Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, цель и задачи исследований, 9
Анализ материалов, применяемых для получения покрытий при упрочнении и восстановлении деталей 9
Электроконтактная приварка как способ упрочнения и восстанов ления деталей 13
Современные представления о механизме образования соединения в твердой фазе 26
Цель и задачи исследований 31
Выводы 33
Общие методики исследований 34
Материалы и оборудование для проведения исследований 34
Определение качества электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов 39
Определение свойств шлифовальных отходов 64
Методика расчета распределения температур при электроконтактной приварке 66
Выводы 66
Разработка оптимального процесса электрокон тактной приварки при восстановлении и упрочнении деталей 68
Металлургические особенности формирования покрытия и соединения его с основой при электроконтактной приварке 68
Влияние параметров режима электроконтактной приварки на формирование покрытия из компактных металлических материалов и качество его соединения с основой 76
Влияние параметров режима электроконтактной приварки на формирование покрытия из порошковых металлических материалов и качество его соединения с основой 89
Влияние шероховатости поверхности детали на формирование соединения при электроконтактной приварке компактных и порошковых материалов 101
Влияние окружающей среды на формирование покрытия и соединение его с металлом основы при электроконтактной приварке 112
Влияние промежуточного слоя на формирование покрытия и качество соединения его с основой при электроконтактной приварке компактных материалов 119
3.7. Влияние предварительного деформирования привариваемого материала на пластичность и вязкость зоны соединения 128
3.8. Использование отходов шлифования шарикоподшипникового производства для получения покрытий электроконтактной приваркой 136
3.9. Выводы 160
4. Теоретические и металлургические предпосылки повышения эффективности процесса электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов 165
4.1. Расчетные исследования влияния параметров режима электроконтактной приварки на величину деформации компактного материала и качество его соединения с основным металлом 165
4.2. Исследование и разработка модели деформирования при электроконтактной приварке порошковых металлических материалов 171
4.3. Расчетно-экспериментальная оценка основных технологических параметров процесса электроконтактной приварки (тока, длительности его протекания и усилия на роликовые электроды) на прочность соединения покрытия с основой 182
4.4. Расчетная оценка остаточных напряжений в покрытии при электроконтактной приварке 189
4.5. Выводы 197
5. Разработка расчетной схемы, исследование и математический анализ влияния условий и па раметров режима процесса электроконтактной приварки на распределение поля температур, формирование структуры покрытия и качество его соединения с основным металлом 199
5.1. Расчетно-экспериментальные исследования распределения поля температур, скоростей охлаждения и структуры в зоне соединения при получении покрытий из металлических порошков 200
5.2. Расчетно-экспериментальные исследования распределения поля температур, скоростей охлаждения и структуры в зоне соединения при электроконтактной приварке металлической ленты 214
5.3. Выводы 228
6. Разработка практических рекомендаций 230
6.1. Разработка и модернизация оборудования для электроконтактной приварки 230
6.2. Выбор материала покрытия при восстановлении и упрочнении деталей электроконтактной приваркой 245
6.3. Технологические рекомендации электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов при упрочнении и восстановлении деталей 249
6.4. Промышленное опробование результатов работы 259
6.5. Экономическая эффективность использования оборудования и технологических рекомендаций 266
6.6. Выводы 267
Общие выводы 269
Список использованной литературы 272
Приложения 306
- Электроконтактная приварка как способ упрочнения и восстанов ления деталей
- Влияние параметров режима электроконтактной приварки на формирование покрытия из компактных металлических материалов и качество его соединения с основой
- Исследование и разработка модели деформирования при электроконтактной приварке порошковых металлических материалов
- Расчетно-экспериментальные исследования распределения поля температур, скоростей охлаждения и структуры в зоне соединения при электроконтактной приварке металлической ленты
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение качества восстановленных и упрочненных деталей, работающих в условиях знакопеременных циклических или ударных нагрузок, различного вида изнашивания (абразивного, адгезионного, коррозионного и т.п.) с использованием ресурсосберегающих технологий всегда было актуальной задачей. Одним из перспективных путей решения такой задачи является создание на рабочей поверхности детали слоя с повышенной твердостью, корро-зионно- и износостойкостью в сочетании с достаточно высокой пластичностью и вязкостью зоны соединения покрытия с основным металлом.
Одним из эффективных способов восстановления и упрочнения деталей является электроконтактная приварка (ЭКП), позволяющая повысить срок эксплуатации деталей при незначительных материальных и энергетических затратах в результате нанесения на рабочие поверхности деталей покрытия из компактных (металлическая лента или проволока) и порошковых материалов, а также их композиций. Практически все исследователи, занимающиеся вопросами электроконтактной приварки, сходятся во мнении, что процесс формирования покрытия и соединения его с основой осуществляется без расплавления соединяемых материалов, то есть в твердой фазе. При этом подавляющее большинство работ этих исследователей посвящено решению отдельных, конкретных задач по разработке технологии восстановления и упрочнения деталей ЭКП проволоки, ленты или порошковых материалов, в которых, как правило, отсутствуют сведения о механизме формирования покрытия и соединения его с поверхностью детали с позиций современных представлений о сварке без расплавления. Отсутствие таких сведений не позволяет решать вопросы управления качеством формируемого покрытия и детали в целом.
Цель и задачи работы
Целью работы является развитие основополагающих теоретических представлений о природе формирования структуры зоны соединения и самого покрытия при электроконтактной приварке компактных и порошковых материалов, совершенствование и разработка технологий, основанных на прогнозировании свойств восстанавливаемых и упрочняемых деталей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ современного состояния теории и практики восстановления и упрочнения деталей электроконтактной приваркой компактных и порошковых материалов;
разработка рекомендаций по выбору материала покрытия для восстановления и упрочнения деталей и создание теоретических и технологических предпосылок управления качеством (пластичностью) формируемой зоны соединения при электроконтактной приварке компактных и порошковых материалов с расчетно-экспериментальным подтверждением теоретических исследований;
изучение металлургических особенностей процесса электроконтактной приварки, разработка приемов и направлений, снижающих термическое воздействие процесса на основной металл при формировании необходимой структуры покрытия;
исследование и определение оптимальных условий и параметров режима для формирования покрытий и соединения их с основным металлом, разработка технологических рекомендаций для управления качеством формируемых соединений и покрытий при восстановлении и упрочнении деталей электроконтактной приваркой компактных и порошковых материалов;
решение тепловой задачи по определению закономерностей распределения температур в низко- и высокотемпературной областях, определение КПД нагрева изделий и коэффициента поверхностной теплоотдачи, разработка программного обеспечения для расчетов кинетики перераспределения температуры в зоне термического влияния основного металла и покрытии при воздействии термического цикла, проведение расчетов скоростей охлаждения и анализа структурных превращений, позволяющих оценить температуру начала и конца образования феррита, перлита и мартенсита, а также содержание отдельных структурных составляющих;
создание и модернизация оборудования, разработка технологических рекомендаций для электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов, их опробование в производстве и внедрение.
Научная новизна
1. Электроконтактная приварка осуществляется не за счёт расплавления основного и привариваемого металлов, а в результате их пластической деформации, происходящей при прохождении импульса тока 3 в течение длительности t„ и действия усилия Р сжатия электродов. При этом металл детали деформируется в тонком поверхностном слое, а присадочный металл деформируется в объёме на значительную величину. Совокупность управляемых параметров J, t„ и Р при ЭКП определяет температуру Т, величину е и интенсивность є пластической деформации детали и присадочного металла в зоне соединения. В зависимости от значений Т, є, є металлов в зоне соединения выявлены следующие закономерности:
- частичное или полное разрушение образовавшихся в зоне соединения
межатомных химических связей растягивающими напряжениями после пре
кращения действия уравновешивающих сжимающих напряжений. Такая си
туация возможна при относительно высоких значениях є и є и невысокой тем
пературе в зоне соединения, не обеспечивающей в процессе деформации ре
лаксации напряжений до некоторого критического уровня а , ниже которого
разрыва образующихся межатомных связей не происходит. Поэтому темпера
тура в зоне соединения в зависимости от значений є и є должна согласовы
ваться с релаксационными характеристиками соединяемых материалов. Для
этого длительность релаксации напряжений в зоне соединения до уровня а',
определяемая є, Т, є и механизмом релаксации, должна быть меньше длительности активации и схватывания всей контактной поверхности, определяемой є и физико-химическим состоянием контактных поверхностей (механической и термодинамической устойчивостью оксидных плёнок);
образование на отдельных участках или по всей площади контакта межатомных связей и релаксация напряжений в той степени, в какой это необходимо для сохранения образующихся связей. В этом случаи зона соединения представляет собой ориентированную вдоль плоскости контакта межзеренную (для однородных или близких по химическому составу металлов) или межфазную (для разнородных металлов) границу. Такие соединения могут иметь высокую прочность при статическом растяжении, но низкую пластичность и вязкость;
образование в зоне соединения общих зёрен (для однородных или близких по химическому составу металлов) или новых фаз (для разнородных металлов). При наличии в зоне соединения общих зёрен сварные соединения могут иметь высокую пластичность и вязкость. Свойства сварных соединений, содержащих новые фазы, будут определяться свойствами этих фаз. Таким образом, варьированием при ЭКП параметрами J, Р и t„ можно в широких пределах регулировать возможные проявления и полноту протекания релаксационных процессов на стадии объёмного взаимодействия между приваренным слоем металла и основной.
Разработана модель деформирования привариваемого материала, увязывающая рост прочности соединения покрытия с основным металлом и плотности покрытия с величиной деформации привариваемого материала и площадью контакта между формируемым покрытием и основным металлом, выполнена расчетно-экспериментальная оценка основных технологических параметров процесса электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов.
Разработаны расчетные схемы и математические модели, позволяющие рассчитывать и прогнозировать распределение температуры, скорости охлаждения, структурных составляющих в покрытии и зоне термического влияния при восстановлении и упрочнении деталей ЭКП компактных и порошковых материалов с погрешностью не более 4..12%.
Изучены основные свойства отходов (шлама) шлифования колец подшипников качения, изготовленных из стали ШХ15. Шлам ШХ15 представляет собой конгломерат из прочно сцепленных между собой микростружек различной формы длиной 40...114 мкм, шириной 10...25 мкм и толщиной 0,6...1,2 мкм, имеет низкую плотность, которая в 68...86 раза ниже плотности стали ШХ15, обладает удовлетворительной прессуемостью и спекаемостью. Показана возможность использования шлама ШХ15 для получения покрытий без дополнительной переработки. Предложен и защищен патентом Российской Федерации (патент РФ № 2112634) способ упрочнения режущей кромки изделия, позволяющий использовать шлам ШХ15 для упрочнения и восстановления деталей;
Предложен способ получения покрытий из компактных материалов через промежуточный слой из порошкового материала без его расплавления, снижающий на 53...55% уровень остаточных напряжений в покрытии, возникающих в результате термомеханического воздействия процесса ЭКП на привариваемый металл.
Разработаны методики механических испытаний соединения покрытия с основным металлом (на срез кольцевого валика, единичных площадок, фиксированных площадок, сопротивление ударному срезу) и определения остаточных напряжений в покрытии без его разрушения.
Практическая значимость
В результате выполненных исследований разработаны технологические решения по повышению качества восстановленных и упрочненных деталей за счет рационального выбора материалов, получения оптимальных структур в зоне соединения покрытий с деталью, в самих покрытиях и модернизации оборудования в том числе:
разработаны технологические рекомендации, позволяющие управлять качеством зоны соединения покрытия с деталью и самого покрытия при восстановлении и упрочнении цилиндрических деталей диаметром 20-250 мм, режущих рабочих органов почво- и пищеперерабатывающих машин, а также типовые технологические процессы восстановления и упрочнения деталей машин типа "вал", ножей куттеров для переработки мяса в фарш, плунжеров гомогенизаторов для переработки молока, дисковых рабочих органов сельхозмашин электроконтактной приваркой компактных и порошковых материалов;
создана и внедрена в производство двухроликовая установка УКН-11 для восстановления и упрочнения деталей диаметром 20-100 мм электроконтактной приваркой металлической проволоки;
разработаны и внедрены новые типы сварочных головок: сварочная (наплавочная) головка с повышенной жесткостью конструкции (патент РФ №34424) для восстановления и упрочнения цилиндрических деталей диаметром 20...250 мм электроконтактной приваркой компактных и порошковых материалов; головка для электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов, в которой для упрощения ее конструкции токоподводы к роликовым электродам выполнены в виде спиралей Архимеда (авт. свид. СССР №677848); головка для электроконтактной приварки порошкового материала, обеспечивающая его равномерную подачу в зону сварки без потерь и получение стабильной толщины покрытия за счет роликового электрода, расположенного под углом 45-80 относительно оси базового станка установки; головка электроконтактной приварки проволоки для восстановления шеек коленчатых валов (авт. свид. СССР №625868), обеспечивающая повышение качество восстановления шеек в результате перемещения привариваемой проволоки вдоль образующей роликового электрода; поворотное устройство для электроконтактной приварки компактных и порошковых материалов к плоским деталям.
- оборудование и технология электроконтактной приварки внедрены на Московском вагоноремонтном заводе им. Войтовича для восстановления валов роторов генераторов, моторов обдува конденсатора, моторов принудительной вентиляции и моторов холодильника вагонов "Микст" и МАБ; на Московском металлургическом заводе "Серп и молот" для восстановления цилиндрических деталей металлургического оборудования; на заводах производственного судоремонтного объединения "Запремрыбфлот" (г. Клайпеда) для восстановления деталей судовых механизмов; в ЗАО "Гидропривод" (г. Коре-новск Краснодарского края) для восстановления золотников гидрораспределителей тракторов и экскаваторов; в ЗАО "Ярославское ремонтно-техническое предприятие" (г. Ярославль) для восстановления цилиндрических деталей автотракторной техники, в том числе коренных и шатунных шеек коленчатых валов двигателей А-01, КАМАЗ-740, СМД-60, А-41 и др.; на Дальневосточном заводе "Звезда" (г. Владивосток) для восстановления опорных шеек распределительных валов судовых двигателей; в ЗАО "Строймеханизация 900" (г. Москва), в ООО "Русинтехмотор" (г. Москва) и 000 "Дизельремтехник" (г. Москва) для восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей семейства RABA-MAN, СМД-60, А-50 и А-41.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на международных, всесоюзных, российских, региональных, и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах: "Повышение производительности и качества наплавочных работ при ремонте и изготовлении деталей машин и механизмов", Москва, МДНТП, 1977 г.; "Передовые методы сварки и наплавки в судостроении", г. Клайпеда, 1979 г.; "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий", г. Запорожье, 1980 г.; "Конференция, посвященная 50-летию подготовки инженеров-сварщиков", г. Владивосток, 1980 г.; "Теоретические основы наплавки. Наплавка в машиностроении и ремонте", г. Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1981 г.; "Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г. Москвы", г. Москва, МДНТП, май 1982 г. и сентябрь 1982 г.; "II Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов", г. Ташкент, 1982 г.; ежегодные научно-технические конференции Московского вечернего металлургического института, 1976-1988 гг.; "Машиностроению - прогрессивную технологию и высокое качество деталей", г. Тольятти, 1983 г.; "Всесоюзная конференция по сварке в судостроении и судоремонте", г. Владивосток, 1983 г.; "Актуальные проблемы сварки цветных металлов", г. Киев, 1985 г.; "Прогрессивная технология, механизация и автоматизация сварочного производства", г. Свердловск, 1986 г.; "Современные методы ведения сельскохозяйственного производства", г. Калинин, 1988 г.; "Достижения и перспективы развития сварочного производства", г. Москва, МДНТП, 1988 г.; "Сварка и пайка в производстве аппаратуры и приборов", г. Пенза, 1992 г.; "Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях и в организациях",
г. Москва, 1993 г.; "Современные технологии восстановления и упрочнения деталей - эффективный способ повышения надежности машин", г. Москва, 1996 г.; "Восстановление и упрочнение деталей - современный эффективный способ повышения надежности машин", г. Москва, 1997 г.; "International Conference. Welding. Technologies, equipment, materials. MET-97", Riga, 1997 г.; "Восстановление и упрочнение деталей - современный высокоэффективный способ повышения надёжности машин", г. Москва, 1998 г.; "Технологии ремонта машин и механизмов. Ремонт-98", г. Киев, 1998 г.; "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин", г. Новополоцк, 1999 г.; "The 3rd International Conference. Welding. Technologies, equipment, materials, related technologies. MET -99", Riga, 1999 г.; "Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей", г. Москва, 1999 г.; "Сварка и родственные технологии в современном мире", г. Санкт-Петербург, 2002 г.; "Восстановление и упрочнение деталей -современный высокоэффективный способ повышения надежности машин", г. Москва, 2003 г.; "Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин и восстановления деталей", г. Москва, 2003 г.; "Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем", г. Саранск, 2004 г.; "Упрочнение, восстановление и ремонт на рубеже веков", г. Новополоцк, 2005 г.
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 52 статьях в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК России для публикаций материалов, содержащихся в докторских диссертациях.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 323 страницах текста (с приложениями), содержит 18 таблиц, 131 рисунок к состоит из введения, шести глав, основных выводов, 17 приложений (на 17 страницах), списка литературы из 336 источников.
Электроконтактная приварка как способ упрочнения и восстанов ления деталей
Электроконтактная приварка является эффективным способом получения на рабочих поверхностях деталей машин и механизмов слоев с необходимыми эксплуатационными свойствами. Отличием ЭКП от электродуговых способов [34-41] является то, что она осуществляется в твердой фазе за счет деформирования присадочного материала и поверхностного слоя металла детали, нагретых методом электросопротивления до пластичного состояния. Процесс приварки состоит из электромеханических циклов, включающих прижатие присадочного материала к поверхности детали и нагрев ее и поверхностного слоя детали короткими импульсами тока (0,02-0,1 с) большой величины (до 20 кА). В результате действия одного такого цикла на поверхность детали приваривается единичная площадка. Сплошной слой металла на поверхности детали образуют в результате приварки единичных площадок с перекрытием соседних. Основными технологическими параметрами режим ЭКП, определяющими качество получаемого покрытия и соединения его с основой, являются: ток J, длительность импульса тока и и усилие Р, прикладываемое к электроду. Соединение приваренного слоя с основой, равнопрочное основному металлу, при ЭКП может быть получено при различных сочетаниях технологических параметров (J, Р и Ы). Для выбора оптимального сочетания технологических параметров необходимо иметь чёткое представление об особенностях формирования покрытия и соединения его с основой. Практически все исследователи [12-16,42-81], занимающиеся вопросами ЭКП, сходятся во мнении, что процесс формирования покрытия и соединения его с основой осуществляется без расплавления соединяемых материалов, то есть в твердой фазе. Однако подавляющее большинство работ этих исследователей посвящено решению узких, конкретных задач по разработке технологии восстановления и упрочнения деталей ЭКП проволоки, ленты или порошковых материалов, в которых, практически, отсутствуют сведения о механизме формирования покрытия и соединения его с поверхностью детали.
Авторы работ [34, 42-61] изучали влияние параметров режима ЭКП проволок или металлических лент различного химического состава на стальные и чугунные детали, исследовали взаимосвязи регулируемых факторов процесса ЭКП и их влияние на прочностные характеристики соединения покрытия с основой и на физико-механические свойства самого покрытия. В частности, автор [42] при исследовании процесса ЭКП ленты применительно к восстановлению и упрочнению ботворежущих ножей комбайна и подрезчика корневищ хмеля, противорежущих пластин и тонколезвийных ножей картофелеуборочного комбайна и других деталей изучал влияние конструктивно-технологических факторов процесса на протекание термомеханических явлений в зоне сварки, за обобщающие показатели которых были приняты длина привариваемой ленты, площадки ее контакта с деталью и величина пластической деформации соединяемых материалов, обеспечивающих достижение высокой прочности соединения покрытия с деталью, и установил взаимосвязь между прочностью соединения и основными технологическими параметрами режима ЭКП.
Авторы [50-51] основное внимание уделили разработке оптимальных режимов ЭКП проволоки применительно к восстановлению автотракторных деталей и деталей сельхозмашин, изучению физико-механических свойств получаемого покрытия и восстановленной детали без рассмотрения механизма формирования покрытия и соединения его с основным металлом. Авторы работ [52-53] при исследовании возможности восстановления коленчатых валов, изготовленных из высокопрочного чугуна, электроконтактной приваркой пружинной проволоки при оптимальном сочетании параметров режима установили отсутствие в зоне соединения приваренного металла с основным общего литого ядра что, по их мнению, приводит к повышению физико-механических свойств покрытия и восстановленной детали. Например, повышению износостойкости покрытия за счет получения мелкозернистой структуры мартенсита, уменьшению протяженности зоны термического влияния, повышению циклической прочности и ударной вязкости зоны соединения в результате снижения термического воздействия на деталь в сравнении с вибродуговой наплавкой.
Авторы [54-61] решали задачи по разработке технологии восстановления изношенных шеек цилиндрических деталей тракторов и других сельскохозяйственных машин [54], опорных шеек блоков цилиндров тракторных двигателей СМД-14 и СМД-60 [55], поверхностей валиков водяных насосов двигателя трактора МТЗ-80, ДТ-75 и автомобиля ГАЗ-53 [56] ЭКП стальной ленты, валов роторов генераторов электрических машин и других цилиндрических деталей [57-61] ЭКП проволоки. При проведении исследований авторы этих работ определяли режимы ЭКП (силу тока J, длительность его протекания t„, усилие сжатия электродов Р), устанавливали их взаимосвязь и влияние на свойства покрытия и прочность его соединения с деталью.
Влияние параметров режима электроконтактной приварки на формирование покрытия из компактных металлических материалов и качество его соединения с основой
При исследовании влияния основных технологических параметров (тока J, усилия сжатия электродов Р и длительности импульса тока t„) установлено, что в области исследованных значений параметров ЭКП при каждом конкретном усилии существуют такие минимальные значения J и tH, при которых можно получить соединение, обладающее реальной прочностью [161, 163-171]. Причем при одинаковых значениях J для образования соединения при меньших усилиях требуется меньшая tH. Результаты экспериментальных исследований можно объяснить следующим образом. Давление на присадочный материал определяет величину контактного электросопротивления. Величина тока в импульсе (при неизменном контактном электросопротивлении) определяет количество теплоты, выделяемой в зоне контакта. Малое давление, и, следовательно, высокое значение электросопротивления при одинаковом значении тока обеспечивает большее выделение теплоты в зоне контакта. Поэтому при меньших давлениях образование соединения происходит при меньшей длительности протекания тока, а при больших давлениях требуется большая длительность импульса тока. Следует отметить, что при малых значениях усилия сжатия электродов образование соединения, обладающего реальными значениями прочности, осуществляется практически при всех исследованных значениях J. При этом увеличение tH приводит к повышению прочности соединения. Однако даже при максимальной tH прочность соединения, полученного при малых значениях J, недостаточно высока. Прочность соединения приваренного слоя с основой при всех исследованных значениях прикладываемого усилия растет при увеличении J. Однако для некоторых сочетаний металлов при больших импульсах тока и малых усилиях сжатия наблюдаются незначительные выплески перегретого металла из зоны сварки, снижающие качество приваренного металла. Это обстоятельство должно учитываться при назначении оптимальных параметров режима ЭКП.
Кроме того, установлено, что с увеличением J и tH прочность соединения не только увеличивается, но и достигает значений, соизмеримых с прочностью одного из соединяемых металлов. При этом разрушение образцов происходит не по зоне соединения, а по основному или приваренному металлу.
На основе проведенного анализа прочности соединений в зависимости от основных параметров ЭКП можно сделать заключение о том, что для каждого конкретного сочетания металлов существует область режимов, в которой обеспечивается получение соединения, равнопрочного основному или приваренному металлу. При этом разрушение образцов происходит не по зоне соединения, а по основному или приваренному металлу.
Металлографические исследования соединений, полученных при оптимальных параметрах режима, показали, что в переходной зоне от приваренного слоя к основе дефектов типа пор, трещин и несплошностей не наблюдается (рис. 3.1). Форма сечения приваренного металла свидетельствует о преимущественном нагреве и деформации присадочного материала и приповерхностного слоя детали.
Микроструктура зоны соединения образцов, полученных при оптимальных параметрах режима: д - проволока Св-08 - сталь ЗОХГСА; е - проволока из стали 65Г - чугун СЧ15; ж - проволока из бронзы БрКМцЗ-1 - чугун СЧ15; з - проволока из стали Р18 - сталь 45; лента из стали 50ХФА - чугун СЧ15 (х450)
Зона соединения образцов, полученных при оптимальных параметрах режима ЭКП для металлов с однородным или близким к нему химическим составом (рис. 3.1, а, г, д, е, з, и), представляет собой ориентированную в плоскости контакта межзеренную границу. При этом имеются участки, на которых граница раздела начинает мигрировать. Здесь просматриваются общие для соединяемых металлов зерна, что свидетельствует о принципиальной возможности получения соединения без ориентированной в плоскости контакта границы раздела. Зона соединения металлов, существенно различающихся между собой по химическому составу, имеет промежуточный слой, который образуется вследствие диффузионных процессов (рис. 3.1, б, в, ж). Ширина этого слоя незначительна ( 1 мкм), что можно объяснить ограниченной возможностью развития диффузионных процессов ввиду кратковременности периода ЭКП.
Данные металлографических исследований зоны соединения находятся в соответствии с результатами микрорентгеноспектрального анализа (рис. 3.2.), проведенного с помощью специальной приставки к электронному микроскопу Stereoskan С4-10. Полученные результаты показали, что в зоне соединения диффузия элементов, входящих в состав соединяемых металлов практически отсутствует или очень незначительна.
Исследование и разработка модели деформирования при электроконтактной приварке порошковых металлических материалов
Для определения зависимости между величиной деформации [189, 270] и плотностью покрытия рассмотрена плоская задача деформирования по рошкового слоя, рис. 4.5. При этом считали, что уплотнение слоя происходит в жесткой обойме, то есть без выдавливания порошка из зоны соединения. В прямоугольном сечении порошкового слоя высотой h0 и шириной b выделим участки 1о и lk=b, где 1о - исходная относительная плотность порошкового слоя, a Ik - относительная плотность сформированного покрытия, равная от носительной плотности компактного материала. Соединив концы выделен ных участков, получим вписанную в прямоугольное сечение равнобедрен ную трапецию той же высоты ho. Далее разобьем сечение порошкового слоя на К участков равной высоты X. При этом будем считать, что плотность по рошкового слоя по высоте X внутри каждого участка будет одинаковой и Равной: # J+1 Зависимость прочности соединения покрытия с основой и глуби ны зоны термического влияния от величины деформации сталь ной ленты при ЭКП через промежуточный слой из порошка ПГ-СР2: а - прочность соединения покрытия с основой; о - глу бина зоны термического влияния; расчетные; экспери ментальные Зависимость относительной площади контакта F от силы тока и времени его протекания Деформационная модель порошкового слоя из шлама ШХ15 В соответствии с этим каждый участок внутри трапеции заменим прямоугольником высотой X и шириной ІД тем самым, выделив твердую фазу материала порошка в каждом слое. Рассмотрим последовательную деформацию прямоугольников. 1. Верхний прямоугольник Пі высотой X и шириной І! деформируется на величину А її = Ь - її в прямоугольник П і с основанием І2 и высотой уі, Из построения (рис. 4.5) видно, что уі = (1/10)Х, тогда Єї = (X - уі)/Х = 9/10. Далее прямоугольник П7і складываем с прямоугольником П2 той же шири-ны Ь , что и П і. Таким образом, получаем прямоугольник И2 шириной Ь и высотой Хі=(11/10)Х. 2. Прямоугольник П 2 деформируется на величину АІ2 = Із - Ь в пря-моугольник П 2 шириной 13 и высотой у2 = (1/5)Х, тогда деформация Бг = (Хг УгУХ] = 9/11. Складывая прямоугольник П7/2 шириной 13 с прямоугольником Пз той же ширины и высотой X, получим прямоугольник Пх3 = П/72 + Пз шириной 13 и высотой Х2 = ( 6/5 )Х. Далее на третьем шаге деформируется прямоугольник П7з и, наконец, прямоугольник Пк, высоту которого можно определить, как Хк = [ Кх - (К-1) А 1к ] /А, где А 1к = 1к - 1к.і , А - масштабный фактор (А=Пф/по, где ho - фактическая высота порошкового слоя), деформируются соответственно в прямоугольник П/;к высотой ук и шириной Ik. Высота этого прямоугольника определяется, как ук = Хк - А1к - (1/2)Х при неограниченном росте количества слоев. В результате получим набор значений деформации: Єї = 9/10, Ъг = 9/11, є3 = 9/12,....
Введем величины Ъ\ = (12 - її )/Х , Z2 = (Ь - h УХі , Z3 = ( 14 " Ь )/ Х2. Очевидно, что в соответствии с принятой моделью Zi = Єь Z2= Є2; Z3 = 83,... . Просуммировав эти равенства, получим: Согласно [272] Z(i) - это увеличение относительной плотности (концентрации твердой фазы) за счет сокращения пористости и внутри частичной де 176 формации в процессе ее общего увеличения на Av . Видно также, что Z(i) это накопленная относительная ширина твердой фазы, а є(і) - накопленная деформация, то есть непрерывными аналогами этих величин являются соответственно относительная плотность v, относительная площадь контакта F и величина деформации є. Следовательно: Сопоставление данных рис. 4.2-4.4 показывает, что равенство (4.22) выполняется.
По данным металлографических исследований (рис. 4.6) в зоне соединения покрытия с основой общие зерна не образуются, а сама зона соединения представляет собой ориентированную в плоскости контакта границу. Это позволяет считать, что в этом случае объемное взаимодействие ограничивается образованием химических связей и, по-видимому, релаксацией напряжений в той мере, в какой это необходимо для их сохранения. По мнению авторов [41] в таком случае прочность соединения покрытия с основой определяется той частью атомов контактных поверхностей, которые при конкретных сочетаниях J, Р и tM вступили в физический контакт и образовали химические связи. Авторы [36, 257] считают, что в этом случае скорость роста прочности может быть выражена в виде: где х - прочность соединения в относительных единицах, равная отношению прочности при каких-либо значениях J, Р и t„ к максимальной прочности; S - площадь активного центра, зависящая от энергии Q, выносимой дислокацией при образовании активного центра и высоты потенциального энергетического барьера U, при достижении которого в пределах одного активного центра образуются химические связи; X - частота образования активных центров, которую в работах [41] предложено выражать в виде: где є(і) - скорость деформаций в фиксированный момент времени t; b - модуль вектора Бюргерса; L - расстояние между дислокациями, причем j Ь= р2 (здесь р - плотность дислокаций). Из уравнений (4.23) и (4.24) следует, что скорость роста плотности порошкового слоя и скорость образования контакта между частицами порошка, а также между формируемым покрытием и основой определяется интенсивностью пластической деформации, а скорость их активации зависит от интенсивности деформации и площади активного центра. При формировании покрытия и соединении его с основой без их расплавления, как и для соединения компактных материалов в твердой фазе [36, 41], возможны случаи [189,270]:
Расчетно-экспериментальные исследования распределения поля температур, скоростей охлаждения и структуры в зоне соединения при электроконтактной приварке металлической ленты
Проведенные исследования [176, 258, 259, 291-294, 297-300] показали, что при получении покрытий ЭКП условия нагрева и охлаждения металла детали отличаются от печной термообработки. Эти отличия заключаются в том, что максимальная температура нагрева зоны соединения покрытия с деталью может достигать температуры близкой к температуре плавления, в то время как при термообработке температура нагрева детали лишь на 100-150 С превышают точку Ас3. Скорости нагрева и охлаждения металла при ЭКП могут быть в сотни раз больше, чем при нагреве в печах, что приводит к повышению точек Асі и Ас3 и расширению их температурного интервала (АсрАсз) [297, 298].
Фазовые и структурные превращения, происходящие в металле детали при ее нагреве в процессе сварки, в том числе и при ЭКП, приводят к изменению ее механических и эксплуатационных свойств. Ферритное превращение, по мнению авторов [287, 303, 304], характерно для сварки низкоуглеродистых сталей и относительно малых скоростях охлаждения при условии, что скорость охлаждения в диапазоне температур 500-600С (соб/s) меньше скорости образования 5 % феррита-перлита (с0фпі). При крупном аустенитном зерне возможно формирование видманштентовой структуры. Выделение феррита может приводить к снижению прочности металла, а тонко пластинчатая видман-штентова структура - к снижению пластичности. Перлитное превращение характерно при сварке среднеуглеродистых сталей [287, 303, 304]. Оно происходит при сравнительно невысоких скоростях охлаждения и при условии б/5 Юфпі- Мартенситное превращение характерно для типичных скоростей охлаждения среднеуглеродистых легированных сталей. При выполнении условия (о6/5 Юмг происходит полное превращение, а при ю6/5 сомі - частичное [304,305], причем, чем меньше размер аустенитного зерна и ниже температура превращения, тем меньше размер перлитных зёрен и соответственно выше механические свойства структуры. Бейнитное превращение [287] является промежуточным и характерно для скоростей охлаждения в интервале сомі---о м2 при сварке большинства углеродистых и легированных сталей. В зависимости от области температурного интервала различают верхний и нижний бейниты. Верхний бейнит имеет пониженную прочность и невысокие пластичность и вязкость, а нижний - обладает благоприятными сочетаниями указанных свойств.
Процентные содержания мартенсита (М) и феррито-перлита (ФП), в зависимости от скорости охлаждения, описываются уравнениями Авраами: где км, кфП, пм и ПфП - расчетные коэффициенты. Содержание бейнита определяется как дополнение к количеству мартенсита до 95% или ферито-перлита до 100%. Расчетное определение коэффициентов кип возможно с использованием критических скоростей охлаждения, взятых из диаграмм "анизотермического распада аустенита" для анализируемых сталей: Критические скорости ОЗфпі и С0фП2 можно определить по приближенным соотношениям (Офпі С0м2 И (Офп2 0,1(0м2 [287]. Расчетный анализ полей температур, скоростей охлаждения и структурных составляющих выполняли применительно к случаю ЭКП ленты толщиной 0,5 мм из стали 50ХФА на валы из стали 45 диаметром 50 мм [206]. Электроконтактную приварку осуществляли при токе J = 5,5 кА и длительности импульса тока tH= 0,06 с, скорости приварки и = 0,7 м/мин по схеме, представленной на рис 5.10. Шаг наплавки составил h = 2,5 мм/об, длительность паузы между отдельными импульсами tn= 0,08 с.
При выполнении расчётов температурных полей использовали известные расчетные схемы [280, 282] нагрева поверхности кругового цилиндра бы-стродвижущимся источником, перемещающимся по винтовой траектории малого шага. Следует отметить, что известные схемы не учитывают импульсный характер выделения теплоты, как это происходит при ЭКП, которая частично отводиться в роликовый электрод, расходуется на нагрев охлаждающей воды и детали. Кроме того, теплота, выделяющаяся в месте контакта роликового электрода с поверхностью детали, распределяется как по поверхности, так и по глубине металла. Поэтому при выполнении расчета температурных полей при ЭКП решали инверсную задачу по выбору мощности источника теплоты и характеристики его распределенности, обеспечивающие удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных для размера зоны термического влияния и распределения по радиусу детали мартенсита, ферито-перлита и микротвердости.
