Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия

Е. Г. Злотников, доцент кафедры машиностроения, канд. техн. наук, эл. почта: Zlotnikov_EG@pers.spmi.ru
А. А. Дзюба, студент кафедры машиностроения, эл. почта: s210470@stud.spmi.ru

Выполнена оценка влияния включений кремния в структуре заэвтектического алюминиево-кремниевого сплава АК21М3Н1 на износ инструмента при механической обработке резанием. Отмечено, что заэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы, обладая положительными свойствами в качестве конструкционного материала, имеют при этом определенные сложности при обработке, вызванные наличием в структуре данных сплавов высокого содержания кристаллов первичного кремния, что приводит к интенсивному абразивному износу режущего инструмента. В связи с этим поставлена задача изучения влияния различной структуры заэвтектического алюминиево-кремниевого сплава на характер и скорость износа инструмента. В ходе исследования выполнена обработка методом чистового наружного точения двух образцов из пруткового материала АК21М3Н1, один из которых имел мелкозернистую структуру со средним эквивалентным диаметром кристаллов первичного кремния 45 мкм, а второй – крупнозернистую с размером кристаллов первичного кремния 86 мкм. В качестве инструмента выбраны резцы, оснащенные твердым сплавом вольфрамо-кобальтовой группы марки ВК6-ОМ (особо мелкозернистым), имеющим повышенную прочность. Обработку двух образцов проводили без применения смазочно-охлаждающей жидкости с одинаковыми по геометрии резцами и режимами резания, для каждого по пять проходов с суммарной рабочей длительностью 450 с (7,5 мин). Величину износа и изменение геометрии резцов оценивали по фотографиям задней и передней поверхностей инструментов. При обработке образца с мелкозернистой структурой, имеющего более высокую твердость материала (110 HB), кроме абразивного износа обнаружены явления температурного размягчения, пластической деформации и сдвига инструментального материала по задней поверхности. Для образца с крупнозернистой структурой, имеющего меньшую твердость материала (92 HB), преобладает абразивный износ по задней поверхности. Параметры шероховатости обработанных поверхностей образцов после 5-го прохода соответствуют требованиям чистовой обработки. Анализ изменений геометрии по передней поверхности позволяет сделать вывод, что вследствие износа происходит увеличение радиуса при вершине резцов, большее по значению для образца с крупнозернистой структурой. Эти данные необходимо учитывать и вносить коррекцию при наладке инструмента на размер обрабатываемой поверхности.

1. Bezyazychniy V. F., Scherek M. Development of thermal process research in mechanical engineering technology. Journal of Mining Institute. 2018. Vol. 232. pp. 395–400. DOI: 10.31897/PMI.2018.4.395
2. Narayan Prabhu K., Vijayan V. Review of microstructure evolution in hypereutectic Al – Si alloys and its effect on wear properties. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2014. Vol. 67, Iss. 1. pp. 1–18. DOI: 10.1007/s12666-013-0327-x
3. Kozuba J., Wieszaa R., Mendala J., Roszak M., Pakiela W. Selected tribological parameters for silumin alloy used for engine piston. Archives of Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 107, Iss. 2. pp. 64–71. DOI: 10.5604/01.3001.0015.0243
4. Mansurov Y. N., Kadyrova D. S., Rakhmonov J. Dependence of corrosion resistance for aluminum alloys with composition increased impurity content. Metallurgist. 2019. Vol. 62, Iss. 11–12. pp. 1181–1186. DOI: 10.1007/s11015-019-00771-5
5. Gong C., Tu H., Wu C., Wang J., Su, X. Study on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al–18Si alloy modified with Al–3B. Materials. 2018. Vol. 11, Iss. 3. 456. DOI: 10.3390/ma11030456
6. Majumdar S., Sinha A., Das A. et al. An insight view of evolution of advanced aluminum alloy for aerospace and automotive industry: current status and future prospects. J. Inst. Eng. India Ser. D. 2024. DOI: 10.1007/s40033-024-00852-z
7. Miladinovic S., Stojanovic B., Gajevic S. et al. Hypereutectic Aluminum Alloys and Composites: A Review. Silicon. 2023. Vol. 15, pp. 2507–2527. DOI: 10.1007/s12633-022-02216-2
8. Azimov A. M., Zhukov I. A. Increasing energy efficiency of hydraulic hammers used for secondary breaking based on the geometry effect of the impactor parts. Gornaya Promyshlennost. 2025. Vol. 3. pp. 71–79. DOI: 10.30686/1609-9192-2025-3-71-79

9. Gabov V. V., Zadkov D. A., Pryalukhin A. F., Sadovsky M. V., Molchanov V. V. Improving the design of the screw executive body of a combine harvester. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten. 2023. Vol. 1, No. 11. pp. 51–71. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_111_0_51
10. Pichler M., Krenmayr N., Schneider E., Brand U. EU industrial policy: between modernization and transformation of the automotive industry. Environ Innov. Soc. Transit. 2021. Vol. 38. pp. 140–152. DOI: 10.1016/j.eist. 2020.12.002
11. Yoshifumi W. et al. Reduction of heat loss and improvement of thermal efficiency by application of ‘temperature swing’ insulation to direct-injection diesel engines. SAE International Journal of Engines. 2016. Vol. 9, Iss. 3. pp. 1449–1459. DOI: 10.4271/2016-01-0661
12. Roy S., Allard L. F., Rodriguez A. et al. Comparative evaluation of cast aluminum alloys for automotive cylinder heads: part i—microstructure evolution. Metall. Mater. Trans. A. 2017. Vol. 48. pp. 2529–2542. DOI: 10.1007/s11661-017-3985-1
13. Turan M. E. et al. Wear resistance and tribological properties of GNPs and MWCNT reinforced AlSi18CuNiMg alloys produced by stir casting. Tribol. Int. 2021. Vol. 164. DOI: 10.1016/j.triboint.2021.107201
14. Javidani M., Larouche D. Application of cast Al–Si alloys in internal combustion engine components. International Materials Reviews. 2014. Vol. 9, Iss. 3. pp. 132–158. DOI: 10.1179/1743280413Y.0000000027
15. Hirsch J. Recent development in aluminium for automotive applications. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2014. Vol. 24, Iss. 7. pp. 1995–2002. DOI: 10.1016/S1003-6326(14)63305-7
16. Maksarov V. V., Gorshkov I. V., Khalimonenko A. D. Improvement of the performance of a multi-blade tool based on selective equipment with cutting ceramics. Chernye Metally. 2022. No. 6. pp. 75–80.
17. Nikanorov S. P., Osipov V. N., Timashov R. B. et al. Influence of the rate of directional crystallization and silicon content on the structure and strength of the Al – Si – Cu Alloy. Tech. Phys. 2023. Vol. 68, Iss. 12. pp. 675–682. DOI: 10.1134/S1063784223080212
18. Wladysiak R., Kozun A. Structure of AlSi20 alloy in heat treated die casting. Archives of Foundry Engineering. 2015. Vol. 15, Iss. 1. pp. 113–118. DOI: 10.1515/afe-2015-0021
19. Regulski K., Wilk-Kolodziejczyk D., Szymczak T. et al. Data mining methods for prediction of multi-component Al – Si Alloy properties based on cooling curves. J. of Mater. Eng. and Perform. 2019. Vol. 28. pp. 7431–7444. DOI: 10.1007/s11665-019-04442-z
20. Szymczak T., Gumienny G., Pacyniak T. Effect of Cr and W on the crystallization process, the microstructure and properties of hypoeutectic silumin to pressure die casting. Archives of Foundry Engineering. 2016. Vol. 16, Iss. 3. pp. 109–114. DOI: 10.1515/afe-2016-0060
21. Spuskanyuk V. et al. Structural Modification of Hypereutectic Al-16.5 mass% Si Alloy by Thermo-Mechanical Treatment with ECAP. Mater. Sci. Metall. Eng. 2014. Vol. 2, Iss. 3. pp. 35–40. DOI: 10.12691/msme-2-3-2
22. Shehata M. M., El-Hadad S., Moussa M. E. et al. Optimizing the pouring temperature for semisolid casting of a hypereutectic Al – Si alloy using the cooling slope plate method. Inter. Metalcast. 2021. Vol. 15. pp. 488–499. DOI: 10.1007/s40962-020-00465-8
23. Liang G., Ali Ya., You G., Zhang M.-X. Effect of cooling rate on grain refinement of cast aluminium alloys. Materialia. 2018. Vol. 3. pp. 113–121. DOI: 10.1016/j.mtla.2018.08.008
24. Savchenkov S., Kosov Y., Bazhin V., Krylov K., Kawalla R. Microstructural master alloys features of aluminum–erbium system. Crystals. 2021. Vol. 11, No. 11. 1353. DOI: 10.3390/cryst11111353
25. Savchenkov S. A., Bazhin V. Yu., Povarov V. G. Research on the process of gadolinium recovery from the melt of salts on formation of Mg – Zn – Gd master alloys for manufacturing of magnesium and aluminium special-purpose alloys. Non-ferrous Metals. 2020. Vol. 1. pp. 35–40.
26. Kosov Y., Bazhin V. Features of phase formation during aluminothermal preparation of aluminum-erbium master alloy. Metallurgist. 2018. Vol. 62. pp. 440–448. DOI: 10.1007/s11015-018-0679-x
27. Nikitin V. I., Chernikov D. G., Nikitin К. V., Timoshkin I. Yu. Hereditary influence of the charge structure and melt treatment on the properties in the cast state and deformability of hypereutectic silumins. Liteynoe proizvodstvo. 2021. No. 6. pp. 6–12.
28. Nikitin V. I., Nikitin К. V. The problem of heredity of charge materials in light alloy technologies: history, status, prospects. Tekhnologiya legkikh splavov. 2020. No. 2. pp. 21–35.
29. Reva V. P., Mansurov Y. N., Kuryavyi V. G. et al. plate manufacturing technology for a sectional tool made of tungsten-cobalt hard alloy. Chem. Petrol. Eng. 2016. Vol. 52. pp. 59–62. DOI: 10.1007/s10556-016-0148-y
30. Zhao T., Zhou J.M., Bushlya V. et al. Effect of cutting edge radius on surface roughness and tool wear in hard turning of AISI 52100 steel. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2017. Vol. 91. pp. 3611–3618. DOI: 10.1007/s00170-017-0065-z
31. Ventura C. E. H., Kohler J., Denkena B. Influence of cutting edge geometry on tool wear performance in interrupted hard turning. Journal of Manufacturing Processes. 2015. Vol. 19. pp. 129–134. DOI: 10.1016/j.jmapro.2015.06.010
32. Dalskiy A.M., Suslov A. G., Kosilova A. G., Meshcheryakov R. K. Handbook of a mechanical engineering technologist. In 2 volumes. Vol. 2. 5th Ed. Мoscow : Mashinostroeniye-1, 2002. 944 p.
33. Kobaru Y., Nagaoka R., Shimana K., Yoshimitsu S., Kondo E. Tool wear characteristics in machining of hypereutectic Al – Si alloys by cemented carbide tool. Journal of Machine Engineering. 2020. Vol. 20, No. 2. pp. 94–103. DOI: 10.36897/jme/117775
34. Shioda M., Mochizuki T., Kishimoto Y. Tool wear and wear mechanism of carbide tool in cutting Al – Si alloy diecastings. Materials Transactions. 2021. Vol. 62, No. 4. pp. 526–531. DOI: 10.2320/matertrans.LM2021805
35. Kuzkin A. Yu., Zadkov D. A., Skeeba V. Yu., Kukartsev V. V., Tynchenko Ya. A. Viscoplastic properties of chromium-nickel steel in shortterm creep under constant stress. Part 1. CIS Iron and Steel Review. 2024. Vol. 27. pp. 71–77.
36. Zakharova V. P., Zlotnikov E. G., Admakin M. A., Gilvitinov M. O. Evaluation of the depth and degree of work hardening during rough turning of high-manganese steel. Chernye Metally. 2024. No. 9. pp. 72–76.
37. Singh T., Singh P., Dureja J.S., Dogra M., Singh H., Bhatti M. S. A review of near dry machining/minimum quantity lubrication machining of difficult to machine alloys. International Journal of Machining and Machinability of Materials. 2016. Vol. 18., No. 3. pp. 213–251. DOI: 10.1504/IJMMM.2016.076276
38. Maksarov V. V., Khalimonenko A. D., Olt Yu. Improvement of efficiency of metal recycling in metallurgical production. Chernye Metally. 2021. No. 3. pp. 45–51.
39. Zhang S. J., To S., Wang S. J., Zhu Z. W. A review of surface roughness generation in ultra-precision machining. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2015. Vol. 91. pp. 76–95. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2015.02.001
40. Liao Z., Monaca A., Murray J., Speidel A., Ushmaev D., Clare A., Axinte D., M’Saoubi R. Surface integrity in metal machining – Part I: Fundamentals of surface characteristics and formation mechanisms. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2021. Vol. 162. 103687. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2020.103687