Влияние структурно-фазового состояния исходного материала шихты на качественные характеристики отливок из сплава системы Al-Si-Mg

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 Al_xSi_yFe_zMnq.

Обсуждение и заключение. Светлые участки в изломах отливок образовались по хрупкому механизму разрушения, что связано с наличием в структуре сплава пластин фазы Al_xSi_yFe_zMn_q. 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 Al_xSi_yFe_zMn_q. 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.

1. Полмеар Я. Легкие сплавы: от традиционных до нанокристаллов. Москва: Техносфера; 2008. 464 с. URL: https://www.technosphera.ru/lib/book/72?read=1 (дата обращения: 26.06.2023).

2. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. Москва: МИСиС; 2005. 376 с. URL: https://e.lanbook.com/book/2055 (дата обращения: 26.06.2023).

3. Wei Yan, Weiqing Chen, Senlin Zhang, Bing Li, Jing Li. Evolution of solidification structures and mechanical properties of high-Si Al alloys under permanent magnetic stirring. Materials Characterization. 2019;157:109894. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.109894

4. Makhlouf M.M., Guthy H.V. The aluminum–silicon eutectic reaction: mechanisms and crystallography. Journal of Light Metals. 2001;1(4): 199–218. https://doi.org/10.1016/S1471-5317(02)00003-2

5. Haizhi Ye. An overview of the development of Al-Si alloy based material for engine applications. Journal of Materials Engineering and Performance. 2003;12:288–297. https://doi.org/10.1361/105994903770343132

6. Афанасьев В.К., Попова М.В., Прудников А.Н. Воздействие водорода на структуру и свойства заэвтектического силумина с 15% кремния. Металловедение и термическая обработка металлов. 2022;(6):10–16. https://doi.org/10.30906/mitom.2022.6.10-16

7. Sathyapal Hegde, K. Narayan Prabhu. Modification of eutectic silicon in Al-Si alloys. Journal of Materials Science. 2008;43:3009–3027 https://doi.org/10.1007/s10853-008-2505-5

8. Кузнецов А.О., Шадаев Д.А., Конкевич В.Ю. Модифицирование силуминов — разные подходы для одной системы легирования. Технология легких сплавов. 2014;(4):75–81.

9. Напалков В.И., Махов С.В., Поздняков А.В. Модифицирование алюминиевых сплавов. Москва: МИСиС; 2017. 347 с. URL: https://e.lanbook.com/book/117172 (дата обращения: 26.06.2023).

10. Jing Zhang, Hongmei Chen, Hui Yu, Yunxue Jin. Study on dual modification of Al-17%Si alloys by structural heredity. Metals. 2015;5(2):1112–1126 https://doi.org/10.3390/met5021112

11. FQ Zu, Li Xiaoyun. Functions and mechanism of modification elements in eutectic solidification of Al-Si alloys. China Foundry. 2014;11(4):287–309 URL: https://www.researchgate.net/publication/274634943_Special_Report_CHINA_FOUNDRY_Functions_and_mechanism_of_modification_elements_in_eutectic_solidification_of_Al-Si_alloys_A_brief_review (дата обращения: 26.06.2023). https://doi.org/10.30906/mitom.2022.6.10-16