CC BY
16
УДК 669.017:669.15-194:621.785.9
Канд. техн. наук Н. В. Широкобокова Запорiзький нацюнальний техычний унiверситет, м. Запорiжжя
АНАЛ1З СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ СИЛУМ1Н1В ПРИ Р1ЗНИХ РЕЖИМАХ ЛАЗЕРНО1 ОБРОБКИ
До^джено вплив лазерной обробки на структуру та твердiсть доевтектичних силумiнiв, визначено оптимальний режим оброблення, розглянуто можливкть тдвищення твердостi оплавленого шару зарахунок використання сплавiв зi вторинно'1 сировини.
Ключовi слова: силумiн, лазерна обробка, структура, властивостi.
Кольоровi метали та !х сплави широко застосовують-ся в сучаснш промисловосп. Легк! сплави, зокрема алюмЫев^ використовуються як замшники чавушв, сталей, антифрикшних сплавiв та iнш. При цьому перевагами використання сплавiв на Al-основi е зниження маси машин та конструкцш. Вдале поеднання мало! щшьносп з високими антикорозiйними властивостями робить !х практично незамiнними в ашацшнш, автомобiльнiй промисловосп, судо- та приладобудуванш.
Разом з перевагами, у порiвняннi з iншими мета-левими сплавами, Al-сплавам притаманнi етотш недо-лiки - вони досить м'яш i мають низьш показники мiцностi. Iснуючi методи впливу на структуру силуштв (модифiкування, термiчна обробка та шш.) не повнiстю задовольняють властивостям, якi висуваються до сплавiв даного класу. Актуальною задачею е пошук та застосування перспективних метсдав, як1 забезпечують високi фiзико-хiмiчнi характеристики алюмшевих сплашв.
Вiдомо [1-2], що лазерне оброблення поверхнi силуштв внаслвдок дуже високих швидкостей на^вання та охолодження може призводити до значних змш у струкIурi в зот лазерно! до - дисперпзаци, збiльшенню кiлькостi дефектiв кристалiчноi будови, формуванню метастабiльних фаз. Так! змши е причиною зростання мiкротвердостi, мщносп, а вiдповiдно i зносостiйкостi матерiалу
Тому метою роботи було дослщження впливу лазерно! обробки на структуру та твердеть поверхневих шарiв доевтектичного силумiну АК8М3 та визначення оптимального режиму оброблення.
Таблиця 1 - Хiмiчний склад сплашв АК8М3
Матерiали та методика дослщжень
Для дослiджень у лабораторий iндукцiйнiй печi були виплавленi два сплави АК8М3: перший - з пер-винно! шихти, другий - зi вторинно! сировини. Шихта сплаву I складалася з технiчно чистого алюмшш А7, кристалiчного кремнiю марки КР0 та електротехтчно! мiдi. Шихта сплаву II складалася з 80 % сплаву, отрима-ного з брухту та вiдходiв виробництва i 20 % компо-нентiв, яш використовувалися при виплавленнi сплаву I (у ввдповвдних спiввiдношеннях). Хiмiчний склад обох сплавiв наведено у таблиц 1. Лазерна обробка (ЛО) поверхш зразшв проводилася на повiтрi за допомогою iмпульсного лазера КВАНТ-12 (тривалють iмпульсу т = 4 мс) в режимi оплавлення. Фазовий склад поверхневих шарiв зразюв тсля ЛО дослвджувався за допомогою рентгеноструктурного (ДРОН-3) та металографiч-ного (М1М-8) аналiзiв. Лазерне оброблення та рентге-ноструктурний аналiз проводили в ЗНУ шд керiвництвом д-ра фiз.-мат наук, проф. Гiржона В.В. Мжротвердють визначали на мiкротвердомiрi ПМТ-3 при навантаженнi 50 г.
Результата дослщжень
Зпдно з даними металографiчного та рентгеноструктурного аналiзiв, вихвдна структура обох сплавiв складалася з а - твердого розчину 81 в А1, евтектики А1+81, фази А12Бе, яка мала пластинчасту або голчасту форму, та штерметалвдно! фази А17Си2Бе (рис. 1). Дифрак-тограми первинного та вторинного сплавiв у вихщно-му стат майже не вiдрiзнялися, що сввдчило про одна-ковий фазовий склад.
Сплав Вмiст елементш, мас. %
Б1 Си Ее Мп Mg гп N1 Т1 шш А1
первин-ний 8,20 2,56 0,31 0,04 0,03 0,045 0,01 0,0115 0,0285 залиш.
вторин-ний 9,82 3,10 1,57 0,40 0,32 0,76 0,044 0,040 0,2918 залиш.
© Н. В. Широкобокова, 2015
78
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
Отримана структура узгоджуеться з лгтературними даними [3-5], зпдно з якими при високому вмiстi крем-шю i п1двищеному вмiстi залiза в доевтектичних сплавах можуть утворюватися як двофазнi залiзовмiснi включения, так i штерметалвди з рiзними хiмiчними формулами та типами кристалiчних граток (Л12Бе, Л13Бе, Л13Ре81, Л15Бе81, Л19Бе813 та iншi). При цьому заль зовмiснi фази кристалiзуються у виглядi голок або пластин. У силумшах, додатково легованих м1ддю, до струк-турних складових можуть входити також фази типу Л17Си/е.
б
Рис. 1. Вихщна структура сплавiв: а - первинний; б - вторинний
Металограф1чний анал1з показав, що сплав на основ1 первинно! сировини мав бшьш дисперсну структуру та достатньо р1вном1рний розподш фаз (див. рис. 1, а). Зал-1зовм1сна фаза в ньому мала розм1ри 5.. .20 мкм, також у сплавi спостер1галися поодинок1 дефекти у вигляд1 мжропор. В той же час тдвищений вм1сг домшок i, зокрема, зал1за у вторинному сплав1 призв1в до утво-рення грубо! структури i крупних пластинчастих вклю-чень фази Al2Fe довжиною бшьше 200 мкм та шдвище-но! юлькосп пор (див. рис. 1, б).
Мкротвердасть матриц1 складала в середньому 1065 та 1095 МПа для першого та другого сплав1в, вщповщно. Присутня фаза Al2Fe мала м1кротвердасть ~ 4830 МПа, але була дуже крихкою. М1кротверд1сть включень на основ1 кремнш дор1внювала 9000. _11000 МПа.
Одноразова лазерна обробка призвела до загально-го зниження штенсивносп дифракцшних максимум1в як ввд гратки кремнш, який входив до складу евтектики, так i ввд граток 1нтерметал1дних фаз та пдвищення 1нтен-сивносп лшш в1д ГЦК фази, що свщчило часткове роз-чинення цих фаз у твердому розчиш на основ1 алюмь шю. Фазовий склад при цьому можна визначити так:
пересичении твердии розчин кремнiю в алюмiнil, ев-тектика, iнтерметалiдна фаза Л12Бе та слвди штерметал> ду Л17Си2Бе.
Шсля обробки лазером зона лазерно! ди первинно-го сплаву складалася з зони гартування з рiдкого стану глибиною до 150 мкм та зони термiчного впливу глиби-ною до 50 мкм (рис. 2).
Ввдносно невисока густина потужностi випромiню-вання (д ~ 600 МВт/м2) призвела до часткового розчи-нення iнтерметалiдних фаз та неповного перемiшуван-ня розплаву в зонi лазерно! ди, формування в мгсцях розташування iнтерметалiдних фаз квазiектектичнх ко-лонш, якi, окрiм кремнiю, могли бути збагачеш легу-вальними елементами, що входили до складу штерме-талщв. Отримана структура первинного сплаву АК8М3 ввдповвдала структурам А1-Si-сплавiв пiсля iмпульсно! лазерно! обробки, якi були отримаш та дослiдженi в роботi [6]. Також автором роботи встановлено, що в момент опромшення зразюв поверхневi шари зазнава-ли сумiсну дш теплового впливу з дieю сил тиску елек-тромагнiтного випромiнювання, що сприяло виникнен-ню iмпульсу ввддачг В результатi в зонi розплаву вини-кали турбулентт потоки, яю призводили до структурно! неоднорiдностi в зот лазерно! дi!. Така особливкть вiдобразилася на розбiжностi значень мшротвердосп, середнi значення яко! складали ~ 1300 ± 100 МПа.
Рис. 2. Структура первинного (а) та вторинного (б, в) сплавiв тсля однократно! лазерно! обробки
а
а
б
в
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2015
79
При лазернш обробщ вторинного сплаву структура сплаву була подiбною до первинного, але крупш iнтерметалiднi включення тiльки частково розчинялися та подр!бнювалися, можливо внасл!док того, що температура в зон лазерно! до була недостатньою для повно-го розплавлення грубо! залiзовмiсно! фази (див. рис. 2, в). Глибина оплавленого шару вторинного силушну була бшя 200 мкм, а середне значення мiкротвердостi дор!в-нювало 2400 МПа. Бiльш висок! значення твердостi в ЗЛД вторинного силушну можна пояснити бшьш ви-соким вм!стом залiза, марганцю, магн!ю та шших еле-ментiв, як! входили до складу сплаву (див. табл. 1). 1х шдвищений вм!ст ввдповвдно сприяв збшьшенню об'емно! дол! штерметал!дних включень [7], зокрема за-л!зовмюно!, як в усьому сплавi, так i в оплавленому шарi. П!д д1ею лазерного випромiнювання вiдбувалося част-кове розчинення та подрiбнення iнтерметалiдiв, тобто виникав ефект легування в зон! розплаву, завдяки яко-му м!кротверд1сть оплавлено! зони вторинного силум-!ну була вище первинного в середньому на 1000 МПа.
Подальш! досл!дження показали, що збшьшення крат-ност! обробки до 2 раз!в для обох сплав!в призводило до утворення достатньо ч!тко! границ! м!ж «плямами» (об'емами металу, що одержан! п!д д!ею окремих !мпульс!в), кращого подр!бнення ! розчинення штер-метал!дних фаз, бшьш р!вном!рного розпод!лу диспер-сних складових у зон! оплавлення (рис. 3 а, б), що в свою чергу сприяло п!двищенню м!кротвердост! в се-редньому до 1400 МПа для первинного сплаву та до 2500 МПа для вторинного.
При триразовш обробщ (див. рис. 3, в, г) або тдви-щенш густини потужност! до 950 МВт/м2 (рис. 3, д, е) мало м!сце невелике зб!льшення глибини оплавлення, утворення в обох сплавах вихрово! структури в зон! лазерно! до, додаткових дефект!в, таких як пори ! тр!щини. Малий час дп !мпульсу (т = 4 мс) ! велик! швидкосп нагр!вання та охолодження (103.. ,104 К/с) сприяли ви-никненню значних терм!чних напружень, а в!дпов!дно ! гартувальних тр!щин.
Висновки
У цшому результати досл!джень показали, що найбшьш оптимальною, особливо для вторинного сплаву, е одноразова лазерна обробка з густиною потуж-ност! !мпульсу 600 МВт/м2. Вона забезпечила одержан-ня практично бездефектного шару з р!вном!рною структурою глибиною~200 мкм та п!двищення мшротвердост! первинних силум!н!в у середньому в 1,5 рази, вторин-них - в 2 рази. При цьому збшьшення показник!в мшрот-вердост! вторинних сплав!в у пор!внянн! з первинними можна пояснити за рахунок наявносп у !хньому склад! п!двищено! кшькосп дом!шок, в тому числ! зал!за, як! при лазерн!й обробц! вщгравали роль додаткових легу-вальних елеменпв. Отриман! результати дозволяють розширити обласп застосування вторинних силум!н!в. У той же час наявтсть крупних зал!зовмюних фаз плас-тинчасто! форми у вторинному силум!н! !стотно впли-
вала на р!вном!рн!сть та як!сть поверхневого шару при лазернш обробщ, що дозволило зробити висновок про необхщшсть попереднього раф!нувально-модиф!ку-вального оброблення ! нейтрал!зацп зал!за за рахунок змшення параметра форми фаз, до яких воно входить.
а двократна (600 МВт/м2) б
■ I
V/] . 4 - ' л в
в трикратна (600 МВт/м2) г
д двократна (950 МВт/м2) е
Рис. 3. Вплив кратност та густини потужност! лазерно! обробки на структуру поверхневого шару первинного (а, в, д) та вторинного (б, г, е) сплаву
Список лтератури
1. Гиржон В. В. Формирование структуры поверхностных слоев алюминиевых сплавов после импульсной лазерной обработки / В. В. Гиржон, И. В. Танцюра // Ме-таллофиз. новейшие технол. - 2005. - т. 27. - № 11. -С. 1519-1528.
2. Гиржон В. В. Формирование квазиэвтектической структуры в сплавах АК9 и АК12 после импульсной лазерной обработки / В. В. Гиржон, И. В. Танцюра // Метал-лофиз. новейшие технол. - 2006. - т. 28. - № 9. -С. 1249-1259.
3. Мондольфо Л. Р. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Мондольфо Л. Р. - М.: Металлургия, 1979. -640 с.
4. Строганов Г. Б. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы / Строганов Г. Б. - М. : Металлургия, 1985. -216 с.
5. Силумины. Атлас микроструктур и фрактограмм промышленных сплавов: справ. изд. [А. Г. Пригунова, Н. А. Белов, Ю. Н. Таран и др.]. - М. : МИСИС, 1996. -175 с.
6. Танцюра I. В. Формування структури поверхневих шар1в алюмтевих сплав1в тд д1ею !мпульсно! лазерно!
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ИНИХ МАТЕР1АЛ1В
обробки : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. фiз.-мат. наук: спец. 01.04.13 «Фiзика металiв » / I. В. Танцюра. - К., 2009. - 20 с.
7. Мтев О. А. Науково-технолопчш основи формуван-ня структури, фiзико-механiчних i службових власти-востей вторинних силумтв : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: спец. 05.02.01 «Матерiа-лознавство» / О. А. Мгаев. - Запорiжжя, 2008. - 32 с.
Одержано 03.06.2015
Широкобокова Н.В. Анализ структуры и свойств силуминов при разных режимах лазерной обработки
Исследовано влияние лазерной обработки на структуру и твердость доэвтектических силуминов, определено оптимальный режим обработки, рассмотрена возможность повышения твердости оплавленного слоя за счет использования сплавов на основе вторичного сырья .
Ключевые слова: силумин, лазерная обработка, структура, свойства.
Shirokobokova N. Analysis of silumins' structure and properties with the use of different modes of laser treatment
The influence of laser treatment on the structure and hardness of hypoeutectic silumins is investigated, optimal treatment mode is determined, possibility of the fused layer's hardness increasing by using the alloys based on secondary raw materials is considered.
Key words: silumin, laser treatment, structure, properties.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2015
81
