СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Разработка порошковых электродов для использования в промышленных условиях

Полученные выше результаты позволили перейти к разработке более совершенных и технологичных порошковых электродов, пригодных к использованию как для ремонтной, так и изготовительной наплавки алюминиевых поршней в условиях серийного и массового производства.

При разработке порошковых электродов учитывались такие требования и условия:

1. Возможность промышленного изготовления порошковых электродов (плющенки) на специальном оборудовании, обеспечивающем стабильный коэффициент заполнения и постоянство размеров сечения электрода.

2. Порошковый электрод должен иметь хорошие сварочно-технологические свойства при возможности использования стандартного сварочного оборудования.

3. Наплавленный металл должен обладать повышенной износостойкостью и сопротивляемостью пластическим деформациям (ползучести) в условиях циклического ударного воздействия и синхронного переменного трения-скольжения при наличии абразивной прослойки и повышенных температур.

4. Наплавленный металл должен быть плотным, со стабильными свойствами и обрабатываться резанием без выкрашиваний, сколов, с приемлемой шероховатостью.

Исходя из названных требований и результатов предварительных исследований, были отобраны шесть перспективных составов порошковых наполнителей, приведенных в таблице 11.3.

Для проведения комплексных исследований (микроструктуры, неоднородности наплавленного металла, твердости, износостойкости) производилась наплавка на образцы трубчатого вида из сплава АЛ 25 (рис. 11.6). Наплавку производили в специальные канавки в среде аргона на режимах, указанных ранее. Из наплавленных образцов вырезались темплеты для изготовления соответствующих плоских образцов для металлографических и других исследований.

В качестве шихты порошковой ленты использовали две разновидности наполнителя - механическую смесь порошков соответствующих компонентов и порошок дробленой лигатуры, получаемой путем переплавки смеси порошков в специальной печи на Торезском заводе твердых сплавов.

Гранулометрический состав наполнителя изменялся в пределах 0,01 ...0,09 см. При более мелких частицах (0,01 _. 0,02 см) ухудшается легирование наплавленного металла (из-за выгорания мелких частиц в дуге), резко повышается содержание водорода в расплаве и соответственно пористости наплавленного металла.

Использование более крупной фракции наполнителя (>0 ,06 см) приводит к появлению химической и структурной неоднородности наплавленного металла вследствие неполного расплавления частиц шихты в сварочной ванне, особенно при использовании тугоплавких компонентов (Сг, А/о, V и др.). В разделе 11.1 дается достаточно подробный анализ влияния отдельных элементов на свойства и микроструктуру алюминиевых сплавов. Поэтому остановимся лишь на некоторых особенностях, возникающих при введении в сплав других компонентов или другого количественного их

содержания [148, 149].

Введение в состав порошковых электродов никеля в количестве (0,7-12,0 %) и указанных в табл. 11.3 пределах позволяет получить при наплавке соединения AlsCUjNi и Al}(CuNi)2 - устойчивые вторые фазы, которые в сочетании с мелкозернистым тугоплавким оксидом алюминия повышают износостойкость наплавленного металла при повышенных температурах. Кроме того, образующаяся никельсодержащая фаза способствует упрочнению границ зерен а-твердого раствора, в результате чего значительно уменьшается перенаклепывание поверхности наплавленного металла при работе изделий в условиях трения скольжения с повторными ударами при повышенных температурах и, следовательно, уменьшается выкрашивание отдельных его участков, которые являются одним из источников абразивных частиц.

Кроме того, при распаде твердого раствора образуются дисперсные частицы фазы Т (Alf2Mn2Cu), имеющие высокую твердость и пониженную склонность к коагуляции при длительном действии повышенных температур, которые участвуют в создании микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора, что затрудняет их деформацию и тормозит движение дислокаций.

Мельчайшие частицы этой фазы, образующиеся в процессе распада a-твердого раствора, равномерно располагаются внутри зерен раствора и повышают прочность наплавленного металла.

Фаза Т участвует в образовании тройной эвтектики (а+ CuAl2+Al 12Мп2Си) с высокой температурой плавления (7’ы“547°С), что значительно повышает жаропрочность наплавленного металла

Медь участвует в образовании вторых фаз Al}(CuNi)2 и Al6CujNi, которые при повышенных температурах не взаимодействуют с твердым раствором и, располагаясь по границам зерен, блокируют их, замедляя развитие диффузионных процессов и деформацию самих зерен твердого раствора, что способствует увеличению прочности и износостойкости наплавленного металла, работающего в условиях трения скольжения при повышенных температурах.

Введение в состав вольфрама в количестве 0,1-1,0% позволяет получить при наплавке тугоплавкую фазу WAl12, которая вместе с алюминиевым твердым раствором и фазой СиА12 образует тройную эвтектику, имеющую вид мелких иголочек и обладающую высокой твердостью. Введение вольфрама совместно с марганцем в количестве 0,8-2,8% увеличивает на 25% микротвердость наплавленного металла.

Вольфрам вызывает увеличение температуры рекристаллизации, а также позволяет получить высокую степень микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора.

Таким образом, введение вольфрама в состав в указанных пределах значительно повышает твердость и износостойкость наплавленного металла, работающего в условиях абразивного износа и повышенных температур, за счет предотвращения внедрения абразивных частиц в более твердую матрицу, упрочненную соединениями вольфрама, а также за счет уменьшения поверхностного деформирования микрообъемов наплавленного металла. При содержании вольфрама ниже 0,1% существенное влияние его на свойства наплавленного металла не проявляется, при содержании вольфрама более 0,1% не происходит дальнейшего улучшения свойств наплавленного металла.

Введение в состав порошкового электрода молибдена в количестве 0,1 - 1,0% значительно повышает жаропрочность наплавленного металла. Молибден действует как антиреклисталлизатор, т. е. затрудняет развитие процессов рекристаллизации в течение длительного воздействия высоких температур (250-350°С) и напряжений.

Содержание в твердом растворе молибдена замедляет диффузионные процессы и повышает температуру рекристаллизации наплавленного металла.

Совместное введение в указанных пределах хрома, марганца и молибдена стабилизирует структуру наплавленного металла, значительно замедляет влияние
повышенных температур на структуру наплавленного металла.

Кроме того, добавка молибдена в указанных пределах снижает вредное влияние перегрева на жаропрочность наплавленного металла за счет образования тугоплавкой интерметаллидной фазы AljMo, имеющей вид мелких иголочек и обладающей повышенной прочностью.

Особое значение для свойств наплавленного металла имеет содержание в нем в качестве легирующего элемента железа. Низкая стоимость и распространенность Fe делает перспективным его использование в составе порошковых электродов [124,125,137,138].

Введение в состав железа в количестве 0,5-13,0% позволяет получить высокую твердость металла наплавки в горячем состоянии за счет образования фазы FeAly имеющей высокую твердость. По данным [124, 125, 137], могут образовываться гетерофаэные композитные структуры, содержащие интерметаллидный упрочняющий каркас на основе алюминида железа Alz SiFet с высокой термической стабильностью.

С ростом содержания железа (более 13,0% ) образуются крупные кристаллы фазы FeAlj (рис. 11.7), что приводит к растрескиванию и заметному снижению прочности наплавленного металла.

Известно применение ванадия в составе для наплавки алюминиевых сплавов. Ванадий вводится с целью повышения износостойкости наплавленного металла. В предлагаемых составах ванадий вводится в ином количестве 0,6-1,5 %. Ванадий вводится с целью повышения механических свойств наплавленного металла, в частности прочности и пластичности, т. к. он является компенсатором влияния вредных примесей и способствует измельчению зерна алюминиевого твердого раствора. Введение ванадия оказывает модифицирующее действие на интерметаллиды железа, которые кристаллизуются в алюминий в грубоигольчатой структуре и ухудшают механические свойства наплавленного металла. При легировании ванадием иглообразная
железосодержащая a-фаза не образуется, т. к. происходит полное связывание железа в компактные фазы. Таким образом, повышение прочности и пластичности при введении ванадия происходит в результате измельчения зерен, более равномерного распределения эвтектики и благоприятного
изменения морфологии хрупких составляющих, а также за счет дополнительного легирования a-твердого раствора.

Таким образом, полностью модифицированная ванадием, мелкодисперсная фаза Р (Al^FeSi) значительно улучшает обрабатываемость резанием наплавленного металла за счет повышенной пластичности и уменьшения выкрашивания отдельных крупных частиц железосодержащих фаз. Кроме того, значительно уменьшается адгезия (налипание) обрабатываемого металла на обрабатывающий инструмент, что в значительной степени сказывается на качестве обрабатываемой поверхности металла. С целью повышения эксплуатационных свойств наплавленного металла в состав порошковых электродов вводятся модификаторы, позволяющие измельчать зерна наплавленного металла. В качестве модификаторов могут использоваться карбиды, бориды и алюминиды переходящих металлов ( П, Zr, Та и др.), имеющие параметры решетки, близкие параметру решетки твердого раствора алюминия [162-164].

Введение модификаторов в сварочную ванну производится в виде лигатур, проволок или солей легирующих элементов.

Наиболее целесообразно [1] введение модификаторов в виде солей щелочных металлов - K2TtFff KjZrF# KBF4 и др. На основе предварительных экспериментов было установлено, что наибольшим эффектом модифицирования обладает цирконий, вводимый в расплав в виде фторцирконата калия K^ZrF^ Даже при небольшом содержании модификаторов (состав №2, табл.

11.3) наблюдается существенное измельчение структуры наплавленного металла (рис. 11.8), что, по-видимому, можно объяснить комплексным модифицированием металла медью, никелем, марганцем и хромом.

Ранее упоминалось, что наполнитель порошкового электрода может быть в виде механической смеси порошков или дробленой лигатуры. Сравнительные испытания твердости и износостойкости металла, наплавленного порошковым электродом состава №2 (табл. 11.3) при

использовании наполнителей различного вида, показывают преимущество наполнителя из дробленой лигатуры (рис. 11.9).

Для исследования комплексных свойств металла, наплавленного порошковыми электродами различного состава (см. табл. 11.3), были изготовлены 6 партий проволоки на стане в лаборатории наплавки ПГТУ (см. разд. 7.2). Использовался порошковый электрод с алюминиевой оболочкой, формируемой (после засыпки шихты) в виде ленты-плющенки сечением 0,6x15 мм (рис. 11.10).

Наплавку осуществляли на трубчатые образцы по способу, упомянутому выше.

Комплексные исследования свойств наплавленного металла включали в себя: определение твердости, прочности, относительной износостойкости и пластического формоизменения, обрабатываемость резанием и оценку коэффициента линейного расширения.

Кроме этого, оценивались сварочно-технологические характеристики порошковых электродов по двум критериям: по коэффициенту разбрызгивания и

пористости наплавленного металла в целом.

Испытания на ударно-абразивный износ проводились на разработанной установке (рис. 7.7) на режимах, соответствующих ранее описанным испытаниям (рис. 7.3) при Т - 523 К и длительности 100 часов.

Полученные результаты исследования приведены на рисунках 11.11-11.14. В качестве эталона сравнения для всех характеристик приняты характеристики для основного металла АЛ 25.

Анализ всех данных позволяет сделать заключение, что наилучшими характеристиками обладают наплавки, выполненные порошковыми электродами составов 4 и 5 (табл. 11.3).

На основе этих составов были созданы порошковые электроды для промышленного использования, которым были присвоены марки от ПЛ-МА-4 до ПЛ-МА-7. На эти составы были получены авторские свидетельства (см. табл. 11.4).

Отработка оптимальных параметров процесса наплавки реальных изделий применительно к промышленным условиям рассмотрена ниже.

255

... 201 196^н193

160

В в в в в

Рис. 11.12. Относительная износостойкость (а) и пластическое формоизменение (б) наплавленного металла при Т" 523 К ( составы см. в таблице 11.4)

alO

1/К

Рис. 11.14. Сварочно-технологические характеристики порошковых электродов: а - коэффициент разбрызгивания; б - пористость наплавленного металла (составы см. в таблице 11.4)