Особенности образования соединения при сварке взрывом сплава ао20?1 со сталью

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 791. 13
Б. С. Злобин, д-р техн. наук, В. В. Сильвестров*, канд. физ. -мат. наук,
A. A. Штерцер, д-р физ. -мат. наук, А. В. Пластинин*, канд. физ. -мат. наук
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ СПЛАВА АО201 СО СТАЛЬЮ
Конструкторско-технологический филиал Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева
СО РАН, e-mail: asterzer@mail. ru *Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН
Исследованы свойства зоны соединения биметалла антифрикционный сплав /сталь, полученного сваркой взрывом. Применение эмульсионных ВВ с повышенной детонационной способностью позволяет исключить использование алюминиевого подслоя между сталью и сплавом A020−1. Термообработка после сварки повышает прочность соединения слоев биметалла за счет удаления граничной пленки, мешающей контакту между сталью и алюминиевой матрицей сплава. Рассмотрен механизм удаления пленки и поведения легкоплавких включений во время термообработки.
Ключевые слова: антифрикционный сплав, сварка взрывом, эмульсионные ВВ, зона соединения, термообработка
B. S. Zlobin, V. V. Sil'-vestrov*, A. A. Shtertser, А. V. Plastinin*
PECULIARITIES OF BOND FORMATION AT EXPLOSIVE WELDING OF AlSn20Cu1 ALLOY WITH STEEL
Design and Technology Branch of Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, SB RAS *Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, SB RAS
Properties of bonding zone in antifriction alloy / steel bimetal, obtained by explosive welding, are investigated. Emploiment of emulsion explosive with increased detonation capacity permits to exclude usage of aluminum interlayer between steel and AlSn20Cu1 alloy. Thermal treatment after welding leads to the rise of bimetal bond strength, as result of removal of boundary film, preventing the contact formation between the steel and aluminum base of alloy. The mechanism of film removal, and behavior of fusible components while thermal treatment, are considered.
Keywords: antifriction alloy, explosive welding, emulsion explosive, welded joint, thermal treatment
Введение
Более 20 лет сварка взрывом применяется для изготовления биметаллических вкладышей подшипников скольжения крупногабаритных дизельных двигателей локомотивов, судов, дизель-генераторов и т. д. [1]. В качестве метаемой пластины в существующей технологии используется полоса из антифрикционного алюминий-оловянного сплава АО20−1, получаемого прокаткой в оболочке из алюминия (толщина оболочки 0,15 мм). Фактически сваркой взрывом производится соединение стальной основы с алюминиевой лентой, которой плакирован антифрикционный сплав (рис. 1). Качество получаемого таким образом многослойного
материала зависит, в том числе, и от прочности соединения сплава АО20−1 с алюминиевой оболочкой, которая обеспечивается совместной прокаткой [2]. Существующие методы контроля в силу малости толщин сплава и алюминиевой оболочки дают скорее качественную оценку прочности соединения антифрикционного сплава с оболочкой. Бывают случаи, когда при плакировании взрывом стальной основы в полосе с плохим соединением антифрикционного сплава с алюминиевой оболочкой происходит расслоение по границе сплав-алюминий. Такие случаи связаны с нарушением технологии совместной прокатки при изготовле-
Рис. 1. Зона соединения в биметаллическом вкладыше:
1 — антифрикционный сплав АО20−1- 2 — алюминиевый подслой- 3 — стальная основа
нии полосы и приводят к браку на стадии изготовления биметалла.
Представляет интерес получить соединение непосредственно антифрикционного сплава со сталью, не используя промежуточную алюминиевую прослойку. Это позволило бы исключить случаи отслоения сплава АО20−1 от алюминиевого подслоя при сварке взрывом или при последующей эксплуатации изделия. В настоящей работе рассмотрены особенности получения такого соединения.
Плакирование стали сплавом А020−1
Основная трудность заключается в том, что олово с алюминием не образует химического соединения, и оно находится в сплаве, как самостоятельная фаза в виде дискретных легкоплавких включений. Наши более ранние исследования показывают, что при совместной деформации во время соударения метаемой пластины со стальной основой олово может выходить в зону соединения, снижая, тем самым, прочность получаемого биметалла [3]. С подобными трудностями мы сталкивались и при попытке на
стальную основу сваркой взрывом нанести пластину, полученную при взрывном ком-пактировании гранул из алюминиевого сплава, содержащего оловянную и свинцовую компоненты [4]. В данном случае олово и свинец выходят на границу и существенно усложняют процесс образования соединения между сталью и алюминием. Из-за низкой температуры плавления олова может произойти разрушение полученного соединения в момент прихода растягивающих напряжений в зону шва.
Одно из направлений снижения отрицательного влияния олова на прочностные характеристики биметалла — это снижение концентрации олова в приповерхностных слоях алюминиевого сплава перед сваркой со сталью. Этого можно достичь химическим травлением поверхности алюминиевого сплава, избирательным на олово [5]. Но полностью удалить олово из зоны соединения не удается, т.к. при сварке взрывом в момент соударения пластин в поверхностных слоях происходят сильные деформационные процессы, за счет которых на границу выходит олово из глубинных слоев.
Рис. 2. Зона соединения сталь-АО20−1 после сварки:
1 — алюминиевая матрица сплава- 2 — включения олова- 3 — пленка на границе (смесь А1, Ге, 8п, Си) — 4 — сталь
Ограничить количество выходящей на границу соединения оловянной фазы можно, уменьшая размеры зоны, охваченной значительными пластическими деформациями. Достичь этого можно, снижая скорость и угол соударения свариваемых материалов. В нашем случае реализовать на практике это сложно, поскольку в рассматриваемой задаче речь идет о сварке достаточно тонкой пластины из алюминиево-оловянного сплава со стальной основой. При толщине алюминиевой пластины 1,5…2 мм минимальная величина используемого заряда определяется не созданием необходимых условий для образования соединения алюминия со сталью, а, в первую очередь, детонационными способностями взрывчатого вещества (ВВ). Широко используемые в настоящее время ВВ на основе аммиачной селитры, такие как игданит, стабильно детонируют с необходимой для сварки скоростью в толщинах в
2…3 раза превышающих оптимальный режим для данной задачи. Это приводит к повышенным пластическим деформациям в околошовной зоне и, как следствие, к ее повышенному нагреву.
Возможность снизить указанные пластические деформации может быть связана с использованием эмульсионных ВВ (ЭмВВ) с повышенной детонационной способностью, позволяющих наносить тонкие плакирующие слои [6, 7]. В наших экспериментах использовалось ЭмВВ с полыми микросферами из стекла в качестве физического сенсибилизатора. Эмульсионная матрица содержит окислитель (водный раствор аммиачной и натриевой селитр), воду 12%- горючее (твердый парафин), эмульгатор (сорбитан моноолеат), индустриальное масло И-40 (в составе эмульгатора). Состав подбирается так, что кислородный баланс эмульсии близок к нулю. В эмульсию подмешивались стеклянные микробаллоны марки МС-В отечественного производства в количестве 35 масс. % сверх массы эмульсии. Средний размер микробаллонов 58 мкм, насыпная плотность ~ 0,15 г/см3. Плотность полученного ЭмВВ составляет 0,62 ± 0,01 г/см3. Скорость детонации слабо зависит от толщины [6] и составляет 2,3. 2,6 км/с при изменении толщины слоя ВВ от 3,5 до 25 мм. Критическая толщина плоского заряда в оболочке из пластика (0,5 мм ПЭТ) менее 3,5 мм, что поз-
воляет производить сварку с тонким плакирующим слоем.
Применяя ЭмВВ, удалось в 2 раза уменьшить массовое отношение и на 40% толщину метаемой пластины из сплава A020−1 в сравнении со сваркой игданитом, который используется в настоящее время для производства биметаллических заготовок вкладышей. Для исследований были получены образцы из стали 10, плакированной сплавом АО20−1 без алюминиевой прослойки.
Исследование зоны соединения и обсуждение результатов
Зона соединения сталь/АО20−1 изучалась с использованием сканирующего электронного микроскопа LEO 420, оснащенного энергодисперсионным спектрометром INCA. Исследования показали, что размер зоны со значительными пластическими деформациями составляет менее 10 мкм. Непосредственно после сварки на границе соединения можно выделить пленку шириной 3…7 мкм, по внешнему виду похожую на оловянную компоненту (рис. 2). Однако микрозон-довый анализ показывает, что данная область представляет собой смесь частиц
Таблица1
Элементный состав в зоне соединения
сталь | A020−1
Элемент Массовая доля, % Атомная доля, %
Al 40,30 бб, 04
Fe 2б, 32 20,85
Cu 2,08 1,45
Sn 31,30 11, бб
алюминия, железа и олова- при этом содержание элементов в разных точках полосы сильно отличается, композиция в одной из точек приведена в табл. 1. Отметим, что антифрикционный сплав на алюминиевой основе АО20−1 содержит 20% олова и 1% меди.
Более ранние исследования показывают, что микротвердость переходной зоны
сталь/А020−1 в 1,5.2 раза ниже, чем в случае соединения стали с алюминием [3]. Возможно, это связано с тем, что высокодисперсное олово, распределенное между частицами алюминия и железа, препятствует образованию интерметаллидов, которые обычно возникают на границе соединения стали с алюминием.
Испытания образцов биметалла, проведенные с применением универсальной испытательной машины ZDM — 2,5, показывают, что без прослойки алюминия даже при относительно «мягких» режимах сварки с использованием ЭмВВ получить сразу прочное соединение не удаётся. Для образцов без алюминиевого подслоя прочность на отрыв лежат в диапазоне 42. 60 МПа, в то время как сваренные в тех же режимах образцы с подслоем алюминия показывают значения до 117 МПа, что выше, чем прочность алюминия. В данном случае повышение прочности происходит за счет деформационного упрочнения в околошовной зоне. Низкое значение прочности у образцов без подслоя может говорить о том, что присутствующее в тонком слое (см. рис. 2) на границе соединения олово находится между частицами алюминия и железа в виде чешуйчатых или тонкопленочных включений и препятствует их прямому соединению.
При прокатке сплава А020−1 с алюминием для получения прочного соединения обязательно проводят отжиг получаемой полосы. После прокатки включения олова как в объеме сплава, так и на границе сплава с алюминиевой оболочкой, имеют вытянутую форму в виде пленок. В процессе отжига происходит свертывание пленок, включения приобретают округлую форму, и матричный алюминий сплава вступает в непосредственный контакт с алюминием оболочки [2]. Исходя из тех же соображений,
Рис. 3. Зона соединения сталь /АО20−1 после отжига:
1 — алюминиевая матрица сплава- 2 — включения олова-
3 — остатки пленки на границе (смесь А1, Fe, Sn, Си) — 4 — сталь
для увеличения прочности соединения нами был проведён отжиг биметаллической пластины, полученной сваркой взрывом. Термообработка проводилась при температуре 350 0С в течение двух часов. Испытания образцов после термообработки показали, что прочность соединения слоев повысилась до
60… 80 МПа и стала близка к прочности алюминиевого сплава. Увеличение прочности могло произойти только в случае, если оловянные пленки и чешуйки изменили форму и/или коагулировали, так что произошло взаимодействие между матричным алюминием и сталью. Зона соединения после отжига показана на рис. 3, где в сравнении с рис. 2 видно, что зона перемешивания в виде сплошной пленки существенно сократилась и преобразовалась в отдельные фрагменты. Видно также, что в самом алюминиево-оловянном сплаве произошла коагуляция оловянных включений.
Из литературных данных [2, 8] следует, что при термообработке свёртывание олова или свинца из тонкой непрерывной сетки или отдельных чешуек внутри литого материала приводит к улучшению его прочностных характеристик. Что же касается грани-
цы, то для образования прочного соединения, по мнению авторов [2, 8], после ухода оттуда легкоплавкой плёнки требуется дополнительный подвод энергии для сближения освободившихся поверхностей и запуска диффузионных процессов. На практике этого достигают повторной прокаткой. Однако возникает вопрос, почему этого не требуется, когда подобный процесс (свертывание пленок, коагуляция) происходит в объеме материала, поскольку там также должны сблизиться освободившиеся от пленки поверхности. На наш взгляд, сближение поверхностей может происходить по механизму, описанному в [9], но вместо высокого давления, роль катализатора процесса свёртывания плёнки играет повышенная температура. После свертывания плёнки в округлое включение происходит схватывание вновь образованных свободных поверхностей двух материалов [10]- роль же диффузионных процессов, по мнению А. П. Семёнова [11], может сводиться к последующему формированию объемного взаимодействия в зоне соединения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование для сварки взрывом низкоскоростных эмульсионных ВВ даёт возможность свести к минимуму ширину зоны, охваченной значительными пластическими деформациями в свариваемых между собой антифрикционном сплаве АО20−1 и стали, и уменьшить тем самым количество выходящей в зону соединения легкоплавкой фазы. Это позволяет соединять указанные материалы напрямую, без использования прослойки из алюминия. В сочетании с термообработкой достигается прочность соединения 60. 80 МПа.
Библиографический список
1. Злобин Б. С. Разработка и изготовление крупногабаритных подшипников скольжения. // «Инновационные технологии-2001», Материалы международного научного семинара, Красноярск, изд. КГУ, 2001, с. 37−40.
2. Буше Н. А. и др. Подшипники из алюминиевых сплавов. — М.: Транспорт, 1974. -
3. Злобин Б. С. Разработка научных основ процесса изготовления биметаллических заготовок подшипников с использованием взрыва. — Дисс. док. тех. наук, Новосибирск, 2000, 275с.
4. А. А. Штерцер. Влияние состояния поверхности частиц на их консолидацию при взрывном компакти-ровании порошковых и гранульных материалов // Физика горения и взрыва, 1993, т. 29, № 6, с. 72−78
5. Злобин Б. С., Ким И. С. и др. Способ сварки взрывом разнородных материалов, А.С. № 1 587 792, 1990.
6. В. В. Сильвестров, А. В. Пластинин. Исследование низкоскоростных эмульсионных взрывчатых веществ // Физика горения и взрыва, 2009, т. 49, № 5, с. 124−133.
7. Сильвестров В. В., Пластинин А. В., Рафейчик С. И. Применение эмульсионных ВВ для сварки взрывом // Автоматическая сварка, 2009, № 11, С. 69−73.
8. Конон Ю. А., Первухин Л. Б., Чудновский А. Д. Сварка взрывом. — М.: Машиностроение, 1987, 216с.
9. Штерцер А. А. Поведение тонких поверхностных плёнок в зоне контакта металлических тел при высоких давлениях // Физика горения и взрыва, 1995. т. 31, № 6. с. 113−116.
10. Штерцер А. А. О возможном механизме схватывания твердых тел // Трение и износ, 1995, т. 16, № 4, с. 745−751.
11. Семенов А. П. Схватывание металлов и методы его предотвращения при трении // Трение и износ, 1980. т. 1, № 2. с. 236−246.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Р Ф № НШ-247. 2012.1.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой