СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СИЛУМИНА АК5М2 Российский патент 2021 года по МПК C22F1/43 C22F3/02 

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.

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_S=10-25 Дж/см² 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.

Решение проблемы осуществляется способом, включающим облучение поверхностного слоя силумина марки АК5М2 интенсивным импульсным электронным пучком в среде аргона при остаточном давлении 2-10^-2 Па с количеством импульсов n=3, частотой следования импульсов - 0,3 с^-1, согласно изобретению, облучение осуществляют интенсивным электронным пучком с энергией электронов 17 кэВ, длительностью импульса пучка электронов τ=200 мкс, плотностью энергии пучка электронов E_S=30-50 Дж/см².

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_S=30-50 Дж/см², 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.

фиг. 2 - Структура поверхности силумина АК5М2, подвергнутого электронно-пучковой обработке: а - с плотностью энергии E_S=30 Дж/см; б - с плотностью энергии E_S=50 Дж/см.

фиг. 3 - Зависимость микротвердости HV от плотности энергии пучка электронов (30, 40, 50 Дж/см²). 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).

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/см² 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/см² 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.

Анализируя результаты изменения микротвердости HV (фиг. 3) можно отметить, что величина HV поверхностного слоя силумина зависит от плотности энергии E_S электронного пучка. Микротвердость поверхностного слоя имеет максимальное значение 860 МПа для E_S=30 Дж/см², 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^-3 мм³/Н⋅м) наблюдается при плотности энергии пучка электронов E_S=50 Дж/см² и составляет 197% (в исходном состоянии k=1,1⋅10^-3 мм³/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.

Электронно-пучковой обработке подвергали поверхность силумина марки АК5М2. Образцы силумина имели размеры 15×15×5 мм³. Обработка проводилась на поверхности с размерами 15×15 мм². Поверхность модифицирована по режиму с энергией ускоренных электронов 17 кэВ; количеством импульсов N=3; длительностью импульсов τ=200 мкс; плотностью энергии E_S=30 Дж/см²; частотой следования импульсов - 0,3 с^-1, давлением остаточного газа (аргона) в рабочей камере установки - 2⋅10^-2 Па.

Параметр износа поверхности k=0,43⋅10^-3 мм³/Н⋅м, что в 2,6 раза меньше, чем в исходном состоянии (k=1,1⋅10^-3 мм³/Н⋅м). Микротвердость поверхностного слоя имеет максимальное значение 860 МПа, превышая микротвердость сплава в литом состоянии на 65% (520 МПа).

Пример 2.

Электронно-пучковой обработке подвергали поверхность силумина марки АК5М2. Образцы силумина имели размеры 15×15×5 мм³. Обработка проводилась на поверхности с размерами 15×15 мм². Поверхность модифицирована по режиму с энергией ускоренных электронов 17 кэВ; количеством импульсов N=3; длительностью импульсов τ=200 мкс; плотностью энергии E_S=50 Дж/см²; частотой следования импульсов - 0,3 с^-1; давлением остаточного газа (аргона) в рабочей камере установки - 2⋅10^-2 Па.

Параметр износа поверхности k=0,4⋅10^-3 мм³/Н⋅м, что в 2,75 раза меньше, чем в исходном состоянии (k=1,1⋅10^-3 мм³/Н⋅м). Микротвердость поверхности имеет максимальное значение 780 МПа, превышая микротвердость сплава в литом состоянии на 50% (520 МПа).

Изобретение относится к металлургии, в частности к упрочняющей обработке металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии. Способ обработки поверхностного слоя силумина АК5М2 включает облучение поверхностного слоя интенсивным импульсным электронным пучком в среде аргона при остаточном давлении 2⋅10^-2 Па с количеством импульсов n=3, частотой следования импульсов - 0,3 с^-1. Облучение осуществляют интенсивным электронным пучком с энергией электронов 17 кэВ, длительностью импульса пучка электронов τ=200 мкс, плотностью энергии пучка электронов E_S=30-50 Дж/см². Сформированный упрочненный поверхностный слой силумина марки АК5М2 обладает улучшенной структурой, высокой микротвердостью и износостойкостью. 3 ил., 2 пр.

Способ обработки поверхностного слоя силумина АК5М2, включающий облучение поверхностного слоя интенсивным импульсным электронным пучком в среде аргона при остаточном давлении 2⋅10^-2 Па с количеством импульсов n=3, частотой следования импульсов - 0,3 с^-1, отличающийся тем, что облучение осуществляют интенсивным электронным пучком с энергией электронов 17 кэВ, длительностью импульса пучка электронов τ=200 мкс, плотностью энергии пучка электронов E_S=30-50 Дж/см².