The surface morphology, chemical composition, microstructure, nanohardness, and tribological properties of a film silumin on aluminum were investigated. The film (Al-25% Si) / substrate (Al-12% Si) has modificated by ion-electron-plasma method. The wear resistance and hardness of a slight increase in 1.3 times

Иванов, Юрий Федорович

Крысина, О. В.

Рыгина, М. Е.

Тересов, А. Д.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

 120    8. G.A. Pribytkov, M.N. Khramogin, V.G. Durakov, and V.V. Korzhova. Coatings produced by electron beam surfacing of composite materials consisting of titanium carbide and a binder of high-speed R6M5 tool steel. Welding international. Vol. 22, No. 7, July 2008, pp. 465-467.    ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЛЕГИРОВАНИЯ СИЛУМИНА ИОННО-ЭЛЕКТРОННО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ М.Е. РЫГИНА1, О.В. КРЫСИНА2, А.Д. ТЕРЕСОВ2, Ю.Ф. ИВАНОВ1, 2 1Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2Институт сильноточной электроники Сибирского отделения  Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) E-mail: L-7755me@mail.ru  OPTIMIZATION OF PROCESSES ALLOYING SILUMIN BY IONIC-BEAM-PLASMA METHOD M.E. RYGINA1, O.V. KRISINA2, A.D. TERESOV2, YU. F. IVANOV1, 2 1Tomsk Polytechnic University 2Institute of High Current Electronics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences E-mail: L-7755me@mail.ru Annotation. The surface morphology, chemical composition, microstructure, nanohardness, and tribo-logical properties of a film silumin on aluminum were investigated.  The film (Al-25% Si) / substrate (Al-12% Si) has modificated by  ion-electron-plasma method. The wear resistance and hardness of a slight in-crease in 1.3 times.  Введение. Силумины (сплавы алюминий-кремний) занимают ведущие пози-ции во многих отраслях промышленности, несмотря на значительный прогресс ма-териаловедения в области создания новых сплавов и композитов, превосходящих силумины по свойствам [1]. Это связано с их относительно низкой стоимостью и высокими удельными характеристиками. Основной недостаток силуминов – сравни-тельно низкие прочностные свойства и повышенная хрупкость, что существенно сужает сферу их применения.  Цель данного исследования заключается в разработке метода формирования поверхностного слоя силумина с повышенными прочностными и трибологическими свойствами.  Материал и методики исследования. На первом этапе обработки на образ-цы силумина марки АК12 (Al-12%Si) напыляли тонкую (0,5 мкм и 1,0 мкм) пленку силумина методом распыления образца силумина с концентрацией кремния 23 % высокоинтенсивным импульсным электронным пучком, т.е. формировали систему пленка / подложка. На втором этапе систему пленка / подложка облучали высокоин-тенсивным импульсным электронным пучком при плотности энергии пучка элек-тронов ES = 15 Дж/см2 и 20 Дж/см2, длительности воздействия пучка электронов 150 мкс, количестве импульсов 5, частоте следования импульсов 0,3 с-1 с целью форми-рования поверхностного сплава на основе алюминия, обогащенного кремнием. Секция 2. Поверхностное упрочнение и защитные покрытия ______________________________________________________________________  121   Результаты исследования и их обсуждение. Анализируя результаты, пред-ставленные на рис. 1, можно отметить, что облучение системы пленка / подложка электронным пучком приводит к формированию на поверхности силумина морфо-логически разнообразной многофазной структура. Включения кремния при толщине пленки 0,5 мкм имеют глобулярную форму (рис. 1, а, б); при толщине пленки 1,0 мкм – островковую форму (рис. 1, в, г). Результаты количественного анализа структуры поверхности системы плен-ка / подложка, облученной высокоинтенсивным импульсным электронным пучком, представлены в таблице 1. Анализируя представленные в табл. 1 результаты, можно отметить, что электронно-пучковая обработка системы пленка/подложка приводит к формированию поверхностного слоя, концентрация кремния в котором существен-ным образом зависит и от толщины пленки, и от плотности энергии пучка электро-нов. При толщине пленки 0,5 мкм концентрация кремния в поверхностном слое не-сколько ниже концентрации кремния в исходном распыляемом силумине. При тол-щине пленки 1 мкм реализуется обратная ситуация.  Величина микротвердости модифицированного слоя определяется и концен-трацией кремния в поверхностном слое (что и следовало ожидать) и плотностью энергии пучка электронов. Лучшим режимом модифицирования поверхностного слоя силумина АК12, позволяющим увеличить микротвердость в ≈1,3 раза, следует признать режим с параметрами 20 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1 при толщине напыляемого слоя 1 мкм.  а Рисунок 1 - Структура поверхности образцов системы пленка  / подложка, облученной импульсным электронным пучком: а) ES =15 Дж/см2, h=0.5 мкм, б) ES =20, h=0.5, в) ES =15, h=1, г) ES =20, h=1 (h - толщина покрытия, мкм, ES - плотность энергии пучка электронов, Дж/см2) б в г  122    Таблица 1 - Концентрация кремния и величина микротвердости модифицированного электронным пучком поверхностного слоя системы пленка/подложка Режим обработки образцов систе-мы пленка /подложка  Содержание кремния на поверхности, % Твердость, кг/мм2 Подложка, АК 12 12 125 ES=15 Дж/см2, h=0.5 мкм 19,5 84 ES=20 Дж/см2, h=0.5 мкм 20 104 ES=15 Дж/см2, h=1 мкм 39,8 88,7 ES=20 Дж/см2, h=1 мкм 31,8 165 В табл. 2 приведены результаты трибологических испытаний системы плен-ка/подложка, обработанной электронным пучком. Отчетливо видно, что модифици-рование поверхности силумина при всех режимах облучения электронным пучком приводит к снижению скорости изнашивания. Наилучшим следует признать режим облучения 15 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1, толщина пленки 0,5 мкм, при котором скорость изнашивания снижается в ≈1,3 раза. Сопоставляя результаты, представлен-ные в табл. 1 и табл. 2, можно отметить, что высокая твердость поверхностного слоя, формирующегося при облучении материала электронным пучком по режиму с параметрами 20 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1 при толщине напыляемого слоя 1 мкм не обеспечивает высокой износостойкости. Можно предположить, что высокая концентрация кремния в поверхностном слое приводит к охрупчиванию материала вследствие выкрашивания частиц кремния. Возможным способом снижения данного эффекта является измельчение включений кремния, т.е. формирование в поверх-ностном слое субмикро- нанокристаллической многофазной структуры. Таблица 2 – Скорость изнашивания (V) и коэффициент трения (µ) модифицирован-ного электронным пучком поверхностного слоя системы пленка/подложка. Режим облучения: 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1 ES, Дж/см2 h, мкм V, 10-6, мм3/(Н*м) V0/V <µ> <µ0>/<µ> 15 0,5 18630 1,31 0.648 0,94 15 1 22228 1,10 0.632 0,97 20 0,5 19416 1,25 0.633 0,97 20 1 21124 1,15 0.628 0,97 Исходный материал 24322  0.612  Результаты наноиндентирования поверхностного слоя системы плен-ка/подложка, модифицированной электронным пучком с параметрами 15 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1 представлены на рис. 2. Отчетливо видно, что фиксируется упрочнение лишь тонкого поверхностного слоя. Однако этого оказывается доста-точно для увеличения износостойкости материала.  Секция 2. Поверхностное упрочнение и защитные покрытия ______________________________________________________________________  123   0 100 200 300 400 5000,60,81,01,21,41,61,82,02,2aН, ГПаР, мН0 50 100 150 200 250 30070809010011012021бE, ГПаР, мН  Рисунок 2-Зависимость твердости Н и модуля Юнга Е от нагрузки на индентор (ме-тод наноинтентирования) поверхностного слоя силумина марки АК12, модифициро-ванного путем напыления силумина (слой толщиной 0,5 мкм) и последующей обра-ботки электронным пучком по режиму 15 Дж/см2, 150 мкс, 5 имп., 0,3 с-1. Штрих-пунктирными линиями обозначены характеристики исходного силумина марки АК12 (для (б) – 1 – модуль Юнга силумина; 2 – модуль Юнга кремния. Заключение. В результате выполненных исследований установлено, что ионно-электронно-плазменный метод позволяет осуществлять легирование поверх-ностного слоя силумина кремнием, переводя силумин эвтектического состава в заэвтектический. Выявлено, что модифицированные поверхностные слои характери-зуются повышенными значениями твердости и износостойкости.  Исследование выполнено за счет гранта РНФ (проект № 14-29-00091). Список литературы.  1. Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуми-нов.- М.: МИСИС, 2008.-282 с.   ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЛЕГИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИОННО-ЭЛЕКТРОННО-ПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА М.Е. РЫГИНА1, О.В. КРЫСИНА2, А.Д. ТЕРЕСОВ2, Ю.Ф. ИВАНОВ1,2 1Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2Институт сильноточной электроники Сибирского отделения  Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) E-mail: L-7755me@mail.ru OPTIMIZATION OF PROCESSES ALLOYING ALUMINIUM BY IONIC-BEAM-PLASMA COATING M.E. RYGINA1, O.V. KRISINA2, A.D. TERESOV2, YU.F. IVANOV1, 2 1Tomsk Polytechnic University 2Institute of High Current Electronics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences E-mail: L-7755me@mail.ru Annotation. Modification of titanium (film) / aluminum (substrate) and silumin 25 wt.% (film)/aluminum systems are produced on the "SOLO" high-intensity pulsed electron beam at different modes of treatment. It leads to the formation of nanostructures. The hardness increased in 3 times and wear re-sistance in 7,5 times. 

Оптимизация процессов легирования силумина ионно-электронно-плазменным методом

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University