СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Исследование микроструктуры, химической неоднородности и оптимизации гранулометрического состава шихты порошковой проволоки

Для исследования микроструктуры и химической неоднородности наплавленного металла отбирались образцы площадью не более 9 см2, которые вырезались из наплавленного поршня диаметром 120 мм из сплава АЛ-25.

Режимы наплавки приведены ранее.

В качестве шихты порошковой проволоки использована механическая смесь порошков.

Исследования проводились на растровом электронном микроскопе с приставкой для рентгеноспектрального анализа фирмы "Geol" Япония.

В состав шихты входили легирующие элементы: Si, Мп, Сг, Си, Fe, Ті.

Для модификации наплавленного металла применялся

фторцирконат калия (K^ZrF6).

Гранулометрический состав порошков, входящих в шихту, находился в пределах 0,20 - 0,63 мм (200 - 630 мкм). При более мелких частицах порошков наблюдается увеличение пористости наплавленного металла из-за увеличения поверхности, на которой адсорбируется влага, вносимая в сварочную ванну.

Также заметно снижение механических свойств наплавленного металла в связи с интенсивным выгоранием мелких частиц в сварочной дуге.

Верхний предел гранулометрического состава ограничен появлением значительного количества включений в наплавленном металле по причине неполного расплавления частиц шихты в сварочной ванне. Однако и при оптимальном гранулометрическом составе шихты в наплавленном металле встречаются включения из нерасплавленных частиц. На рис.8.5,а приведена микроструктура участка с включением хрома, что следует из рис.8.5,б, на котором изображено распределение хрома на приведенном участке. Появление таких включений обусловлено различными теплофизическими свойствами компонентов шихты. Так, например, хром имеет наибольшую температуру плавления (1800°С) из всех компонентов шихты. При этом частицы хрома покрыты плотной защитной оксидной пленкой, что препятствует химическому взаимодействию частиц хрома с расплавленным металлом. Наличие включений приводит к снижению механических свойств наплавленного металла из - за появления концентраторов напряжения и недостаточного его легирования.

Для предотвращения появления дефектов неоднородности структуры на Торезском заводе твердых наплавочных сплавов была выплавлена лигатура, имеющая в своем составе компоненты, входящие в шихту из смеси порошков.

После выплавки лигатура дробилась до достижения гранулометрического состава 0,20 - 0,63 мм (200 - 630 мкм).

4261 23КМ X75J ІЄН» UD39

б

Рис. 8.5. Микроструктура наплавленного металла (а) и распределение хрома на приведенном участке (6)

Наплавленный металл отличается равномерной модифицированной мелкозернистой структурой с полным отсутствием включений. При этом отмечено улучшение механических свойств наплавленного металла.

Микроструктура зоны сплавления при наплавке

порошковой проволокой с шихтой из лигатуры приведена на рис. 8.6,а, а распределение элементов по приведенному участку - на рис. 8.6,6.

На рис.8.7 и 8.8 приведены фрактограммы основного и наплавленного металла. Как видно, наплавленный металл имеет излом, близкий к вязкому с равномерным распределением зерен, а основной металл имеет участки скола, более близкие к хрупкому разрушению. Из этого следует, что, благодаря модифицированию и правильно подобранному химическому составу шихты, наплавленный металл имеет при повышенной твердости более вязкую структуру. Это является положительным явлением, т. к. при работе поршень испытывает значительные циклические нагрузки, по характеру близкие к ударным.

Эксплуатационные характеристики наплавленного металла определяются свойствами a-твердого раствора алюминия, размером зерен матрицы, а также равномерностью выделения интерметаллических фаз ( R, Alj). Свойства a-твердого раствора алюминия зависят от степени легирования, которое обеспечивается введением в состав шихты порошковой проволоки легирующих элементов. Равномерность распределения интерметаллидных фаз зависит от состава шихты, гранулометрического состава, условий плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, особенностями ее кристаллизации.

Металлографические исследования показали, что наплавленный металл отличается мелкозернистой структурой. Исходя из полученных данных, наиболее крупные включения принадлежат фазе (Fe Мп) Al6, так как фаза Мп Al6 способна растворять до 50 % Fe. Марганец, растворяясь в фазе Р (Al Fe Si) с формулой Fe Si Alr кристаллизующейся в глобулярной форме или в виде китайского шрифта [194].

D

і

с

V

1

к

к

U

t

1

Распределение легирующих элементов от основного к наплавленному металлу через переходную зону изучали с помощью микроанализатора “КАМЕКА". В качестве эталонов использовались чистые элементы: Al, Si, Fe, Си.

Кривые, отражающие - характер распределения элементов, получали с помощью самопишущего потенциометра. Кроме того, содержание элементов в отдельных точках определяли с помощью зонда диаметром 1 мкм. Во всех случаях погрешность определения концентрации элементов составляла 3 - б %. Характер распределения железа, кремния, меди в основном металле, переходной зоне и наплавленном металле показан на рис. 8.8. В основном металле наблюдаются участки, практически не имеющие в своем составе железа и марганца (для Мп рисунок не приводится), а также участки, в которых концентрация этих элементов доходит до 16 %. Так же неравномерно распределяются в основном металле кремний и медь. В зоне сплавления происходит обеднение железом и марганцем и незначительный рост концентрации кремния по отношению к наплавленному металлу.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что концентрация кремния, меди в основном и наплавленном металле практически одинаковая, а количество железа и марганца больше в наплавленном металле по сравнению с основным.

При введении в состав шихты порошковой проволоки фторцирконата калия происходит взаимодействие между солью и расплавом с образованием избыточной фазы ZrAl3 согласно реакции

3(K^rF^ + 13 [Al] = 4(AlFj) + (KF) + 3 [ZrAlJ.

Возникающие при этом фториды алюминия и калия способствуют рафинированию сварочной ванны, а алюминад циркония, образующийся непосредственно в расплаве, не успевает вырасти до размеров, превышающих критические размеры зародышей. Таким образом, общее количество центров кристаллизации и эффективность модифицирования структуры

Си,

%.

12

10

а

Fe,

%

24

18

12

2 ООО 240 120 0 120 240 360 мкм

Рис. 8.8. Распределение 5t, Си, Fe, в основном металле, переходной зоне и наплавленном металле

повышаются, так как на начальном этапе роста кристаллами наследуются контуры дисперсных подложек, имеющих компактную форму, и в этих условиях кристаллы

формируются равноосными (рис 8.9).

В связи с интенсивным перемешиванием основного и электродного металла в процессе импульсно-дуговой наплавки, наличием модификаторов и высокой скорости охлаждения наплавленный металл имеет мелкозернистую однородную структуру, которая имеет повышенные эксплуатационные характеристики.

Для исследования влияния гранулометрического состава на свойства наплавленного металла были ^ 8 9 мик^у*^

изготовлены 7 образцов наплавленного металла

порошковой проволоки ПП-МА-

5, гранулометрический состав которых приведен в таблице 8.1.

После наплавки порошковыми проволоками с шихтой различной грануляции производилась вырезка образцов для металлографического анализа на микроскопе "Неофот” и замера твердости наплавленного металла

Полученные результаты замера твердости наплавленного металла показывают, что в зависимости от грануляции шихты порошковой проволоки твердость металла изменяется.

Наименьшее значение твердости наплавленного металла 90 НВ имеет порошковая проволока, содержащая шихту с размером частиц менее 0,068 мм. Мелкая фракция шихты имеет развитую поверхность с внешней средой и повышенную термодинамическую активность, что способствует частичному окислению и испарению легирующих компонентов шихты. Это приводит к снижению твердости наплавленного металла. Увеличение грануляции частиц шихты до фракции 0,12 - 0,16 мм приводит к возрастанию нижнего предела твердости наплавленного металла до 100 НВ, что свидетельствует о снижении потерь легирующих компонентов шихты порошковой проволоки в процессе наплавки. При использовании шихты грануляцией 0,16 - 0,63 мм нижний предел твердости наплавленного металла изменяется незначительно. Разброс твердости наплавленного металла при диапазоне грануляции шихты от пылевидной фракции до 0,63 мм незначителен. Микроструктура основного металла (сплав АЛ 25), переходной зоны и наплавленного металла представлены на рис. 8.10. I

Дальнейшее увеличение грануляции шихты порошковой проволоки 0,63 - 1,2 мм приводит к уменьшению нижнего предела и увеличению разброса твердости наплавленного металла. Исследование микроструктуры

наплавленного металла показывает наличие включений не

і

расплавленных полностью часїиц шихты порошковой проволоки (рис. 8.11). Таким образом, при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой применять шихту с грануляцией частиц более 0,63 мм нецелесообразно.

Гранулометрический состав шихты порошковой проволоки оказывает определенное влияние на пористость наплавленного металла. Из всех газов, с которыми алюминий вступает во взаимодействие, распространяется в алюминии только водород [66].

Источником водорода является влага, поступающая в сварочную ванну с поверхности основного металла, оболочки и шихты порошковой проволоки [35]. Объем

Рис.8.10. Микроструктура наплавленного металла при использовании фракции лигатуры от 0,12 до 0,63

водорода, выделяющийся с поверхности частиц при расплавлении шихты порошковой проволоки, зависит от размера частиц. При размере гранул шихты менее 0,068 мм вносится значительный объем водорода, что приводит к пористости наплавленного металла (рис.8.12). Увеличение размера гранул снижает суммарную площадь частиц шихты и количество вносимого водорода, что обеспечивает повышение плотности наплавленного металла.

Достаточную плотность наплавленного металла обеспечивает шихта с размером гранул более 0,2 мм. Таким образом, при наплавке поршней из алюминиевых сплавов порошковой проволокой целесообразно использовать шихту с размером частиц порошка 0,1 - 0,6 мм.