Введение к работе
Актуальность темы. Сталеалюминиевые композиционные материалы находят широкое применение в различных отраслях промышленности в качестве переходных элементов, деталей и узлов электрометаллургического оборудования. В сталеалюми-ниевых композитах сочетаются высокая прочность сталей с малой плотностью, электросопротивлением и высокой теплопроводностью алюминиевых сплавов. Сварка взрывом позволяет получать высококачественные сталеалюминиевые композиционные материалы больших толщин и размеров.
Во многих случаях композиционные материалы работают в условиях воздействия высоких температур, динамических нагрузок и агрессивной среды. Особенности физико-химического взаимодействия алюминия с железом накладывают определенные ограничения на максимально допустимые температуры нагрева сталеалюминие-вых композитов из-за образования на границе сварного соединения хрупких интерме-таллидных соединений, приводящих к резкому снижению прочности и росту переходного электросопротивления.
Радикальным приемом, расширяющим температурный диапазон эксплуатации биметаллических соединений, является создание диффузионных барьеров в виде дополнительных промежуточных (одной или несколько) прослоек между основными слоями композита, которые препятствуют протеканию реактивной диффузии и образованию интерметаллидов.
Вопросам изучения влияния температуры нагрева на свойства композиционных материалов посвящены работы многих известных ученых в области материаловедения: Ларикова Л. Н., Лайнера Д. Н., Рабкина Д. М., Рябова В. Р., Засухи П. Ф., Куракина А. К., Фальченко В. М., Макунина М. С, Карпиноса Д. М., Brautman L.J., Lubin J. и
ДР-
Применению сварки взрывом для создания сталеалюминиевых композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами посвящены работы Тры-кова Ю. П., Седыха В. С, Лысака В.И., Сахновской Е. Б., Беляева В. И., Демьяновича А. Б., Богунова А.З., Crossland В., Nobili A., Banker J., Teruhiko В., Etsuji К. и др., в которых авторы предлагают применять в качестве диффузионного барьера промежуточные разделительные слои из серебра, титана и др., которые либо вводятся между алюминием и сталью как самостоятельные слои (серебро, титан), либо формируются на поверхности стальной основы химико-термическими, гальваническими и др. методами (азотирование, хромирование). При этом открытым остается вопрос о влиянии параметров деформационно-энергетического воздействия при сварке взрывом на прочностные и эксплуатационные свойства получаемых композитов. Сведения о влиянии
Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту В.И. Кузьмину за участие в формировании направления работы и неоценимую помощь в анализе результатов исследований
температурно-временных условий на структуру и прочность композитов, содержащих хромовый подслой или азотированный слой, носят отрывочный характер, что требует проведения дополнительных системных исследований.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается ее выполнением по госбюджетным программам Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010 г.», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники 2005 г.», грант Минобрнауки «Инновационные проекты аспирантов и студентов 2005 г.» и др.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является создание сталеалюминиевого композиционного материала повышенной термостабильности на основе изучения деформационно-энергетических условий формирования соединений при сварке взрывом и влияния температурно-временных условий на эксплуатационные свойства композита.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Исследовать влияние условий сварки взрывом на структуру и прочность сталеалюминиевого композита с различными диффузионными барьерами.
Изучить особенности деформирования металла в ОШЗ при сварке взрывом сталеалюминиевого композиционного материала с подслоем хрома, нанесенного гальваническим методом.
Исследовать влияние режима термообработки на структуру и эксплуатационные свойства сталеалюминиевого композита с диффузионными барьерами (азотированный слой, подслой хрома).
4. На базе анализа результатов проведенных исследований разработать новые
высокоэффективные способы создания сталеалюминиевого композиционного мате
риала с диффузионным барьером и технологический процесс изготовления с помощью
сварки взрывом энергосберегающего композиционного токоподводящего узла алюми
ниевого электролизера.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей получения равнопрочного соединения при сварке взрывом стали с алюминием с тонкими промежуточными диффузионными барьерами и особенностей образования в зоне соединения таких композитов интерметаллидных фаз и структур при повышенных температурах.
Впервые выявлен эффект значительного (более чем в 3 раза) повышения прочности соединения гальванически нанесенного на стальную основу тонкого подслоя хрома с последней за счет реализации в процессе сварки взрывом узколокализованной сдвиговой пластической деформации на границе «хром-сталь», в результате чего композит А5+Сг+СтЗ становится равнопрочным, при этом существенно расширяется область сварки взрывом алюминия со сталью. Показано, что при толщинах подслоя хрома менее 15 мкм значительные деформации его удлинения в процессе высокоскоростного нагружения приводят к разрушению и дроблению этого подслоя и, как следствие,
он перестает в полной мере выполнять роль диффузионного барьера. При толщинах подслоя более 80 мкм прочность его соединения со сталью падает до исходной (адгезионная прочность гальванического покрытия) прочности, что связано с существенным уменьшением доли работы деформации, затрачиваемой на сдвиг приконтактных объемов металла в околошовной зоне границы «хром-сталь».
Показано, что введение в сталеалюминиевый композит промежуточных диффузионных барьерных слоев (азотированный поверхностный слой стали или подслой хрома) повышает его эксплуатационные свойства за счет смещения начала образования и интенсивного роста диффузионных прослоек в область высоких температур. При этом композит А5+Сг+СтЗ сохраняет термостабильность до Т ~ 570 С, соединение А5+СтЗ (азот.) до 71- 610 С, в то время как композит А5+СтЗ - до Т < 400 С.
Практическая значимость. Проведенные исследования позволили решить задачу создания композиционного материала с антидиффузионным слоем и обоснованно подойти к назначению режимов сварки взрывом, обеспечивающих получение равнопрочного соединения в сварном шве с минимальным развитием структурной и химической неоднородностей. Полученные результаты исследований позволили дать практические рекомендации и разработать технологический процесс изготовления с помощью сварки взрывом композиционного токоподводящего анодного узла алюминиевого электролизера. Для ОАО «ВгАЗ-СУАЛ» изготовлена опытно-промышленная партия композиционного сталеалюминиевого переходника с диффузионным барьером, годовой экономический эффект от внедрения составил более 500 тыс. руб. (доля автора 25%). Разработки защищены тремя патентами Российской Федерации на изобретения.
Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением стандартных методов оптической микроскопии с помощью инвертированного микроскопа «Axiovert» 40 МАТ, сканирующего зондового микроскопа Solver Pro, механических испытаний на отрыв слоев (разрывная машина Р-500), рентгеноструктур-ного анализа (ДРОН-3). Расчет параметров соударения свариваемых элементов и математическая обработка полученных результатов осуществлялись с помощью общепринятых математических моделей и специализированных пакетов прикладных программ. Деформация в зоне соединения свариваемых материалов оценивалась методом слоистых модельных вставок и реперных линий.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях: «Современные материалы и технологии - 2002» (Пенза 2002 г), «Сварка на рубеже веков» (Москва 2003 г), «Новые перспективные материалы и технологии» (Волгоград 2004, 2007 г), научно-техническая конференция, посвященная 150-летию Н. Г. Славянова (г. Пермь 2004 г), международный симпозиум (г. Лисе, Нидерланды 2008г.), VII междунар. Рос.-Казахстан.-Японской науч. конф. «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Москва 2009), «Наука. Технологии. Инновации» (г. Ново-
сибирск 2009 г), V Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур ПРОСТ- 2010» (Москва 2010 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 9 статей в сборниках научных трудов, 8 тезисов докладов на научно-практических конференциях, получено 3 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и результатов работы, списка использованной литературы и приложения. Она изложена на 174 листах машинного текста, содержит 85 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 168 наименований.
