Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ применяемых механизмов соединения различных металлов в одном изделии 7
1.1 Механическая связь 10
1.2 Металлическая связь 14
1.3 Паянное соединение 18
1.4 Выводы 21
2. Механическое соединение разнородных металлов в одном изделии 23
2.1. Постановка задачи по созданию надежного механического соединения разнородных металлов в одном изделии 23
2.2. Выбор материалов и практическое опробование способов формирования пористой поверхности на чугунных отливках 24
2.3. Практическая отработка способов формирования биметаллических отливок 29
2.4. Исследование механических и эксплуатационных свойств биметаллических отливок 37
2.4.1. Механические свойства 37
2.4.2. Испытания на жесткость 43
2.4.3. Исследования теплофизических свойств и тепловой работы при термоциклировании 46
2.5. Выводы 51
3. Формирование биметаллических изделий с образованием металлической связи 53
3.1. Постановка задачи 53
3.2. Моделирование тепловых процессов взаимодействия жидкого металла с армирующими элементами 56
3.3. Экспериментальное исследование закономерностей формирования металлического соединения 57
3.3.1. Выбор материалов для армирования и методика проведения экспериментов 57
3.3.2. Анализ результатов экспериментальных работ 61
3.4. Исследование механических и эксплуатационных свойств биметаллических отливок с металлической связью 69
3.4.1. Изучение закономерностей износа биметаллических образцов с различными видами соединений 69
3.5. Выводы 78
4. Соединение разнородных металлов в процессе литья с использованием промежуточных слоев 79
4.1. Постановка задачи по формированию соединения разнородных металлов в одном изделии с использованием промежуточных слоев 79
4.2. Выбор материалов и способа нанесения промежуточных слоев 81
4.4. Экспериментальное исследование закономерностей формирования соединения 84
4.4.1. Влияние температурных режимов на расплавление, растекание и смачивание твердой поверхности, формирование дефектов 84
4.4.2. Формирование биметаллического изделия при литье 92
4.5 Выводы 97
Заключение 99
Библиографический список 103
Приложения 111
- Выбор материалов и практическое опробование способов формирования пористой поверхности на чугунных отливках
- Исследования теплофизических свойств и тепловой работы при термоциклировании
- Выбор материалов для армирования и методика проведения экспериментов
- Влияние температурных режимов на расплавление, растекание и смачивание твердой поверхности, формирование дефектов
Введение к работе
Увеличение срока службы деталей машин, механизмов, инструмента, повышение их надежности, удлинение межремонтных интервалов являются актуальной проблемой современного машиностроения. Решение этих задач определяется, в частности, качественными и, зачастую, неоднозначными служебными характеристиками литых деталей, на долю которых приходится от 30 до 50% массы изготавливаемых машин.
Во многих случаях выход из строя частей, рабочих органов машин обусловлен локальным (поверхностным или объемным) изнашиванием поверхностей и объемов в местах интенсивного взаимодействия с сопрягаемой деталью или рабочей средой. При этом, при необходимости обеспечить большую поверхностную или объемную локальную прочность (твердость, а соответственно и износостойкость), как правило, требуется иметь пластичную матрицу или сердцевину для придания эксплуатационных свойств изделию в целом. Указанные противоречивые характеристики невозможно обеспечить использованием одного материала, поэтому целесообразно в одном изделии сочетать уникальные свойства различных сплавов, что, применительно к литейному производству, достигается путем локального упрочнения - поверхностного, объемного упрочнения путем армирования.
Для повышения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей или локальных объемов металлургическими методами широко используются различные технологии: наплавка, химико-термическая обработка, напыление и др. Однако, во всех случаях требуется создание дополнительного металлургического передела с соответствующими затратами материальных средств, привлечением дополнительной рабочей силы и специалистов данной квалификации.
Литейные методы дают возможность, не используя дополнительных технологий, придавать локальным зонам отливки особые специальные свойства непосредственно в процессе литья. Для этих целей на поверхность литейной формы наносят обмазки или в полость формы устанавливают пористые, монолитные элементы из сплавов, имеющих характеристики, отличные от таковых матричного сплава (например, повышенная износостойкость), которые после заливки металла образуют биметаллическое
5 (армированное) изделие. При формировании указанных отливок между матричным металлом и армирующими элементами происходит теплофизическое и физико-химическое взаимодействие определяющее, в конечном итоге, как физико-механические свойства отдельных зон отливки, так и характеристики изделия в целом.
Преимущества литейных методов придания специальных свойств деталям машин, механизмов, инструменту в том, что они не требуют специального оборудования, не удлиняют цикл изготовления и могут быть осуществлены специалистами-литейщиками без привлечения специалистов других металлургических профессий.
В настоящее время накоплен значительный практический опыт получения отливок, состоящих из двух и более сплавов, многими исследователями изучались закономерности взаимодействия расплавленного металла с поверхностью армирующих элементов, разработано достаточное количество практических рекомендаций, направленных на улучшение качества соединения различных по свойствам сплавов в одном изделии. Однако, несмотря на очевидные преимущества и перспективу использования армированных и биметаллических отливок, их изготовление и применение не находит широкого применения.
Это связано, в первую очередь, с недостаточным исследованием общих закономерностей формирования указанных литых изделий. При конструировании и разработке технологии изготовления армированной отливки приходится сталкиваться со сложным и не всегда обоснованным выбором характера соединения армирующих элементов с матричным металлом в зависимости от условий эксплуатации. Возникают трудности при задании технологических параметров армирования (соотношение толщин вставок и основного металла, температур подогрева вставок и заливки металла и т. п.) для обеспечения необходимого качества соединения и свойств изделия в целом. Всегда оставляет сомнения вопрос выбора схемы армирования в зависимости от условий эксплуатации и целесообразности проводимых мероприятий с учетом ожидаемого эффекта повышения служебных характеристик отливки.
Основные задачи исследования:
На основании анализа возможных механизмов формирования соединения армирующих элементов теоретически обосновать и практически исследовать технологические закономерности образования различных по характеру связей между вставками и заливаемым металлом.
Установить теплофизические и физико-химические закономерности формирования механической, металлической и паянной связи в биметаллическом изделии.
Исследовать возможности повышения качества (прочности, глубины подплавления вставок, степени армирования) соединений различного характера с целью достижения максимального эффекта.
Путем практических экспериментов оценить эффективность различных схем армирования, видов соединений во взаимосвязи с условиями эксплуатации конкретных изделий.
К защите выносятся: закономерности взаимодействия металлического расплава с армирующими элементами при формировании механической, металлической и паянной связи; влияние технологических параметров литья, теплофизических свойств сплавов рассматриваемой системы на механизм образования связи, условия образования характерных дефектов; количественные соотношения между толщинами армирующих элементов и основным металлом (отливкой), обеспечивающие получение качественных отливок при различных видах соединений с различной степенью армирования; результаты исследований по получению соединения с механической связью за счет формирования переходного слоя с пористостью на поверхности железоуглеродистых заготовок; рекомендации по конструированию армированных отливок на основании результатов практических исследований по опробованию различных схем упрочнения в зависимости от условий эксплуатации.
Выбор материалов и практическое опробование способов формирования пористой поверхности на чугунных отливках
Для формирования вкладышей крупных тяжелонагруженных подшипников применяют оловянно-фосфористые бронзы БрОФ5,5-0,3, БрОФ8-0,4, БрОФС6-0,4-16.Вопросы адгезии, смачивания, процессы пайки и металлизации твердых материалов детально рассмотрены в работе [34].
В работах [35 - 37] также, для предотвращения окисления, заливку промежуточного легкоплавкого сплава в зазор между вставкой и литейной формой предлагается осуществлять в вакууме или в защитной атмосфере. В практических исследованиях [38] для защиты армирующих элементов предложено использовать буру или борную кислоту.
В качестве легкоплавкого промежуточного сплава для указанных целей в работах [37, 39, 40] была использована медь и сплавы на ее основе, а также сплавы системы Ni - Р, Ni - В, что, по мнению авторов, обеспечивало качественное соединение припоя со сплавляемыми частями и высокую прочность паяного шва. В исследованиях [6] для получения связи между заливаемым металлом и установленной в форму вставкой использовали омеднение последней. Однако, авторы отмечают, что к заметному улучшению качества соединения это не привело. Можно предположить, что использованные в работе высокие температуры заливки Тзал = 1550-1580С при небольших геометрических размерах армирующей вставки привели к расплавлению и размыву промежуточного слоя меди залитым металлом.
В качестве промежуточных сплавов в обзоре [44] рекомендуется техническая медь марок МО, Ml, М2, при этом отмечается, что она в жидком состоянии хорошо смачивает поверхность чугунных и стальных заготовок, затекает в мельчайшие зазоры, дает прочные и пластичные паяные соединения. Здесь же указывается, что традиционные медные припои с высоким содержанием фосфора (4-11%) типа МФ1, МФ2, ПМФ7, ПМФ9 хотя и обладают более низкой температурой плавления, лучше смачивают стальные и чугунные поверхности и имеют более высокую жидкотекучесть, могут быть использованы с большими ограничениями из-за образования хрупких фосфидов железа в зоне паянного шва. Последнее приводит к тому, что полученные соединения не выдерживают ударных, вибрационных и изгибающих нагрузок, а в случае формирования связи непосредственно в литейной форме - значительных нагрузок, появляющихся в результате усадочных процессов и связанных с различным термическим расширением соединяемых сплавов. Согласно [44, 46, 82] увеличение содержания никеля в меди улучшает смачивание стальных и чугунных поверхностей. Медно-никелевые сплавы обладают высокой прочностью и сопротивлением коррозии. Дополнительное введение марганца, кремния и алюминия повышает пластичность и уменьшает растворение указанными сплавами сталей и чугунов. Однако, повышение количества никеля в этих сплавах приводит к росту температуры плавления, и следовательно, сужает температурный интервал получения паяного соединения. В работе [64] для улучшения сцепления между твердой и жидкой фазой (а именно, система чугун - покрытие - сплав на основе алюминия) в качестве покрытий предложено использовать сплавы на основе никеля. Цель рассмотренной технологии - создание армированных отливок с высокой адгезионной связью. Химический состав и температуры плавления некоторых сплавов на основе меди, опробованных в рассмотренных работах в качестве промежуточных, приведены в приложении А. Нанесение слоя толщиной 1-1,5 мм на армирующую вставку можно осуществить следующими способами [6, 34, 36, 37, 41, 42]: 1. В виде краски или пасты из порошкообразного припоя (фракции 0,05-0,1 мм) со связующим. 2. Установкой монолитных профилированных пластин на поверхности вставки. 3. Созданием адгезионной пленки той же толщины путем окунания вставки в расплав промежуточного сплава. 4. Электролитическим способом. Использование двух последних способов требует существенных материальных затрат и установку в цехах дополнительного оборудования. При нанесении промежуточных слоев на поверхность вставок с помощью окунания в расплав (по аналогии с альфин-процессом), для избежания окисления предлагается создавать защитную атмосферу [35 - 37]. Однако при этом существует опасность, что при долговременном контакте вставки с расплавом встречная диффузия компонентов промежуточного сплава и заготовки, особенно по границам зерен, приведет к отрицательным изменениям прочности соединения [43,44,46]. Получение соединения залитого металла со вставкой с помощью установки на ее поверхность .пластин промежуточного сплава не требует существенного усложнения технологии литья. Однако возникает необходимость профилирования пластин и нанесение или засыпка флюса в зазор между вставкой и пластиной. Существуют определенные трудности при установке пластин в литейную форму. Усложняется контроль количества вводимого в контактный зазор флюса. Предполагаемое в работе [41] количество засыпаемого в зазор флюса должно привести к повышенному загрязнению зоны соединения неметаллическими включениями.
К сожалению, в литературных источниках по получению паянных соединений непосредственно в процессе литья нет систематизированных сведений об оптимальных толщинах промежуточных слоев, влиянию флюсов на образование дефектов (особенно газовых и неметаллических включений) в зоне соединения, влиянию температурных режимов и соотношению толщин армирующих элементов и отливки на получение качественного соединения с применением промежуточных легкоплавких сплавов. Так, в работе [36] отмечается, что нагрев зоны пайки не должен быть "слишком высоким", чтобы процессы диффузии не изменили составы граничных слоев соединяемых сплавов и не понизили их прочностные характеристики.
Исследования теплофизических свойств и тепловой работы при термоциклировании
Для ряда изделий, в частности цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тепловых труб и т. д., одним из показателей работоспособности является интенсивность отвода тепла из рабочей зоны. Одной из причин отказа двигателей воздушного охлаждения может быть его перегрев вследствие недостаточного отвода тепла из-за низкой теплопроводности материала и неудовлетворительного качества литой поверхности охлаждающих ребер, от которых за счет обдува воздухом отбирается тепло. Поэтому необходимо знать влияние характера соединения разнородных металлов на процесс теплопередачи.
В работе проведены сравнительные испытания на теплопроводность: - опытных биметаллических с соединением алюминиевой рубашки с чугунной гильзой за счет пористости на поверхности последней, получаемых литьем под давлением; - серийных биметаллических с соединением алюминиевой рубашки с чугунной гильзой с использованием алфин-процесса, т. е. предварительным погружением гильзы в алюминиевый расплав и последующей заливкой оребрения под давлением; - серийных цельнолитых чугунных цилиндров, получаемых свободной заливкой в оболочковые формы. Образцы для проведения испытаний размером 40x40x5 мм вырезались из реальных изготовленных в промышленных условиях изделий. Проведены исследования стойкости соединения металлов в условиях термоциклирования. С этой целью указанные образцы подвергали 50-кратному нагреву до температуры 150С с охлаждением на воздухе. Таким образом, делалась попытка имитировать условия работы цилиндров с воздушным охлаждением. Методика проведения экспериментов по измерению теплопроводности предусматривает следующее. Измерение теплопроводности производится в стационарных условиях. Метод измерения основан на равенстве количества тепла, проходящего через испытываемый образец (биметаллическая, цельнометаллическая пластина) и эталон при идентичности геометрических размеров образцов в направлении прохождения тепла. Экспериментальная установка состоит из нагревателя (4), расположенного под плитой из меди (3). На плоскость плиты помещается испытываемый материал (1) в виде квадратного образца со стороной 40 мм и толщиной 5 мм. Сверху на испытываемый образец укладывается медная прокладка (7). Медь имеет высокую теплопроводность (более 350 Вт/м К), поэтому погрешность определения температуры контакта между испытываемым образцом и эталоном незначительна. На медную прокладку устанавливается эталонный образец (2). Эталон представляет собой квадрат со стороной 40 мм и толщиной 4 мм, изготовленный из кварцевого стекла марки КВ. Коэффициент теплопроводности материала эталона известен. Для снижения погрешности измерения эксперименты проводились с использованием эталонов, изготовленных из различных материалов. На эталон устанавливается массивная плита - калориметр (9), изгот овленный также из меди. Ввиду большой массы калориметра, а, следовательно, значительной общей теплоемкости, его температура постоянна и равна температуре окружающей среды. Для улучшения теплового контакта на контактирующие поверхности наносили графитовый порошок. Для снижения потерь тепла от боковых поверхностей составляющих системы и исключения передачи тепла от нижней медной плиты на калориметр конвекцией и излучением применяются защитные плиты (5), изготовленные из теплоизолирующего материала.
Горячие спаи термопар (6) устанавливаются в плите нагревателя, медной прокладке и калориметре, на минимальном расстоянии от плоскостей контакта. Показания термопар фиксируются на потенциометре (8).
Эксперимент начинается с включения нагревательного элемента. По достижении необходимой температуры образца делается пробный замер. Пробные замеры продолжаются до тех пор, пока показания термопар не станут постоянными, что соответствует установлению стационарного теплового режима. После этого фиксируют показания трех термопар.
Таким образом, вследствие разности температур между нагревателем и калориметром фиксируется тепловой поток, проходящий через систему нагреватель - образец - прокладка - эталон - калориметр.
Выбор материалов для армирования и методика проведения экспериментов
Как отмечалось выше, одними из основных факторов, определяющих свойства биметаллического изделия в целом, являются механизм и вид соединения армирующих элементов с матричным металлом.
Во многих случаях формирование чисто механической связи, т. е. контакта, образуемого за счет усадочных процессов, не устраивает. Во-первых, механическое защемление просто нарушает целостность изделия, снижая его прочностные характеристики. Во-вторых, многочисленные практические испытания биметаллических изделий, в том числе проведенные в данной работе, показали, что под действием определенных ударных нагрузок, твердые, а соответственно и хрупкие вставки, никак не связанные со стальной матрицей, растрескиваются и выкрашиваются как раз в первую очередь по границам (края вставок). Результаты исследований закономерностей износа биметаллических образцов показали, что и пластичная стальная основа при этом соединении изнашивается существенно быстрее за счет срезания пограничных слоев, прилегающих к армирующим вставкам (раздел 3.4 настоящей работы).
Не всегда устраивает и получение биметаллических отливок с надежной металлической связью. В разделе 3 данной работы показано, что степень армирования Вс (отношение площади армирующих элементов к суммарной площади рабочей поверхности изделия), обеспечивающая подплавление вставок на заданную глубину и качественное сваривание с матричным металлом, невелика и поэтому может не обеспечивать достижения желаемых эксплуатационных характеристик.
Дальнейшее развитие идеи создания металлической связи между армирующими элементами и матричным металлом при увеличении площади (объема) армирования может быть достигнуто за счет соединение разнородных металлов в одном изделии с применением специальных промежуточных слоев из легкоплавких сплавов непосредственно в процессе литья. При этом происходит процесс, аналогичный традиционной пайке, но с использованием теплоты заливаемого расплава. Связь между армирующими элементами и основным металлом формируется в результате образования между ними шва из однородной по составу прослойки, которая, в свою очередь, формируется при взаимодействии с соединяемыми частями и последующей кристаллизацией расплава в зазоре (этап 2, рис. 1). Очевидно, что в зависимости от физико-химических, геометрических условий и тепловых режимов формирования связи, а также физико-химических свойств материалов системы, соединение может иметь различное качество и строение. Процесс взаимодействия может завершаться как на ранней стадии (полное отсутствие плавления промежуточного сплава), так и на последующих, более глубоких стадиях развития процессов взаимодействия соединяемых частей и промежуточного сплава в зоне соединения.
В соответствии с вышесказанным могут меняться состав и структура составляющих системы [43, 44, 51]. Если процесс прекращается на стадии образования физико-химических связей, когда взаимной диффузией компонентов системы можно пренебречь, то получается бездиффузионный спай. Применительно к рассматриваемым литейным процессам, необходимо обеспечить намерзание заливаемого матричного металла на поверхность армирующих вставок с одновременным прогревом вставок, с нанесенным на их поверхность промежуточным легкоплавким сплавом, плавление последнего за счет теплоты залитого металла, физико-химическое взаимодействие (смачивание) расплава припоя с твердыми поверхностями основного и армирующего металла и последующее охлаждение с кристаллизацией и формированием структуры паянного соединения.
Исходя из рекомендаций [43], при снижение температуры и времени контакта расплав - твердая поверхность при формировании спая интенсивность взаимодействия уменьшается, возможно образование химических связей при отсутствии диффузии (или малой переходной зоне) в объемы взаимодействующих материалов. Если провести сравнение с традиционными способами пайки [43, 51], то в литейной форме, для рассматриваемого случая, происходит контактно-реактивная пайка, при которой, подбирая толщину промежуточного слоя и температурные параметры процесса (температуру заливки, предварительного подогрева армирующих элементов, соотношение толщин элементов и матричного металла, определяющего скорость нагрева и охлаждения) можно контролировать скорость образования и количество жидкой фазы, участвующей в образовании химического (металлического) соединения, уменьшать развитие диффузионных процессов. Осуществление соединения непосредственно в литейной форме с предварительным нанесением на поверхность заготовки промежуточного сплава в виде краски или пасты технологически не сложно и не приводит к существенным изменениям принятых технологических процессов. Некоторые практические рекомендации, исследования и примеры практического использования рассмотрены в гл. 1. настоящей работы. При подборе материалов для соединения армирующих заготовок с основным металлом отливки учитывали, что паянное соединение должно достаточно хорошо противостоять эксплуатационным нагрузкам, в частности, истирающим и ударным нагрузкам, т. е. обладать удовлетворительными прочностными и пластичными свойствами. Кроме того, промежуточные легкоплавкие сплавы должны иметь оптимальную температуру плавления: ниже таковой, используемых для соединения сплавов.
Влияние температурных режимов на расплавление, растекание и смачивание твердой поверхности, формирование дефектов
Таким образом, серии опытных заливок практически подтвердили возможность получения биметаллических отливок с формированием соединения при помощи использования легкоплавких промежуточных сплавов. Эксперименты позволили подобрать технологические режимы (температурные интервалы и геометрические соотношения составляющих отливки) получения отливок. Следует отметить, что при использовании данной технологии особое внимание необходимо обратить на гидродинамические условия заполнения литейной формы. В ряде опытных заливок при подводе расплава в форму таким способом, что струя металла при выходе из питателя омывала покрытые легкоплавким сплавом элементы, наблюдался размыв (смыв) промежуточного сплава.
Исходя из вышесказанного, при разработке технологического процесса изготовления конкретной отливки следует стремиться к такому способу подвода металла и в такое место, чтобы избежать прямого удара струи в армирующие элементы, в частности, в данной работе использовали подвод металла снизу (сифонная заливка) или сверху через дождевую литниковую систему. 1. Из полученных экспериментальных данных установлены предельно возможные соотношения между геометрическими параметрами армирующих элементов и отливки, необходимые для образования металлической связи при упрочнении в литейной форме. Практические исследования показали определенные трудности при формировании биметаллического изделия, связанные с узкими температурными интервалами технологического процесса, жесткими геометрическими соотношениями в системе вставка - отливка, что не всегда позволяет достигать желаемых результатов с точки зрения улучшения служебных характеристик изделия в целом. Показано, что с использованием промежуточных легкоплавких сплавов возможно дальнейшее увеличение относительной площади армирования (объема), позволяющее в более полной мере использовать преимущества биметаллических отливок. 2. На основании анализа существующих работ сделан подбор материалов для промежуточных легкоплавких слоев: сплавов, флюсов, связующих, обеспечивающих соединение матричного сплава с армирующим через промежуточный легкоплавкий металл. Практические эксперименты позволили оценить эффективность использования выбранных материалов, способов нанесения на армирующие элементы. В работе проведен практический анализ характерных дефектов, образующихся в зоне соединения материалов при осуществлении пайки непосредственно в литейной форме за счет тепла залитого металла. 3. Экспериментально установлены соотношения геометрических параметров армирующих элементов и отливки, обеспечивающих формирование качественной связи с использованием промежуточных легкоплавких сплавов. Проанализированы дефекты и условия их формирования, образующиеся при несоблюдении указанных технологических режимов. 1. Проведенный анализ работ, посвященных формированию биметаллических отливок, показал, что с разной степенью эффективности используются все разновидности формирования соединения материалов в процессе литья. Авторы, указывая недостатки того или иного способа соединения, решают, как правило, узкоспециализированные вопросы получения конкретного биметаллического изделия. Результаты проведенных исследований зачастую невозможно адаптировать для разработки технологии изготовления широкой номенклатуры литья. 2. В большинстве работ, уделяя основное внимание технологическим проблемам и режимам формирования отливок, не затрагиваются вопросы взаимосвязи технологических и конструктивных схем упрочнения с условиями эксплуатации, в частности, с преимущественным механизмом изнашивания и критериями, ограничивающими срок службы изделия. Из анализа рассмотренных исследований можно сделать вывод, что подбор материалов и технологическая схема армирования должны учитывать условия эксплуатации конкретного изделия с анализом механизма его разрушения (наличие ударных нагрузок, абразивный износ, его характер, наличие и интенсивность теплосмен и т. п.). При выборе способа упрочнения необходимо оценивать критерии, которые в конечном итоге, определяют срок службы конкретного изделия (допустимая глубина износа, объемное изнашивание, потеря эффективной работоспособности, межремонтные сроки и т. п.) Результаты опубликованных исследований убедительно показывают, что в зависимости от конкретных условий эксплуатации, требований, предъявляемым к литым изделиям, с высокой эффективностью могут реализовываться все указанные механизмы соединения армирующих элементов и матричного металла в биметаллической отливке.
