СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Основные подходы к разработке порошковых электродов
Для получения требуемого уровня работоспособности деталей из алюминиевых сплавов, работающих в заданных условиях, необходимо подбирать определенный состав сплава на основе алюминия или применять различные способы поверхностного упрочнения определенных зон деталей, которые подвержены интенсивному износу и разупрочнению. Наиболее эффективным способом повышения работоспособности алюминиевых деталей является дуговая наплавка порошковым электродом.
Рассмотрим общие принципы разработки порошковых электродов для наплавки деталей из алюминиевых сплавов на примере упрочнения поршней ДВС.
Увеличения долговечности алюминиевых поршней можно достичь путем снижения интенсивности процессов формоизменения первой кольцевой канавки поршня. Формоизменение канавки является результатом проявления двух основных процессов: ударно-абразивного износа и пластической деформации (циклической ползучести) при воздействии коррозионной среды и достаточно высокой температуры (до 570 К).
Многолетняя практика эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с алюминиевыми поршнями привела к созданию определенных принципов построения поршневых сплавов, гарантирующих выполнение многочисленных требований физико-химического и физико-механического направления [17].
При разработке порошковых электродов для упрочнения наплавкой локальных зон поршней целесообразно воспользоваться положительным опытом синтезирования поршневых сплавов, обладающих жаропрочностью, твердостью и износостойкостью в течение длительного срока эксплуатации двигателя.
Рассмотрим наиболее важные принципы регулирования свойств алюминиевых сплавов, таких, как жаропрочность, твердость и т. д.
Начало развитию теории жаропрочности алюминиевых сплавов было положено трудами акад. Курнакова Н. С. и его сотрудников [18].
Важнейшими факторами, определяющими работоспособность алюминиевых сплавов при высоких температурах, являются: состав, фазовое и структурное состояние, величина температуры и напряжений.
Влияние на жаропрочность структурных факторов сравнительно легко можно изучить, и часто оно поддается количественной оценке.
Важнейшими структурными факторами являются: величина зерна твердого раствора, протяженность и состояние их границ;
количество и характер распределения дефектов кристаллической решетки и их взаимодействие между собой и с атомами легирующих элементов;
- количество, величина и форма кристаллизации частиц вторых фаз, их расположение, а также их взаимодействие с твердым раствором в процессе нагрева;
- устойчивость твердого раствора, скорость формирования и укрупнения продуктов его распада;
- количество, температура и форма кристаллизации эвтектики.
Следует также отметить большое влияние на жаропрочность литейных алюминиевых сплавов ряда технологических факторов (скорости кристаллизации отливок, режимы термической обработки и др.), которые могут сильно изменять как фазовый состав, так и величину и характер расположения структурных составляющих металла поршня.
Изменяя те или иные технологические параметры, можно воздействовать как на структурные, так и на физикохимические характеристики сплава, что в определенных пределах обуславливает изменение его жаропрочности [ 1 ].
На жаропрочность алюминиевых сплавов сильно влияют количество, размеры и характер распределения фаз.
Подробно влияние фазового состава литейных алюминиевых сплавов на их свойства, а также характер взаимодействия фаз с твердым раствором в процессе термической обработки описаны в работах И. Ф.Колобнева [1, 19, 20]. На повышение жаропрочности алюминиевых сплавов наиболее сильно влияют металлические соединения, в состав которых входят переходные металлы: Aljrfn, Al? Cr, AlyFeNi, Alt2Mn2Cu, Al6CUjNi и др. Эти соединения устойчивы при повышенных температурах, они мало взаимодействуют с твердыми растворами, их частицы не склонны к укрупнению и коагуляции.
В значительной мере жаропрочность алюминиевых сплавов определяется структурой Эвтектики и температурой ее плавления. С повышением ^температуры плавления эвтектики ее вклад в жаропрочность сплава увеличивается. Так как кристаллизация эвтектики происходит в последнюю очередь, она окружает зерна первичного твердого раствора, образуя между ними эвтектические прослойки. В структуре многокомпонентных алюминиевых сплавов содержатся сложные эвтектики. Если отдельные составляющие эвтектики кристаллизуются в виде тонких игл, то роль эвтектики в упрочнении границ зерен может стать даже отрицательной, так как в этом случае составляющие эвтектики являются концентраторами напряжений. Наиболее благоприятна разветвленная форма кристаллизации устойчивых соединений, входящих в состав эвтектики. Этим обеспечивается надежное блокирование зерен твердого раствора. В системе Al-Cu-Ni такой эвтектикой является, например, тройная эвтектика a +Alj(CuNi)2 + AlsCujNi, а также сложные эвтектики, содержащие разветвленные тройные и четверные фазы типа: AlgMn4Cr, Al4CuCr, Al4CugCrMn.
Экспериментальные данные показывают, что сравнительно жаропрочными могут быть лишь те сплавы, которые отвечают по составу устойчивым первичным твердым растворам, комплексно легированным элементами с низким коэффициентом диффузии. К таким элементам относятся металлы переходной группы. Однако повышенной жаропрочностью обладают также сплавы эвтектического состава - АЛ 25, АЛ 26, АЛ 30.
Все изложенные здесь принципы регулирования прочностных свойств алюминиевых сплавов могут быть реализованы при упрочнении поршней в зоне канавки посредством наплавки. Следует, однако, подчеркнуть, что возможностью достаточно широкого регулирования структурно-фазового состава наплавленного металла обладают лишь способы наплавки порошковым электродом. С помощью порошкового электрода (плющенки) можно создавать наплавленный металл не только равнопрочный поршневому, но и со значительно улучшенными эксплуатационными характеристиками [21-23].
Помимо обеспечения требуемого состава наплавленного металла порошковые электроды должны обладать хорошими сварочно - технологическими свойствами, т. е. процесс наплавки должен протекать устойчиво с минимальным разбрызгиванием, наплавленный металл должен быть плотным, однородным и т. д. Таким образом, при проектировании порошковых электродов необходимо учитывать многие параметры, что вызывает необходимость выполнения системных исследований.
