СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СИЛУМИНА АК5М2
METHOD FOR TREATMENT OF SILUMIN AK5M2 SURFACE LAYER

Изобретение относится к упрочняющей обработке металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии.
Известен способ получения упрочненных сплавов на основе алюминия, включающий введение в расплав алюминиевой основы лигатуры в виде стержней из смеси порошков алюминия, содержащей модифицирующие добавки диборида или карбида титана, которые компактируют путем ударно-волнового воздействия, при этом содержание порошка диборида или карбида титана с размером частиц (1÷5) мкм в лигатуре составляет 5 мас. %, а полученные стержни вводят в расплав алюминия, разогретый до 720°С, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля (патент RU №2542044, МПК С22С 1/03, С22С 1/06, опубл. 20.02.2015).
Однако этот способ очень сложен в техническом исполнении, поскольку предполагает многостадийность процесса, что сопряжено со сложностью контроля за ним. Кроме того, этот способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице, а, следовательно, получения стабильных свойств материала.
S
2
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является принятый за прототип способ модифицирования силумина путем облучения образца силумина марки АК12 интенсивным импульсным электронным пучком с энергией электронов 18 кэВ, частотой следования импульсов ƒ=0,3 Гц, длительностью импульса пучка электронов τ=50-150 мкс, плотностью энергии пучка электронов E=10-25 Дж/см и количеством импульсов воздействия n=1-5, при этом облучение проводят на лицевой поверхности образца, расположенной над надрезом, имитирующим трещину, в среде аргона при остаточном давлении 0,02 Па (патент RU №2666817, МПК C22F 1/043, С22С 21/02, C22F 3/00, опубл. 10.04.2018).
Недостатком данного метода является то, что облучение поверхности силумина АК12 высокоинтенсивным импульсным электронным пучком в режиме оплавления включений кремния сопровождается формированием в поверхностном слое микропор и микротрещин, ослабляющих материал.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в формировании путем обработки высокоинтенсивным импульсным электронным пучком модифицированного поверхностного слоя силумина, обладающего улучшенной структурой, а также высокой микротвердостью и износостойкостью.
-2
-1
2
S
Решение проблемы осуществляется способом, включающим облучение поверхностного слоя силумина марки АК5М2 интенсивным импульсным электронным пучком в среде аргона при остаточном давлении 2-10 Па с количеством импульсов n=3, частотой следования импульсов - 0,3 с, согласно изобретению, облучение осуществляют интенсивным электронным пучком с энергией электронов 17 кэВ, длительностью импульса пучка электронов τ=200 мкс, плотностью энергии пучка электронов E=30-50 Дж/см.
S
2
Технический результат, получаемый при использовании заявляемого способа, заключается в формировании упрочненного поверхностного слоя силумина марки АК5М2, подвергнутого обработке интенсивным электронным пучком с энергией электронов 17 кэВ, плотностью энергии пучка электронов E=30-50 Дж/см, длительностью импульса пучка электронов τ=200 мкс, обладающего улучшенной структурой, высокой микротвердостью и износостойкостью по сравнению с необработанным сплавом силумина в литом состоянии.
Предлагаемый способ поясняется представленными изображениями:
фиг. 1 - Структура сплава АК5М2 в литом (перед обработкой электронным пучком) состоянии, на (б) стрелками указаны включения интерметаллидов.
S
S
фиг. 2 - Структура поверхности силумина АК5М2, подвергнутого электронно-пучковой обработке: а - с плотностью энергии E=30 Дж/см; б - с плотностью энергии E=50 Дж/см.
2
фиг. 3 - Зависимость микротвердости HV от плотности энергии пучка электронов (30, 40, 50 Дж/см). Пунктирной линией указано значение HV необработанного сплава силумина в литом состоянии (520 МПа).
В исходном состоянии сплав АК5М2 является поликристаллическим агрегатом, состоящим преимущественно из зерен твердого раствора на основе алюминия (фиг. 1, а). Вдоль границ и в стыках границ зерен А1 располагаются зерна эвтектики A1-Si (фиг. 1, б), а также присутствуют включения интерметаллидов (фиг. 1, 6, указаны стрелками).
2
2
Облучение силумина АК5М2 электронным пучком независимо от параметров обработки сопровождается существенным преобразованием поверхностного слоя, а именно, плавлением и растворением частиц второй фазы. Облучение сплава с плотностью энергии пучка электронов 30 Дж/см приводит к растворению первичных включений интерметаллидов, которое носит незавершенный характер (фиг. 2, а). В отдельных случаях на облучаемой поверхности обнаруживаются островки, содержащие частицы округлой формы с размерами в пределах 2-3 мкм. При увеличении плотности энергии пучка электронов до 50 Дж/см наблюдается полное растворение частиц интерметаллидов в поверхностном слое (фиг. 2, б). При этом в слое толщиной до 50-70 мкм наблюдается формирование структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации, размеры которой изменяются от 500 до 800 нм. Ячейки кристаллизации сформированы твердым раствором на основе алюминия, а прослойки, разделяющие ячейки, обогащены атомами кремния, меди и железа.
S
S
S
2
-3
3
2
-3
3
Анализируя результаты изменения микротвердости HV (фиг. 3) можно отметить, что величина HV поверхностного слоя силумина зависит от плотности энергии E электронного пучка. Микротвердость поверхностного слоя имеет максимальное значение 860 МПа для E=30 Дж/см, превышая микротвердость сплава в литом (необработанном) состоянии (HV=520 МПа) на 65%. Трибологические свойства модифицированного силумина характеризовали коэффициентом износа (величиной, обратной износостойкости), который снижается с ростом плотности энергии пучка электронов (как следствие увеличивается износостойкость). Максимальное увеличение износостойкости (k=0,37⋅10 мм/Н⋅м) наблюдается при плотности энергии пучка электронов E=50 Дж/см и составляет 197% (в исходном состоянии k=1,1⋅10 мм/Н⋅м).
Можно констатировать, что к столь значительному увеличению микротвердости и износостойкости силумина АК5М2 приводят обнаруженные изменения структуры поверхностного слоя после электронно-пучковой обработки, а именно плавление и растворение частиц второй фазы и формирование структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации. Примеры конкретного использования способа.
Пример 1.
3
2
2
-1
-2
S
Электронно-пучковой обработке подвергали поверхность силумина марки АК5М2. Образцы силумина имели размеры 15×15×5 мм. Обработка проводилась на поверхности с размерами 15×15 мм. Поверхность модифицирована по режиму с энергией ускоренных электронов 17 кэВ; количеством импульсов N=3; длительностью импульсов τ=200 мкс; плотностью энергии E=30 Дж/см; частотой следования импульсов - 0,3 с, давлением остаточного газа (аргона) в рабочей камере установки - 2⋅10 Па.
-3
3
-3
3
Параметр износа поверхности k=0,43⋅10 мм/Н⋅м, что в 2,6 раза меньше, чем в исходном состоянии (k=1,1⋅10 мм/Н⋅м). Микротвердость поверхностного слоя имеет максимальное значение 860 МПа, превышая микротвердость сплава в литом состоянии на 65% (520 МПа).
Пример 2.
3
2
2
-1
-2
S
Электронно-пучковой обработке подвергали поверхность силумина марки АК5М2. Образцы силумина имели размеры 15×15×5 мм. Обработка проводилась на поверхности с размерами 15×15 мм. Поверхность модифицирована по режиму с энергией ускоренных электронов 17 кэВ; количеством импульсов N=3; длительностью импульсов τ=200 мкс; плотностью энергии E=50 Дж/см; частотой следования импульсов - 0,3 с; давлением остаточного газа (аргона) в рабочей камере установки - 2⋅10 Па.
-3
3
-3
3
Параметр износа поверхности k=0,4⋅10 мм/Н⋅м, что в 2,75 раза меньше, чем в исходном состоянии (k=1,1⋅10 мм/Н⋅м). Микротвердость поверхности имеет максимальное значение 780 МПа, превышая микротвердость сплава в литом состоянии на 50% (520 МПа).