Влияние электроискрового легирования на механические свойства Al-Si-Cu сплавов
Автор: Фомин Н.Е., Хасан И.Х., Кяшкин В.М.
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 2 т.19, 2019 года.
Бесплатный доступ
Введение. Статья посвящена исследованию микротвердости и износостойкости алюминиевого сплава (АК5М7) после обработки его поверхности электроискровым легированием (ЭИЛ) электродами А (Cu) и Р (Cu + P) с разной приложенной энергией.Цель работы - исследование взаимосвязи физикомеханических и прочностных свойств поверхности сплава АК5М7, полученной после ЭИЛ медным и меднофосфорным электродами.Материалы и методы. Использованы методы рентгенодифракционного и рентгенофлуоресцентного анализа для определения фазового состава, областей когерентного рассеяния (ОКР) и микродеформации поверхности.Результаты исследования. Установлено, что при использовании обоих видов электродов с увеличением энергии возрастают микротвердость и износостойкость. Образец был модифицирован электродом Р с энергией 0,79 Дж. В этом случае максимальное значение микротвердости увеличилось в 5,3 раза, износостойкости - в 1,6 раза. Установлено, что при ЭИЛ на поверхности исследуемого сплава образуются новые интерметаллические фазы Al2Cu и Cu3P...
Электроискровое легирование (эил), область когерентного рассеяния (окр), микродеформация, алюминиевые сплавы, интенсивность изнашивания
Короткий адрес: https://sciup.org/142219838
IDR: 142219838 | DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-2-138-142
Текст научной статьи Влияние электроискрового легирования на механические свойства Al-Si-Cu сплавов
1, 2, 3 Ogarev Mordovia State University, Saransk, Russian Federation
Введение. Для повышения износостойкости деталей используют различные покрытия и методы модификации поверхности. Один из них — электроискровое легирование (ЭИЛ) токопроводящих материалов (авторы: Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко [1–4]).
Сплавы Al-Si-Cu широко используются в автомобильной промышленности. Они хорошо отливаются, обладают всеми необходимыми механическими свойствам, характеризуются низким коэффициентом теплового расширения и высоким соотношением прочности и веса. Однако твердость и износостойкость алюминиевых сплавов относительно низкие. Этим обусловлена актуальность задачи улучшения названных свойств за счет поверхностного упрочнения [5–10]. Речь идет о необходимости создания упрочненных слоев с улучшенными физико-механическими свойствами. В представленной работе показаны результаты ЭИЛ различными электродами при разных энергиях с целью упрочнения поверхности сплава АК5М7.
Материалы и методы. Для проведения исследований были изготовлены образцы размером 15×15×4 мм из алюминиевого сплава АК5М7. Их поверхности обрабатывались методом ЭИЛ медным и медно-фосфорным электродами. Элементный состав сплава и электродов определялся методом рентгенофлуоресцентного анализа на приборе ARL Perform’X 4200. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Элементный состав сплава и электродов
Al, % |
Cu, % |
Si, % |
P, % |
|
Сплав АК5М7 |
88 |
7 |
5 |
|
Р-электрод |
92,9 |
7,1 |
||
А-электрод |
0,1 |
99,9 |
Электроискровое легирование проводилось на установке ALIER-31 (фирма SCINTI, Молдова), которая позволяет проводить ЭИЛ в широком диапазоне энергий.
Рентгенофазовый анализ выполнялся c целью определения фазового состава покрытий, нанесенных методом ЭИЛ на алюминиевый сплав. Для съемки использовался рентгеновский дифрактометр PANalytical EMPYREAN на CuKα-излучении, укомплектованный никелевым фильтром с автоматической щелью расходимости первичного пучка. Рентгенограмма расшифровывалась с помощью программы HighScorePlus. Изучены: — количественное содержание фаз, обнаруженных на поверхности;
-
— средний размер областей когерентного рассеяния ( ОКР);
-
— величины микродеформаций после ЭИЛ образцов.
Микротвердость модифицированного слоя измерялась на поверхности, полученной после ЭИЛ. В работе использовали исследовательский комплекс на базе микротвердомера HVS-1000 и цифровую видеокамеру. Измерения выполнялись по ГОСТ 9450–76 с индентором в виде пирамиды Виккерса (нагрузка Р = 25 г). По каждому образцу проводили не менее десяти измерений. Основной сплав и поверхности его образцов после обработки ЭИЛ подвергались трибологическим испытаниям (предварительно на поверхности образцов наносился смазочный материал).
Результаты исследования. Полученные результаты представлены в табл. 2 и на рис. 1–4.
Таблица 2
Концентрация фаз основного сплава и поверхностей, полученных после ЭИЛ в зависимости от энергии
Энергия, Дж |
Концентрации фаз |
|||||||||
Сплав АК5М7 |
А-электрод |
Р-электрод |
||||||||
Al |
Al 2 Cu |
Si |
Al |
Al 2 Cu |
Si |
Al |
Al 2 Cu |
Si |
Cu 3 P |
|
0 |
92 |
2 |
4 |
|||||||
0,07 |
97 |
2 |
1 |
94 |
3 |
2 |
1 |
|||
0,2 |
96 |
3 |
1 |
70 |
22 |
5 |
3 |
|||
0,39 |
94 |
5 |
1 |
65 |
25 |
5 |
5 |
|||
0,79 |
89 |
10 |
1 |
59 |
28 |
5 |
8 |
Машиностроение и машиноведение
В табл. 2 приведены концентрации фаз, обнаруженных на поверхности основного сплава и образцов после ЭИЛ при различных энергиях.
В основном сплаве имеются три фазы: Al, Al2Cu и Si. С повышением энергии ЭИЛ наблюдается увеличение концентрации Al2Cu при использовании обоих электродов и уменьшение фазы Al, а фаза Si остается постоянной для А-электрода при всех энергиях. При этом концентрация Si возрастает в 2,5 раза с ростом энергии для Р-электрода. В образцах, обработанных Р-электродом, появляется фаза Cu3P. Ее концентрация с повышени- ем энергии импульса до 0,79 Дж возрастает в 8 раз.

Рис. 1. Зависимость размеров ОКР фазы на основе Al от энергии для электродов А и Р

Рис. 2. Зависимость величины микродеформации фазы на основе Al от энергии для электродов А и Р
Из рис. 1, 2 видно, что при использовании обоих электродов с повышением энергии ЭИЛ уменьшается ОКР и увеличиваются микродеформации. Области когерентного рассеяния представляют собой практически бездефектные участки поверхности. Следовательно, увеличение ОКР свидетельствует об улучшении микроструктуры модифицированного слоя, уменьшении его дефектности. Вместе с тем известно, что изменение дефектности структуры металлических материалов приводит к изменению их физико-механических свойств [11, 12]. Величина микродеформации указывает на степень искаженности кристаллической решетки, и таким образом по ее величине можно судить о степени дефектности структуры [13, 14]. Аналогичные зависимости ОКР и микродеформации получены для фаз Al 2 Cu и Cu 3 P после ЭИЛ поверхности сплава АК5М7 электродами А и Р. При этом обнаружено, что закономерности изменения ОКР и микродеформации такие же, как для фазы на основе Al. Следовательно, данные рис. 1, 2 позволяют предположить, что с увеличением энергии сильнее искажается структура полученной поверхности.
На рис. 3 представлены результаты измерения микротвердости поверхностей после ЭИЛ медным и медно-фосфорным электродами.

Рис. 3. Зависимость микротвердости от энергии для А- и Р-электродов
Видно, что микротвердость возрастает с увеличением энергии, причем для электрода А при максимальном значении энергии отмечается почти 3-кратный рост, для электрода Р — 5-кратный.
Известно, что при ЭИЛ происходит плавление материалов анода и поверхности образца, а затем быстрое охлаждение (закалка). В результате на поверхности могут образоваться новые фазы (в нашем случае Cu3P), дислокации, точечные дефекты, высокая степень напряженного состояния поверхности, мелкозернистая струк- тура и пр. В связи с этим можно предположить, что с ростом энергии микротвердость увеличивается из-за вышеперечисленных искажений, возникших в процессе ЭИЛ (см. рис. 3).
На рис. 4 представлены результаты измерения интенсивности изнашивания сплава АК5М7 и поверхно- стей образцов после ЭИЛ медным и медно-фосфорным электродами при энергии 0,79 Дж.

Сплав п электроды / Alloy and electrodes
Рис. 4. Значения интенсивности изнашивания основного сплава АК5М7 и его поверхности после покрытия при энергии 0,79 Дж
Из рис. 4 видно, что поверхности образцов, обработанных медно-фосфорным и медным электродами, изношены значительно меньше, чем поверхность сплава АК5М7.
Обсуждение и заключения. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности ЭИЛ поверхности сплава АК5М7 различными электродами и с разной энергией. Поверхности, полученные таким методом, изнашиваются меньше. При использовании медного электрода изнашивание сокращается в 1,37 раза, при использовании медно-фосфорного — в 1,57 раз.
При достижении минимального значения износа после ЭИЛ поверхности имеют максимальные значения микротвердости и микродеформации, а также наименьшие значения ОКР. При этом наблюдается значительный рост концентрации образующихся после ЭИЛ интерметаллических фаз: Al 2 Cu — от 5 до 9 раз с медным и медно-фосфорным электродами соответственно; Cu 3 P — в 8 раз с медно-фосфорным электродом. Причиной повышения износостойкости поверхностей после ЭИЛ могут быт различные искажения и дефекты, образующиеся после плавления, а также формирование новых интерметаллических фаз.
Список литературы Влияние электроискрового легирования на механические свойства Al-Si-Cu сплавов
- Влияние природы электродных материалов на эрозию легированного слоя. Критерии оценки эффективности электроискрового легирования/А. Д. Верхотуров//Вестник Мордовского университета. -2018. -Т. 28, № 3. -С. 302-320. DOI: https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201803.302-320.
- Изменение состава и свойств электрода-инструмента в условиях электроискрового легирования сплавом Al-Sn/Е. В. Юрченко//Электронная обработка материалов. -2016. -№ 52 (2). -С. 32-36.
- Исследование жаростойких свойств покрытий после электроискрового легирования стали 45 хромоникелевыми сплавами/А. В. Козырь//Письма о материалах. -2018. -№ 8 (2). -P. 140-145 DOI: 10.22226/2410-3535-2018-2-140-145
- Effect of Mg and Zn Contents on the Microstructures and Mechanical Properties of Al-Si-Cu-Mg Alloys/Y. Nemri//International Journal of Metalcasting. -2017. -№ 12 (1). -С. 20-27.
- Surface Modification of Aluminum Alloys Prepared by Plasma-Based-Ion-Implantation Technique/L. Liu//Solid State Phenomena. -2006. -№ 118. -P. 269-274.
- Effect of Nickel addition and solution treatment time on microstructure and hardness of Al-Si-Cu aged alloys/H. M. Medrano-Prieto//Materials Characterization. -2016. -Vol. 120, Оctober. -P. 168-174.
- Effect of copper additions and heat treatment optimization of Al-7% Si Aluminum Alloy/M. T. Giovanni//La Metallurgia Italiana. -2016. -№ 11. -P. 43-47.
- Bogdanoff, T. Effect of Co and Ni addition on the microstructure and mechanical properties at room and elevated temperature of an Al-7% Si alloy/T. Bogdanoff, A. K. Dahle, S. Seifeddine//International Journal of Metalcasting. -2018. -Vol. 12, is. 3. -P. 434-440
- DOI: 10.1007/s40962-017-0178-z
- Microstructure evolution and mechanical properties of laser additive manufacturing of high strength Al-Cu-Mg alloy/GuTao//Optics and laser technology. -2019. -№ 112. -P. 140-150.
- Олейник, А. К. Влияние кристаллизации под давлением и термообработки на триботехнические показатели и микротвердость сплава АЛ-25/А. К. Олейник, Е. В. Чуйкова, А. В. Нестеренко//Вестник Харьков. нац. автомоб.-дорож. ун-та. -2010. -Вып. 51. -С. 73-77.
- Шаренкова, Н. В. Размеры областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения в тонких пленках SmS и их визуализация/Н. В. Шаренкова, В. В. Каминский, С. Н. Петров//Журнал технической физики. -2011. -Т. 81, вып. 9. -С. 144-146.
- Солнцев, Ю. П. Материаловедение/Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин. -Санкт-Петербург: Химздат, 2007. -781 с.
- Мельников, Е. В. Влияние температуры деформации на параметры структуры, фазовый состав и микротвердость монокристаллов стали Fe-28Mn-2.7Al-1.3C, подвергнутых кручению под высоким давлением/Е. В. Мельников, Е. Г. Астафурова, Г. Г. Майер//Letterson Materials. -2018. -№ 8 (2). -C. 178-183
- DOI: 10.22226/2410-3535-2018-2-178-183
- Хасан, И. Х. Исследование физико-механических свойств алюминиевого сплава после электроискровой обработки/И. Х. Хасан, Н. Е. Фомин//Упрочняющие технологии и покрытия. -2019. -Т. 15, № 3. -С. 139-142.