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.