СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Модифицирование наплавленного металла
С целью повышения эксплуатационных свойств наплавленного металла необходимо использовать такой прогрессивный металлургический процесс, как модифицирование [179].
Среди имеющихся теорий модифицирования алюминиевых сплавов наибольшее распространение получила теория зародышеобразования, развитая английским исследователем А. Кибулой, при изучении измельчения зерна в слитках алюминиевых сплавов добавками титана и совместно титана и бора. Согласно полученным данным, зерно измельчается из-за наличия зародышей, на которых начинается кристаллизация расплава. Такими частицами могут быть карбиды, бориды и алюминиды переходных металлов, имеющие параметры решетки, соответствующие параметру решетки твердого раствора алюминия (4,04 Е) (табл. 12.3) [ 173].
Дальнейшее развитие эта теория получила в трудах М. В. Мальцева [179]. Как показали проведенные им эксперименты, большое структурное СХОДСТВО частиц TiAlj с решеткой твердого алюминия (разница в межатомных расстояниях 4-5 %) создает благоприятные условия для пристройки атомов последнего, а потому эффект измельчения зерна алюминия резко возрастает. Для ZrAl3 эта разница составляет 7-8 %, поэтому эффект модифицирования несколько меньший.
|
Таблица 12.3 - Параметры решеток алюминидов
|
Введение титана, бора и циркония в виде солей обычно применяют при сварке и плавке небольших объемов алюминиевых сплавов. Физико-химические свойства наиболее часто применяемых солей щелочных металлов приведены в табл. 124.
|
Таблица 12.4 - Физико-химические свойства солей
|
Ввиду низкой температуры кипения фторбората калия, которая составляет 770 °С, использовать его в качестве модификатора при дуговой сварке и наплавке алюминиевых сплавов нецелесообразно. Поэтому в дальнейшей работе были использованы KjTiF6 и K^ZrFg
При сварке и наплавке алюминиевых сплавов введение модификаторов в сварочную ванну производится в виде солей легирующих элементов, лигатур или проволок, содержащих легирующие элементы.
Изготовление модифицирующих электродных проволок, по своему составу близких к литейным алюминиевым сплавам, практически невозможно ввиду их хрупкости.
Введение в сварочную ванну модифицирующих добавок из солей имеет свои положительные стороны. По сравнению с лигатурой преимущества применения модифицирующих солей заключаются в том, что сохраняется чистота расплава в отношении неметаллических включений, получаются кристаллы ТіА13 округлой формы (а не иглообразной, как в лигатуре) и в большом количестве, а значит, меньше расход солей для получения требуемых результатов.
Преимущество введения KjTiF6, KjZrF6 состоит в том, что крупные частицы интерметаллидов ZrAl3, ТіАІ3 не образуются, к тому же метод позволяет выдерживать очень узкие пределы концентрации циркония и титана в сплаве.
И. Ф. Колобнев [ 1 ] приводит данные, характеризующие больший модифицирующий эффект при введении циркония в сплав в виде K2ZrF6 по сравнению с введением того же количества циркония лигатурой.
При приготовлении лигатур Al-Ti и Al-Zr образуются крупные частицы ТіА13 и ZrAl3 , которые при введении в сварочную ванну не всегда успевают растворяться. Хотя при этом и образуется определенное количество центров кристаллизации, тем не менее, измельчение зерна происходит недостаточно. Обработка сплава солями K2ZrF6 и K2TiF6 обеспечивает введение титана и циркония в расплав в атомарном состоянии, что способствует активному образованию большого количества дисперсных кристаллов интерметаллидов, создающих во много раз большее количество центров кристаллизации, чем при введении этих добавок из лигатур.
Газообразные продукты разложения ICjTiFg и K^ZrF6, удаляя растворенный в расплаве водород, способствуют снижению пористости наплавленного металла.
Введенные в шихту порошковой проволоки K2TiF6 KjZrFg взаимодействуют с алюминием по реакции:
3(К TiF6) + 13[А1] - 4(A1F6) + 6(KF) + 3[ТІАІз], (12.1) S^ZrF,.) + 13[Al] - 4(A1F3) + 6(KF) + 3[ZrAlJ (12.2)
Образующиеся при этом алюминады титана и циркония обеспечивают модифицирование наплавленного металла, а фториды алюминия и калия способствуют более полному рафинированию сварочной ванны.
Для определения оптимального количества фторцирконата калия в шихте изготовлены порошковые проволоки с различным его содержанием, произведены наплавки на обоймы шестеренных насосов НШ-К из сплава АМКО, изучены химический состав, микроструктура и свойства наплавленного металла [180]. В таблице 12.5 приведены химический состав и характеристики наплавки при различном содержании фторцирконата калия в шихте, на рис. 12.9 - фото микроструктур полученных наплавок, на рис. 12.10 - их основные свойства.
|
Таблица 12.5 - Влияние фторцирконата калия на характеристики наплавки
|
Результаты исследований показывают, что введение циркония в наплавленный металл приводит к измельчению зерна и получению равноосной гетерогенной структуры со сплошной сеткой интерметаллидов по границам зерен [188].
|
Рис. 12.9. Микроструктуры мегадла при различном содержании фториирконяга калия в шихте: а - переходная зона; б наплавленный металл с содержанием Zr 0,05 % вес. |
Рис 12.9. (Продолжение). Микроструктуры металла при различном содержании фторцирконата калия в шихте: в - наплавленный металл с содержанием 2г 0,18 X вес; г-наплавленный металле содержанием 2г 0,24 % вес
При этом повышается твердость, снижается коэффициент трения и износ, что свидетельствует о повышении антифрикционных свойств наплавленного металла. В объеме металла наблюдаются поры сферической формы.
Наиболее ощутимо влияние циркония на свойства наплавки сказывается при увеличении концентрации его до 0,14 % мае. Увеличение концентрации циркония от 0,14 % мае. до 0,27 % мае. не приводит к существенному улучшению свойств наплавленного металла. Из рис. 12.10
|
О 0,1 0,2 0,27 Zr,%mс Содержание циркония в намавке Рис. 12.10. Влияние циркония на свойства наплавленного металла: 1 - твердость (НВ); 2 - износ со смазкой (Г); 3 - износ со смазкой (р.); 4 - коэффициент трения (/) |
следует, что оптимальное содержание циркония в наплавленном металле находится в пределах 0,20-0,25 % мае. Следовательно, содержание фторцирконата калия в порошковом электроде должно составлять > 1,0 % мае. [180].
На основании проведенных исследований можно рекомендовать составы порошковой проволоки для наплавки антифрикционных сплавов на основе алюминия,
приведенные в таблице 12.6. Составы порошковой проволоки защищены авторскими свидетельствами на изобретения
[181].
|
Таблица 12.6 - Содержание компонентов в шихте порошковых электродов для наплавки антифрикционных алюминиевых сплавов, % (по массе)
|
Результаты испытаний наплавки, полученной с применением порошковой присадки состава ПЛ-МА-2, приведены в таблице 12.7.
Как видно из таблицы 12.7, наплавленный металл обладает высокими антифрикционными свойствами и практически обеспечивает необходимую работоспособность пары трения. Повышения работоспособности можно добиться путем повышения плотности наплавленного металла за счет использования специальных технологических мер.
Исследование в качестве модификатора фтортитаната калия показало аналогичные результаты. Эффект
модифицирования достигается при меньшем весовом содержании титана в наплавке по сравнению с цирконием, что соответствует литературным данным [179].
|
Таблица 12.7- Характеристики основного и наплавленного металла
|
