. Ingots from two suppliers are compared in terms of the structural-phase state. The paper shows how it causes defects in castings. The inefficiency of traditional methods of suppressing the formation of brittle plates of the iron-containing phase in the alloy of the Al-Si-Mg system due to the presence of Mn in the chemical composition of the alloy is noted. If the specified flaw is inherited from the source material, the generally accepted approach does not work. The article formulates the recommendations for solving this problem. The introduction of the proposed approach into production practice can open the way to solving an important applied task — to improve the wording of tasks for tenders. The relevance of the study is due to the widespread use of alloys of the Al-Si-Mg (AK9) system in modern mechanical engineering, including in aerospace structures. The work objective is to study the influence of the structural-phase state of the source material on the qualitative characteristics of finished castings from the Al-Si-Mg alloy system.
Materials and Methods. Eight casts were analyzed, in which ingots from two manufacturers were used. Radiography revealed a correlation between the fracture structure of castings, structure and quality indicators. Scanning electron microscopy was used to analyze the microstructure and chemical composition of the phases. When setting quality requirements, the authors proceeded from the existing industry and state standards. The conditions of heat treatment of samples were taken from the same documents. The spectrograms were visualized as graphs showing the intensity of the element peak in the Auger spectrum and the energy of the electrons resulting from the Auger effect.
Results. The results of radiography gave grounds to assert that the products provided by supplier No. 1 had significant advantages in terms of quality. If we focused on the industry standard, the exclusion of the 2nd supplier's ingots from the process ensured the production of products without casting defects at the level of 73 %. Otherwise, this figure did not exceed 57 %. The rejection indicators were discontinuities, clusters of flaws, high porosity. After melting 5-8, which involved the materials of the 2nd manufacturer, the fractures of the samples after rupture were investigated. Locations with smooth, viscous and mixed relief are highlighted. An increase of up to ×500 made it possible to establish insignificant areas with a viscous relief, which was characteristic of brittle fracture by the cleavage mechanism. The absence of inclusions and liquations was established. The microstructure of the sections from discontinuous samples was considered. It turned out that it corresponded to the modified and heat-treated state of the AK9ch alloy without signs of burnout. Individual dark needle-like phases and single pores were noted. The conditions of dispersed Si precipitations, Al32Si10Fe5Mn and Al37Si5Fe5Mn chipping, as well as the separation of the Al36Si3Fe6Mn3 phase in skeletal form were described. The advantages of the microstructure of ingots samples from manufacturer No. 1 were listed. It corresponded to the modified state of the AK9ch alloy. The branches of dendrites and the sizes of silicon inclusions were smaller. Needle-like phases of AlxSiyFezMnq were not detected.
Discussion and Conclusion. Light areas in the castings fractures were formed by a brittle fracture mechanism, which is due to the presence of AlxSiyFezMnq phase plates in the alloy structure. If iron-containing phases are inherited from the source material, then traditional methods of suppressing formation do not lead to the creation of compact equiaxed polyhedra. To improve the quality of castings, it is recommended to use ingots with a pre-modified structure, without including phase plates of variable composition AlxSiyFezMnq. The results obtained can be used, among other things, to justify the requirements for the material during tenders, which will enable the enterprises of the machine-building industry to improve the quality of products and reduce the cost of marriage. As a result, this will increase their competitiveness in the Russian and world markets.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.