СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Влияние легирующих элементов на свойства наплавленного металла

Несмотря на большую номенклатуру двигателей внутреннего сгорания, используемых в автомобильном и тракторном парке страны, чаще всего их поршни изготавливаются из сплавов типа АЛ 25, АЛ 26 или АЛ 30, химический состав и свойства которых приведены в таблице 10.1 и 10.2.

Для получения наплавленного металла с характеристиками, не уступающими поршневым сплавам, были проведены эксперименты по выявлению влияния различных легирующих элементов на химсостав и свойства в условиях реальной наплавки. Это было связано с необходимостью уточнения степени перехода элементов из шихты в наплавленный металл, влияния изменения того или иного легирующего элемента на изменения механических свойств наплавленного металла. С этой целью были изготовлены порошковые электроды с различным содержанием основных легирующих элементов: Si, Мп, Си, Ali. За базовый был принят следующий состав легирующих в шихте: Si - 75%, Мп - 9 %, Си -14%, М -14%. Было изготовлено четыре серии порошковых электродов с коэффициентом заполнения /С," 0,30. Составы электродов приведены в таблице 11.1.

Наплавку производили в среде аргона на постоянном токе обратной полярности в канавки поршней из АЛ 25 на режиме: / -= 250 A; Ud = 18 В; скорость наплавки Г ■= 30 м/ч. Из наплавленных поршней вырезались темплеты для изготовления плоских образцов, на которых производились замеры твердости по Бринелю при Т = 293 К (20 °С) и Г - 523 К (250 °С). Химический состав наплавленного металла и количественное содержание легирующих элементов определялись методом

спектрального анализа.

Результаты измерения твердости и содержания элементов приведены в таблице 11.2.

Зависимость содержания легирующих элементов в наплавленном металле от содержания этих элементов в шихте представлена на рис. 11.1. С увеличением содержания каждого из компонентов в шихте соответственно увеличивается и их содержание в металле наплавки. Причем переход каждого из компонентов в металл наплавки осуществляется по определенному закону! На основании полученных зависимостей определены коэффициенты перехода элементов из шихты в металл наплавки. Коэффициент перехода Кп - тангенс угла

наклона касательной в любой точке кривой. Поэтому, чем более крутой характер принимает кривая, тем более увеличивается коэффициент перехода элемента в наплавленный металл.

Полученные значения коэффициентов перехода использовались для корректировки расчета шихты и оптимизации состава электрода.

Примечание. Базовый состав порошкового электрода: Si 75%, Мп - 9 %, Си 14%, М 14%.

На основании полученных зависимостей появилась возможность прогнозирования состава металла наплавки при изменении содержания ингредиентов шихты.

В качестве оценочных характеристик свойств наплавленного металла была принята величина его “холодной” и “горячей” твердости и относительная износостойкость при повторно-статическом трении (см. рис. 7.9,г) по разработанной нами методике.

Полученные зависимости влияния легирующих элементов шихты нд твердость металла наплавки приведены на рис.11.2. Наблюдается значительное увеличение твердости при нормальной и повышенной температуре с увеличением кремния и меди (рис.11.2,а, в).

Иначе изменяется твердость наплавленного металла при увеличении содержания никеля и марганца. Для последнего характерно некоторое увеличение твердости при увеличении Мп до 0,5% и незначительное снижение ее при дальнейшем увеличении содержания Мп.

По-разному изменяется “холодная” и “горячая” твердость при увеличении в наплавке никеля (см. рис. 11.2,6).

Важно, что “горячая” твердость возрастает с увеличением содержания никеля. Это объясняется тем, что никельсодержащая фаза способствует упрочнению границ твердого раствора.

Для определения износостойкости наплавленного металла были изготовлены плоские образцы размером 2x10x25 мм и испытаны на установке для ударно­абразивных испытаний (см. рис. 7.7 и рис. 7.9,г) при следующем режиме: амплитуда относительного

перемещения (размах цикла) 0,5мм; сила прижатия контртела к образцу - 250 Н (нормальное удельное давление в контакте - 12,5 МПа); абразивная прослойка в зоне трения масло с добавкой 5% кварцевой пыли; частота подачи капель масла в зону трения - 1 капля в минуту; общее время испытаний 100 часов.

Результаты испытаний сведены в таблицу 11.2 и

Рис. 11.2. Влияние легирующих элементов на твердость наплавленного металла: 1- при температуре 293 К, 2 - при температуре 523 К (а - 5Ї; б-Ni; в-Си; г - Мп)

графически представлены на рис. 11.3.

Опытные данные показывают, что с увеличением легирующих элементов в наплавленном металле происходит рост износостойкости, причем наиболее

О 1C 11 12 13 Э.%

а

О 1.5 3 4.5 3 М.%

б

в г

Рис. 11.3. Влияние легирующих элементов на относительную износостойкость: 1 - при температуре 293 К, 2 - при температуре 523 К (а - Si; 6-Ni; в -Си; г - Мп)

интенсивно повышают износостойкость при нормальной температуре кремний и медь, а при повышенной - медь и никель.

Известно, что с целью повышения механических характеристик алюминиевых сплавов в них вводят модификаторы, изменяющие микроструктуру эвтектической фазы Al-Si.

Из всех модифицирующих элементов для алюминиевых сплавов наиболее активными являются стронций, цирконий, фосфор. В предварительных опытах в базовый состав порошкового электрода вводился цирконий в виде фторцирконата калия (K2ZrF6) в количестве от 1,5 до 8%.

Спектральный анализ показал, что в наплавленном металле содержится циркония от 0,12 до 0,17%.

На основании полученных данных построен график зависимости содержания Zr в наплавленном металле от содержания фторцирконата калия в шихте порошкового электрода (рис. 11.4), а на рисунке 11.5 приведены зависимости "холодной” и "горячей” твердости и относительной износостойкости. Как видно из рисунка, введение циркония в наплавку значительно повышает твердость и износостойкость, что объясняется измельчением структуры и более равномерным распределением твердых включений по объему наплавленного металла.

Таким образом, выполненный комплекс исследований позволяет сделать обобщающие выводы о влиянии различных легирующих элементов и модификаторов на механические свойства наплавленного металла.

Наиболее эффективное влияние на повышение твердости и износостойкости наплавленного металла оказывают кремний, медь и никель. Установлено также, что модифицирование металла наплавки является необходимым условием получения более работоспособных сплавов при нормальных и повышенных температурах.