СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Выбор и разработка методов исследования свойств наплавленного металла

Физико-механические свойства наплавленного металла определяются составом и типом электродного металла, технологией и параметрами наплавки, послесварочной обработкой (термообработка, поверхностно-пластическое деформирование) и т. д. Для обоснованного выбора тех или иных параметров упрочняющей наплавки алюминиевых поршней необходима комплексная методика исследования свойств наплавленного металла.

В данной работе использовались как общепринятые, так и оригинальные методы исследования. Экспериментально технологические исследования выполнялись на специальной лабораторной сварочной установке, позволяющей регулировать в широком диапазоне режимы наплавки (7^,

К, и др.).

Сварочная часть установки изготовлена посредством 208

модернизации полуавтомата ПДГИ-304, адаптированного под порошковый ленточный электрод о применением специальной горелки. В качестве источника питания использован ВДГИ-302УЗ.

При необходимости сварочная установка перенастраивается для наплавки пластин и тел вращения. Установка оборудована соответствующей измерительной и регистрирующей аппаратурой и специальным устройством для водяного охлаждения наплавляемых деталей (при необходимости).

Металлографические исследования выполнялись с использованием оптических микроскопов (МИ М-8, “Neophot - 21”), электронного растрового микроскопа с приставкой для рентгено-спектрального анализа “leol” (Япония).

Твердость измерялась по стандартным методикам на приборах ПМТ-3 и ТК-2. Для определения твердости при повышенных температурах была изготовлена специальная приставка, позволяющая стабильно выдерживать заданную температуру исследуемого образца в течение всего времени измерения.

Пористость (плотность) наплавленного металла определялась гидростатическим взвешиванием.

Для анализа процесса переноса электродного металла через дуговой промежуток использовалась скоростная киносъемка с обратной подсветкой.

Процесс порообразования при наплавке алюминиевых поршней носит исключительно сложный характер, что существенно затрудняет исследование механизма образования пор в наплавленном металле. Тепловые, диффузионные, гидродинамические и другие явления, наблюдаемые в жидком металле сварочной ванны, протекают в условиях высоких градиентов температур и изменения скоростей и практически недоступны экспериментальному исследованию [27J.

В данной работе были выполнены теоретические исследования процесса порообразования на основе использования аппарата математической физики и современных программных продуктов для IBM -

совместимых ПЭВМ.

При разработке составов порошковых лент для наплавки алюминиевых поршней и промышленной технологии наплавки использовался математический метод планирования экспериментов и обработки их результатов.

Для предварительного отбора наплавочных материалов и исследования влияния отдельных технологических или эксплуатационных параметров на их свойства использовалась специальная испытательная установка, разработанная в Мариупольском металлургическом институте [192, 196].

Установка (рис.7.6), представляет собой каркас из уголков, на котором закреплен понижающий трансформатор и мотор-редуктор, на выходном валу которого закреплен кривошип.

Тело трения зажато между верхней и нижней половинами печи и приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом. Образцы зажимаются в специальных креплениях 2 на рычагах 1, качающихся вокруг вертикальной оси. Образцы 5 зажимаются болтом и с помощью регулятора прижима 3 прижимаются к телу 6. Скоба 4 создает одинаковое давление на оба образца.

показаниям индикатора часового типа. В процессе испытания индикатор

показывает износ образцов.

Для испытания

изготавливаются образцы в соответствии с чертежом (рис.7.7).

Сущность метода заключается в том, что

образцы в виде неподвижных полусферических колодок прижимаются к контртелу и изнашиваются. Износостойкость оценивают путем сравнения потери массы, величины диаметра пятна трения и массовой износостойкости. Усилие прижима составляет 300 Н. Контртело изготовлено из стали Р18. Длительность испытаний 10 минут. После окончания испытаний образцы взвешиваются, измеряется диаметр пятна износа и рассчитывается износостойкость.

Интегральным методом исследования свойств наплавленного металла является экспериментальная оценка характеристик износостойкости в условиях, близких к реальной работе сопрягаемых деталей. Известно, что на интенсивность износа влияют: скорость относительного перемещения деталей, сила трения] условия и качество смазки, ее гидродинамическое давление, количество присутствующих абразивных частиц и продуктов износа, конструктивные особенности, точность изготовления и материал деталей и др.

Для количественной оценки свойств наплавленного металла существуют различные лабораторные и стендовые методики, имитирующие в той или иной степени реальные условия изнашивания [28-32].

При разработке методик испытаний и лабораторных установок на ударно-абразивное изнашивание стремятся, с одной стороны, обеспечить качественную картину, подобную условиям эксплуатации, и с другой унифицировать

испытания для возможности сравнения результатов.

Одним из путей ускоренного определения ресурса работы поршневых канавок в условиях эксплуатации является прогнозирование и оценка износа радиальной и торцевой поверхности по результатам форсированных испытаний двигателя на специальных стендах. Однако такие испытания являются дорогостоящими и могут использоваться как заключительные [29, 31].

Сравнительные же испытания, позволяющие отобрать наилучшие варианты наплавочных материалов и технологических процессов их нанесения, целесообразно проводить на специализированных лабораторных установках. С этой целью предложен способ, позволяющий производить испытания материалов на ударно-абразивный износ, используя комплекс изменяемых режимов и нагрузок без сложной переналадки и изменения конструкции оборудования [33]. При разработке метода и установки для испытания была сделана попытка воспроизвести реальные условия работы СКК двигателей внутреннего сгорания.

Принципиальная схема установки изображена на рис. 7 7 На массивном основании 1 установлен электродвигатель постоянного тока 2, вращающий вал с эксцентриковым кулачком' 3, имеющим ступенчатый переход. Кулачок взаимодействует с ведущим звеном 4 через специальные упорные пластинки, одна из которых (левая на рис. 7.7) может изменять свое положение относительно оси кулачка с помощью винта.

На ведущее звено устанавливается пружина сжатия 5 с винтовым регулятором величины ее сжатия 6. Ведущее звено вместе с упорными пластинами жестко крепится к кулисе 7, на которой устанавливается боек 8 (контртело), периодически взаимодействующий с испытуемым образцом 9, неподвижно закрепленным в специальном зажиме, охватываемом нагревательным устройством 10. Второй конец кулисы 7 через шатун 11 шарнирно соединен с основанием установки.

При каждом обороте кулачка происходит продольное (вдоль оси X) возвратно-поступательное перемещение контртела по отношению к испытуемому образцу 9, что имитирует взаимное перемещение кольца и поршня в СКК. Сила трения будет зависеть от силы нормального давления N контртела на образец. Последнее задается соответствующей величиной силы сжатия Р пружины 5.

Изменение скорости относительного продольного перемещения контртела осуществляется изменением частоты вращения вала кулачка за счет регулирования числа оборотов приводного двигателя 2.

Имитация ударного взаимодействия кольца-канавки в поршне осуществляется при периодическом подъеме контртела над образцом на заданную высоту h0 с последующим их соударением при срыве верхней пластины обоймы со ступеньки эксцентрика. Сила удара (точнее ударный импульс) задается величинами Р и h0. В процессе работы в зону трения через осевое отверстие контртела может подаваться требуемая смазка или смесь смазки с абразивом.

Для поддержания температурного режима при испытании пары трения используется нагреватель 10, работающий в автоматическом режиме. Максимальная температура нагрева 700 К.

Закономерность ударно-абразивного взаимодействия контртела с образцом может быть определена при рассмотрении характера перемещения ведущего звена в процессе вращения кулачкового вала. На рис. 7.8 изображена схема взаимного расположения кулачка, пластин ведущего звена и пары трения.

Рис.7.7. Принципиальная схема установки для испытания при трении с ударом

Для получения аналитической зависимости перемещения контртела по отношению к образцу рассмотрим вначале случай, когда между цилиндрической поверхностью кулачка радиусом г и пластинкой нет начального зазора (рис. 7.8,6). Величина ступеньки кулачка с зависит от соотношения геометрических параметров кулачка:

с = е, - г = 2е

При повороте кулачка на угол Р (рис. 7.8,в) плоскость пластины с начальным положением А0 ~ А0 переместится на некоторую величину х и займет новое положение А'0 - А'0 На эту же величину переместится в продольном направлении кулиса вместе с контртелом. Рассматривая геометрические построения на рис. 7.8,в, найдем связь между величиной перемещения контртелах и углом Р = Ш

. 2 си/

1П ------

2

где о) угловая скорость вращения кулачка.

Если между начальной поверхностью кулачка радиусом г и контактной поверхностью пластинки будет задан начальный зазор Дх (см. рис. 7 8,а), то действительное перемещение контртела определится зависимостью

• 2 Р

x = csm Ах, (7.4)

а начало перемещения будет происходить после достижения угла поворота величины

Р = 2 arcsin

Рис. 7.8. Схема взаимодействия кулачка с опорными пластинами ведущего звена

Полная величина продольного хода контртела (размах цикла) за один оборот кулачка будет равна (рис. 7.8)

А — с — Дх 0< Дх<с

(7.7)

где у = а/Ь - соотношение размеров кулисы (рис. 7.7).

Максимальная величина подъема контртела над образцом (начальный зазор) определяется из формулы

(7.8)

Взаимодействие пары трения будет происходить в те периоды времени, когда у - 0.

Задавая определенные значения Дх и Ау, можно получить различные параметры цикла ударно-абразивного изнашивания от безударного знакопеременного трения (Ду > с) до чисто-ударного без трения (Дх > с)-

На рис. 7.9 изображены некоторые циклограммы

перемещении контртела.

Следует заметить, что при реализации чисто-ударного цикла шатун 11 (рис. 7.7) должен быть застопорен неподвижно.

Техническая характеристика разработанной установки приведена в табл. 7.8.

В этой же таблице даются параметры изнашивания в сопряжении кольцо-канавка (СКК) алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания при различных режимах их работы [28, 29].

7 перемещений контробразца при различных начальных условиях. Стрелками показано направление продольного перемещения

Можно видеть, что технические возможности установки перекрывают все реально существующие в СКК поршней двигателей параметры износа. Возможно проведение испытаний на форсированных режимах: повышенная температура, высокое удельное давление в паре трения, повышенный ударный импульс, введение в зону трения смазки с абразивом и др.

Важным элементом любой машины для испытания износостойкости образцов или деталей является устройство для измерения величины износа.

Схема устройства и конструктивное оформление зависят от характера износа (линейный, весовой или объемный) и формы и размеров испытуемых образцов и

деталей. В разработанной установке реализуется линейный характер износа образцов призматического типа (сечение 2x10 мм, длина 15-20 мм), оцениваемым по уменьшению размера по нормали к поверхности трения.

На рисунке 7.10 приведена схема приспособления для крепления образца и измерения его износа. Пластинчатый образец 2, вырезаемый из испытуемого основного или наплавленного металла, закрепляется в пиноли 5 с помощью кольцевого зажима 3 через прижимной сегмент 4. Зажим осуществляется с помощью болта 13. Контактная поверхность пиноли имеет насечку, исключающую смещение образца под действием периодических ударов контртела 1 по образцу.

Настройка первоначального зазора А0 между торцевой поверхностью цилиндрического контртела 1 и поверхностью износа образца производится в положении максимального

подъема кулисы 14 (т. е. при Р « л/2 на рис 2.2) с помощью плоского инструментального щупа требуемой толщины путем осевого перемещения контртеда вниз с последующей фиксацией его положения в кулис^.

По мере линейного износа образца величина зазора А0 будет возрастать на величину ДА0, измерение которой производится следующим образом.

Освободив стопорный бо микрометрический винт 10 так клиновидный упор 7 переместился (угол а) опорной поверхности (1:10), пиноль 5 будет подниматься вместе с образцом вверх до исходного значения hu. С целью повышения точности измерения величины ДА0 винт 11 клиновидного упора и микрометрический винт 10 имеют одинаковые направления резьбы с разницей шага, равной 0,25 мм. Следовательно, за 1 оборот винта 10 пиноль 5 переместится на величину 0,025 мм. И меющийся лимб на микрометрическом винте 10 (20 делений) позволяет фиксировать вертикальное перемещение образца (т. е. измерить линейный износ ДА0) с точностью до 0,00125 мм. Линейная шкала 9 облегчает

отсчет больших величин износа образца.

В целях повышения чувствительности измерительного устройства образец 2 и контртело 1 включаются в специальную электрическую цепь с триодным ключом, позволяющим фиксировать световым сигналом (микролампочкой) момент замыкания цепи, что свидетельствует о достижении исходного зазора Л„. Включение контртела 1 и образца 2 в электрическую слаботочную цепь возможно благодаря электроизоляционной прокладке 8 между корпусом в устройстве и станиной установки.

В качестве иллюстрации возможностей разработанной методики на рис. 7.11 приводятся результаты испытаний образцов из поршневого алюминиевого сплава марки АЛ 25. Образцы изготавливались в виде пластинок прямоугольного сечения размером 10x2 мм, контртело - цилиндр диаметром 16 мм из чугуна, идущего на изготовление компрессионных колец поршня, начальный зазор h0 - 0,5мм, сила прижатия в паре трения N - 300 Н.

Как видно из рисунка, разработанная методика оценки износостойкости металла при трении-скольжении с ударом позволяет разделить основные факторы, определяющие работоспособность СКК (температура, удар, трение, смазка и др.), что необходимо при разработке материалов для упрочнения канавок и технологии их нанесения. Важно также отметить, что методика дает возможность выделить из общей величины формоизменения исследуемого образца Ah ту ее часть, которая происходит лишь в результате необратимой (пластической) деформации металла от ударных нагрузок.

При одновременном воздействии на образец трения - скольжения и удара общее формоизменение происходит вследствие линейного износа его плоской поверхности (АИи)

и упругопластического деформирования (Ah£)

АЛ = АЛИ + ДЛ£ (7.9)

Для оценки стойкости наплавленного металла (н) формоизменению целесообразно пользоваться

относительными критериями, принимая в качестве единицы сравнения стойкость основного металла (о). Тогда относительные критерии можно определить по зависимостям:

где 5 ^ 7^, Етк - относительные критерии формоизменения: интегральный, износа и деформационный соответственно.