Содержание к диссертации
5. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 132 СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА, ПОЛУЧЕННЫХ ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУР ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ
5.1. Структура, фазовый состав и изменения микротвёрдости в околостыковой зоне после сварки трением сталей перлитного класса
5.2. Результаты механических испытаний биметаллических образ цов
5.3. Практическое использование биметаллических изделий изго товленных из сталей перлитного и карбидного классов
5.4. Оценка ожидаемой экономической эффективности при замене традиционной сварки трением на сварку с регулируемым нагревом вблизи температур фазового превращения
Выводы 157
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 158
ЛИТЕРАТУРА 161
ПРИЛОЖЕНИЕ 173
Введение к работе
Абсолютное большинство применяемых на практике конструкционных и инструментальных материалов имеют сложное строение. Каждый элемент структуры оказывает влияние на механические свойства материала, определяющие в конечном итоге металлоёмкость, показатели надёжности и долговечности изготовленных из них изделий. Поэтому обоснованное управление структурой металлических материалов имеет важное как научное, так и практическое значение. Это в полной мере относится и к биметаллическому режущему инструменту, основная часть которого изготавливается сваркой трением.
В настоящее время одним из основных инструментальных материалов является быстрорежущая сталь. Её доля составляет 68 %, 20 % приходится на твердые сплавы, 8 % - на углеродистую сталь, 4 % - на минералокерамиче-ские и сверхтвердые материалы [1,2]. На изготовление крупногабаритного режущего инструмента (метчиков, разверток, свёрл, зенкеров, фрез) диаметром 20...60 мм расходуется свыше 60% общего расхода быстрорежущей стали [3].
Режущий инструмент в настоящее время изготовляется по различным технологиям. Мелкоразмерный (диаметром до 8 мм) - производят цельным по ГОСТ 25751-83. При производстве средне- и крупноразмерного инструмента этот способ становится крайне невыгодным, из-за большого количества отходов быстрорежущей стали в стружку и на его хвостовую часть. Поэтому средне- и крупноразмерный режущий инструмент производят биметаллическим - составным из двух частей - режущей части из быстрорежущей стали, и хвостовой части из углеродистой стали 45 или стали 40Х.
Долговечность такого биметаллического инструмента в большой степени зависит от качества сварного стыка. Однако его обеспечение связано с большими трудностями, обусловленными сильными различиями в химиче ском составе конструкционной и быстрорежущей сталей и их физико-механическими свойствами. Это приводит к образованию в сварном соединении ряда дефектов, основными из которых являются "блестящие кольца" или "блестящие полосы скольжения" со стороны быстрорежущей стали, и ферритная прослойка со стороны конструкционной стали. Толщина этих дефектов в поперечном сечении сварного шва может изменяться от 1...2 до нескольких десятков и даже сотен микрон. "Блестящие кольца" в поперечном сечении могут выглядеть как в виде прямых, так и в виде волнистых линий, приближаясь или удаляясь от сварного стыка. Оба дефекта оказывают отрицательное влияние на свойства сварного соединения.
В последнее время в литературе обсуждается точка зрения, что избежать образования дефектов типа "блестящие кольца" можно за счет использования эффекта сверхпластичности быстрорежущей стали в процессе сварки трением. Данный эффект проявляется в условиях изотермического одноосного сжатия при температуре на 15...25°С ниже температуры АС [4]. В работах
[5-7] приводятся первые результаты исследований сварных стыков биметаллических заготовок, сваренных в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали. Анализ микроструктур сварного стыка показал, что в стали 45 под действием пластической деформации происходит измельчение зерна, сфероидезация пластинчатого цементита, доля карбидов в зоне стыка составляет 19 % и близка к исходной, "блестящих колец" не обнаруживается. Однако сварка в температурном интервале сверхпластичности требует строгого контроля температуры, её распределения, давления, качества поверхности и т.д. [4,8]. В противном случае наблюдается увеличение брака в сварных соединениях.
Исходя из сказанного, целью настоящей работы является повышение качества соединений сталей перлитного и карбидного классов за счёт обеспечения управления сваркой трением вблизи температур фазового превращения.
Научная новизна
1. На основе исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 в околостыковой зоне при традиционной сварке трением установлен механизм образования дефектов типа "блестящих полос скольжения". Это формирование карбидных строчек и их движение параллельно стыку за счёт пластического течения металла и его выдавливания в грат, раскатывание карбидных конгломератов в процессе сварки и их радиальных перемещений, диссоциация карбидов, диффузия углерода и легирующих элементов в более нагретые зоны сварки и выпадение их вновь.
На основе систематического исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 при сварке трением вблизи температуры фазового превращения быстрорежущей стали, детального анализа структуры, химического и фазового состава в околостыковой зоне, влияния термической обработки, разработан алгоритм сварки, включающий разделение процесса нагрева свариваемых заготовок на два этапа: предварительный и выравнивающий. Установлена не # обходимость снижения частоты вращения шпинделя машины до 70... 150 об/мин, увеличения давления нагрева до 150...200 МПа; длительности выравнивающего разогрева, находящейся в пределах 8... 10 с, при продолжительности пауз и импульсов давления нагрева 2...3 с.
3. Показано, что при сварке по предлагаемому технологическому режиму в околостыковой зоне формируется мелкозернистая композитная структура, с образованием вихревых структурных конгломератов. Данный переходный слой или "третье тело" шириной 1000...1200 мкм способствует плавному переходу от исходной структуры стали 45 к структуре стали Р6М5. Отсутствие "блестящих полос скольжения" и закалочных структур обеспечивает высокое качество сварным соединениям.
Практическая значимость 1. Предложен алгоритм сварки трением с регулируемым нагревом вблизи температуры фазового превращения стали Р6М5, обеспечивающий надежное качество сварным стыкам биметаллического режущего инструмента. Выбрана и обоснована временная диаграмма изменения осевого давления для обеспечения равномерного нагрева по всей поверхности трения.
2. Создан исследовательский комплекс для сварки по предлагаемой технологии, путём модернизации пневматической схемы и привода сварочной машины МФ-327, изготовления блока управления и регистрирующей аппаратуры.
3. Разработанный алгоритм сварки не приводит к образованию "блестящих полос скольжения" и закалочных структур в околостыковой зоне, что исключает операцию длительного отжига после сварки и формирующуюся феррит-ную прослойку в результате его проведения.
4. Разработанный алгоритм сварки применён для получения биметаллических свёрл и метчиков (сталь Р6М5 - сталь 45), пик отбойных молотков (сталь ШХ15 - сталь 50). Это позволило улучшить механические свойства сварных стыков режущего инструмента, производить перезаточку рабочей части и увеличить ресурс работы пики.
Автор выносит на защиту
1. Механизм формирования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при традиционной технологии сварки трением, обусловленный изменением исходной структуры быстрорежущей стали в околостыковой зоне.
2. Алгоритм сварки биметаллических заготовок вблизи температур фазового превращения сталей перлитного и карбидного классов, включающий три этапа: предварительный разогрев с постоянным давлением, выравнивающий нагрев с импульсным изменением давления и проковка.
3. Технологический режим сварки трением в близи температур фазового превращения, обеспечивающий равнопрочность сварного соединения.
4. Комплекс экспериментально полученных данных о фазовом составе и структуре околостыковой зоны биметаллических материалов сталь сталь Р6М5, сталь 50 - сталь ШХ15Ь реализующихся в процессе сварки трением и термической обработки.
Результаты представленные в диссертации, докладывались на:
• научных семинарах кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" Томского политехнического университета (1995- 2003г.);
• 1— областной научно- практической конференции молодежи и сту- ф, дентов по техническим наукам и высоким технологиям (Томск, 1995г.);
• 2— областной научно- практической конференции молодежи и студентов "Современные техника и технологии" (Томск, 1996г.);
• 3— областной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1997г.);
• Российской научно- технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97»" (Воронеж, 1997г.);
«4— областной научно- практической конференции студентов, аспи рантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1998г.);
• Всероссийской молодежной научно- технической конференции "Технология и оборудование современного машиностроения" (Уфа, 1998г.);
• Международной научно- технической конференции "Новые материалы и технологии на рубеже веков" (Пенза, 2000г.);
• At International Workshop "Mesomechanies: Fundamentals and Appli cations" (MESO, 2003) and the VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT, 2003). August 18-23, 2003, Tomsk, Russia.
Работа выполнялась в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники", в рамках хозяйственных договоров и научно-технического сотрудничества между кафедрой ОТСП ТПУ и ПП "Томский инструмент".
Выражаю глубокую признательность и благодарность своим коллегам и соавторам по научной работе доктору технических наук, профессору Хазано-ву И.О.; доцентам Азарову Н.А., Киселёву А.С., Советченко Б.Ф. за плодотворное сотрудничество; научному руководителю, доктору технических наук, доценту Гнюсову С.Ф. за большую помощь в организации исследований, ценные обсуждения результатов в процессе их получения и при написании работы.
