Результат интеллектуальной деятельности: Способ модифицирования силуминов

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам обработки алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов).

Известны способы модифицирования силумина доэвтектического и эвтектического типа с помощью введения модификатора из смеси солей [1] в виде таблеток, содержащих, мае. NaF 52; NaCl 27; KCl 7; c 14. Количество модификатора 0,25% от массы расплава металла.

Известен также способ модифицирования, принятый за прототип. Это способ модифицирования эвтектических силуминов флюсами [2] Способ включает получение алюминиевого расплава, введение в расплав модификатора в количестве 3,6% (по отношению к общему количеству Al-сплава) и выдержку расплава при 900°C в течение 9 мин. В качестве модификатора используют 2-компонентный флюс, содержащий NaF и NaCl в отношении NaF/NaCl равным 2,3.

Указанный способ имеет недостатки: необходимость приготовления смеси флюса, его строго дозированное количество с ограниченным составом, введение его в расплав алюминия в твердом виде, время выдержки не более 9 мин и полное удаление флюса после операции. В процессе удаления флюса вместе с ним удаляется часть алюминия, а расплав может быть загрязнен примесями солей. Все это нарушает структуру сплава и снижает его качество.

Задачей изобретения является повышение качества получаемого силуминового сплава за счет улучшения его структуры и повышения механических свойств.

Задача решается следующим образом. Способ модифицирования силуминов включает облучение интенсивным импульсным электронным пучком силумина марки АК12 с энергией электронов 18 кэВ, с частотой следования импульсов ƒ=0,3 Гц, с длительностью импульса пучка электронов τ=50-150 мкс, с плотностью энергии пучка электронов E_S=10-25 Дж/см², с количеством импульсов воздействия n=1-5, при этом облучение проводят в аргоне при остаточном давлении 0,02 Па лицевой поверхности образцов, находящейся над надрезом, имитирующим трещину.

Структуру модифицированной поверхности, формирующуюся при облучении интенсивным электронным пучком с плотностью энергии 15 Дж/см² (150 мкс; 3 имп.) и 20 Дж/см² (150 мкс; 5 имп.), анализировали дополнительно методами сканирующей электронной микроскопии [3-7].

Структура исходного образца представлена на фиг. 1. Структура образца, поверхность которого облучена электронным пучком с плотностью энергии 15 Дж/см² (150 мкс; 3 имп.) - фиг 2 (а, б). Структура образца, поверхность которого облучена электронным пучком с плотностью энергии 20 Дж/см² (150 мкс; 5 имп.) - фиг 3 (а, б).

Пример конкретного осуществления способа:

Пример 1

Облучали интенсивным импульсным электронным пучком силумин марки АК12 по следующим режимам: энергия электронов 18 кэВ; частота следования импульсов ƒ=0,3 Гц; длительность импульса пучка электронов τ=150 мкс; плотность энергии пучка электронов E_S=15 Дж/см; количество импульсов воздействия n=3; облучение проводили в аргоне при остаточном давлении 0,02 Па. Электронным пучком облучали лицевую поверхность образцов, т.е. поверхность, находящуюся над надрезом, имитирующим трещину.

Анализ структуры, формирующейся при облучении поверхности образца силумина электронным пучком с плотностью энергии 15 Дж/см² (150 мкс; 3 имп.), подтверждает выводы, сформулированные при исследовании структуры данного образца методами металлографии. А именно, электронно-пучковая обработка приводит к протеканию двух взаимосвязанных процессов: глобуляризации включений кремния и хрупкого разрушения пластин кремния.

Процесс разрушения пластин сопровождается формированием многочисленных микропор, расположенных вдоль границы раздела пластина/матрица, и микротрещин, расположенных в пластинах кремния. Очевидно, что материал с подобным типом структуры будет характеризоваться сравнительно низкими механическими характеристиками. Пластины кремния, содержащие микропоры и микротрещины, будут являться концентраторами напряжений, т.е. местами зарождения макротрещин. Как будет показано ниже, усталостные испытания образцов, модифицированных электронным пучком с параметрами 15 Дж/см²; 150 мкс; 3 имп., выявили весьма низкие значения усталостной долговечности материала.

Таким образом, облучение поверхности силумина высокоинтенсивным импульсным электронным пучком в режиме оплавления включений кремния сопровождается формированием в поверхностном слое микропор и микротрещин, ослабляющих материал. Последнее является определяющим фактором, способствующим лишь незначительному повышению усталостной долговечности материала.

Пример 2

Облучали интенсивным импульсным электронным пучком силумин марки АК12 по следующим режимам: энергия электронов 18 кэВ; частота следования импульсов ƒ=0,3 Гц; длительность импульса пучка электронов τ=150 мкс; плотность энергии пучка электронов E_S=20 Дж/см²; количество импульсов воздействия n=5; облучение проводили в аргоне при остаточном давлении 0,02 Па. Электронным пучком облучали лицевую поверхность образцов, т.е. поверхность, находящуюся над надрезом, имитирующим трещину.

Отчетливо видно, что структура поверхностного слоя по морфологическому признаку кардинально отличается от структуры исходного образца и образца, облученного по режиму 15 Дж/см²; 150 мкс; 3 имп. На поверхности облучения формируется однородная структура зеренного (ячеистого) типа (размер областей изменяется в пределах от 30 до 50 мкм). Области разделены прослойками кремния, поперечные размеры которых не превышают 20 мкм. Концентраторы напряжений (микропоры, микротрещины, микрократеры, хрупкие включения частиц интерметаллидов), способные являться источниками разрушения образца при последующих механических испытаниях, на поверхности облучения не обнаруживаются.

Источники информации

1. Способ модифицирования силуминов натрием. Заявка ФРГ N2928794, кл. C22C 21/02, 5.02.81. ВИНИТИ РЖ Мет. 11Г 180 п. 1981

2. 6. Славов Рашко, Натов Натко, Бояджиев Любомир. Многофакторное исследование модифицирования эвтектических силуминов флюсами. Металлургия, 1978, N33 19-20 (Болг.) ВИНИТИ РЖ Мет.1Г 170, 1979.

3. Structure-Phase States of Al-Si Alloy After Electron-Beam Treatment and Multicycle Fatigue / K.V. Alsaraeva [Aksenova], V.E. Gromov, S.V. Konovalov, A.A. Atroshkina // International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering. - 2015. - Vol. 9, №7. - P. 762-766.

4. Повышение усталостного ресурса силумина при обработке высокоинтенсивным импульсным электронным пучком / Ю.Ф. Иванов, К.В. Алсараева [Аксенова], В.Е. Громов, Е.А. Петрикова, А.Д. Тересов, А.В. Ткаченко // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2014. - Т. 11, №3. - С. 281-284.

5. Fatigue Life of Silumin Treated with a High-Intensity Pulsed Electron Beam / Yu. F. Ivanov, K.V. Alsaraeva [Aksenova], V.E. Gromov, N.A. Popova, S.V. Konovalov // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2015. - Vol. 9, №5. - P. 1056-1059.

6. Повышение усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой / В.Е. Громов, К.В. Аксенова, С.В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16, №4. С. 265-297.

7. Структура поверхностного слоя силумина, обработанного высокоинтенсивным электронным пучком, в условиях многоцикловой усталости / К.В. Алсараева [Аксенова], Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, С.В. Коновалов, Е.А. Петрикова, А.Д. Тересов // Современные тенденции модифицирования структуры и свойств материалов / под общ. ред. Н.Н. Коваля, В.Е. Громова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2015. - 380 с. - С. 41-53.