Силумин для подшипников в дронах — структура и механические свойства сплава

Силумин — это сплав на основе алюминия и кремния, где последний составляет более 12% вес. массы. Из-за высокого содержания кремния в сплаве образуются хрупкие зоны, которые крошатся и делают материал непригодным для использования в высокопрочных деталях.

Задача — модифицировать поверхность и подготовить силумин для создания подшипников, поршней и других деталей, где нужна высокая износостойкость, твердость и другие механические характеристики.

Исследование

В исследовании использовали образцы силумина и электронный пучок с плотностью потока электронов от 20 до 50 Дж/см2. Образцы толщиной 3 см облучались по 150 мкм с двух сторон, общая толщина облучения составляла 3%. Результаты обработки и улучшения видны на диаграмме ниже.

Деформационные кривые в координатах «напряжение — деформация» (σ = f(ε)) исходного (1) и облученных (2–5) образцов.
Автор: Рыгина М.Е.

Кривая 2 — образец, облученный электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов Es = 20 Дж/см2;
Кривая 3 —  Es = 30 Дж/см2,
Кривая 4 —  Es = 40 Дж/см2;
Кривая 5 —  Es = 50 Дж/см2.

Наиболее высокой пластичностью обладают образцы, облученные электронным пучком с плотностью энергии Es = 50 Дж/см2. При данном режиме облучения предельная пластичность материала достигает 5,7%, что в 2,5 раза выше, чем у литого силумина, а прочность достигает 97,5 МПа, что в 1,1 раза больше исходного материала.

После обработки идет тонкий переплав поверхности до 120 микрометров с нано- и микроразмерной структурой. Кремний приобретает глобулярную форму и лежит прослойками вдоль зерен эвтектики. В сумме это увеличивает пластические свойства силумина заэвтектического состава. Структуру поверхности исследовали на сканирующем электронном микроскопе.

Структура поверхности разрушения силумина в литом состоянии (а, б) и после облучения импульсным электронным пучком при плотности Es = 50 Дж/см2 (в, г). Белой стрелкой указана поверхность облучения, желтыми — участки квазихрупкого разрушения.
Автор: Рыгина М.Е.

Подробнее о снимках:
а и б — в литом силумине микротрещины зарождаются и распространяются вдоль границ раздела зерен алюминия и включений второй фазы.
в — модифицированный поверхностный слой, возникший в результате облучения, имеет субмикроразмерную структуру, диаметр ямок  излома колеблется в диапазоне 300–500 нм. Участки квазихрупкого разрушения (желтые стрелки) возникли в результате облученных образцов не растворившихся включений кремния.

Вывод

Режим облучения  Es = 50 Дж/см2 в 2,5 раза повышает пластические свойства заэвтектического силумина без потери прочности. Причина — формирование 100–120 мкм поверхностного слоя субмикронанокристаллической многофазной структуры с кремнием глобулярной формы.

Подробнее читайте в научной работе номинанта премии Аксалит 2023.