Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2019,  том 16,  №3, 411-419

 

В.Е. Громов1, Д.В. Загуляев1, Ю.А. Рубанникова1, Е.А. Петрикова2,3

Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка доэвтектического силумина: структура и свойства поверхности

1Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007, Новокузнецк, Россия
2Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, 634055, Томск, Россия
3
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, Томск, Россия
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Методами современного физического материаловедения проведен послойный анализ структурно фазовых состояний и трибологических свойств доэвтектического силумина марки АК10М2Н на глубине до 170 мкм после комплексной обработки. Она заключалась в электровзрывном легировании титаном и порошком оксида иттрия с последующей электронно-пучковой обработкой. В работе реализована следующая комбинированная обработка поверхности: массы взрываемых фольг титана и порошка Y2O3 составляли по 58,9 и 88,3 мг, при плотность энергии Es = 35 Дж/см2 и напряжение разряда U = 2,6 кВ. Установлено, что электровзрывная обработка сопровождается как легированием поверхностного слоя элементами плазмы, так и внедрением в поверхностный слой частиц исходного порошка оксида иттрия. Комплексная поверхностная обработка приводит к растворению включений Si и интерметаллидов, характерных для литого состояния. Она формирует многоэлементный многофазный слой толщиной до ≈ 170 мкм, размеры кристаллитов которого изменяются в пределах от единиц до сотен нанометров. Наряду с атомами исходного материала (Al, Si, Cu, Ni, Fe) поверхностный слой обогащен атомами титана, иттрия, кислорода. Методом картирования выявлено неоднородное распределение легирующих элементов в модифицированном слое. Установлено, что модифицированный слой имеет структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации и содержит включения ограненной формы, относительное содержание которых снижается по мере удаления от поверхности. Ячейки высокоскоростной кристаллизации обогащены преимущественно атомами алюминия; прослойки, разделяющие ячейки, обогащены, преимущественно атомами кремния. Выявлено, что прослойки кремния, располагающиеся вдоль границ и в стыках границ ячеек кристаллизации, сформированных твердым раствором на основе алюминия, имеют нанокристаллическую структуру. Комплексная поверхностная обработка увеличивает износостойкость в (20) раз по отношению к исходному силумину и в (2,8) раза по отношению к силумину после ЭВЛ. Коэффициент трения снижается в ≈ 1,5 раза по отношению к исходному силумину.

Ключевые слова: доэвтектический силумин, электровзрывное легирование, титан, оксид иттрия, электронно-пучковая обработка, структура, фазовый состав, износостойкость.

УДК 669.112:539.4

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2019.03.019


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 16, No.3 (2019) 411-419

 

V.E. Gromov1, D.V. Zagulyaev1, Yu.A. Rubannikova1, E.A. Petrikova2,3

Complex electron-ion-plasma processing of hypoeutectic silumin: structure and properties of surface

1Siberian State Industrial University, Kirov Str., 42, Novokuznetsk, 654007, Russia
2Institute of High Current Electronics SB RAS, Akademicheskii Pr., 2/3, Tomsk, 634055, Russia
3National Research Tomsk Polytechnic University, Lenin Pr., 30, Tomsk, 634050, Russia

The layer-by-layer analysis of structural phase states and tribological properties of hypoeutectic silumin of AK10M2N grade at the depth up to 170 μm after the complex processing was carried out by the methods of modern physical material science. It involved the electroexplosion alloying by titanium and yttrium oxide powder followed by electron beam processing. The combined surface processing are realized in the research: the masses of titanium foil and Y2O3 powder being exploded amounted to 58.9 and 88.3 mg at energy density of electron beam Es = 35 J/cm2 and discharge voltage of U = 2.6 kV. It has been stated that electroexplosion processing is accompanied both by the alloying of the surface layer by plasma elements and the penetration of the initial powder particles of yttrium oxide. The complex surface processing leads to the dissolution of Si inclusions and intermetallides typical of the cast state. It forms the multielemental multiphase layer up to ≈ 170 μm thick the crystallites’ sizes of which vary within the limits from units to hundreds of nanometers. Along with the atoms of the initial material (Al, Si, Cu, Ni, Fe) the surface layer is enriched by the atoms of titanium, yttrium, oxygen. The inhomogeneous distribution of the alloying elements in the modified layer was determined by the method of mapping. It has been found that the modified layer has the structure of high-velocity cellular crystallization and contains the inclusions of the faceted form whose relative content decreases when moving away from the surface. The cells of high-velocity crystallization are mainly enriched by aluminum atoms; the interlayers separating the cells are chiefly enriched by silicon atoms. It has been detected that silicon interlayers being located along the boundaries and in the junctions of cell crystallization boundaries formed by the solid solution based on aluminum have a nanocrystalline structure. The complex surface processing increases 20 – fold in wear resistance with respect to the initial silumin and 2.8 – fold in reference to silumin after electroexplosion alloying. The friction factor increases ≈ 1.5 – fold relative to the initial silumin.

Keywords: hypoeutectic silumin, electroexplosion alloying, titanium, oxide yttrium, electron beam processing, structure, phase composition, wear resistance.