Диссертация (Разработка технологических основ нанесения алюмоматричного композиционного материала на сегмент упорного подшипника скольжения), страница 6

На рост толщины диффузионногослоя можно влиять двумя способами:1) ограничением температуры нагрева границы раздела сталь-алюминий,без учета времени нахождения при этой температуре;362) ограничением времени пребывания границы раздела сталь-алюминийпри температурах, превышающих температуры образования интерметаллидовFe-Al.Кроме температурно-временного фактора, на прочностные характеристикисталеалюминиевых биметаллических соединений, определяющих толщину исвойства диффузионного слоя, влияют легирующие элементы [52,56,62–66](Рисунок 1.16).

Применение в качестве материала основания колодокподшипников скольжения н.у. стали, содержащей ограниченное количестволегирующих элементов, основное значение приобретают легирующие элементы,присутствующие в составе сплава на основе алюминия. Среди них положительнона прочностные характеристики соединения стали с алюминием влияют кремнийи марганец [63] (Рисунок 1.16).Рисунок 1.16.Влияние легирующих элементов на величину временного разрушения прииспытаниях на разрыв биметаллических соединений [63]Причем именно кремний оказывает наибольшее влияние на толщинуинтерметаллидногослоя,иследовательно,напрочностьсоединения.Установлено, что добавление даже 0,1 масс.% кремния в расплав алюминияприводит к возникновению интерметаллидных фаз системы Fe-Al-Si уже притемпературах510°С,приэтомсдобавлениемкремниятолщинаинтерметаллидного слоя уменьшается [67].

Характер влияния содержаниякремния в составе присадочных материалов на прочность сталеалюминиевых37соединений, полученных процессом сварки плавлением на одинаковых режимахс применением присадочных материалов разного состава исследован авторамиработы [65] (Таблица 5). Обнаружено, что при легировании присадочногоматериалакремниеминтерметаллидногодослоя12масс.%(2мкм)засчетминимальнойбиметаллическиетолщинысталеалюминиевыесоединения характеризуются максимальной прочностью 136 МПа. Применениеприсадочных материалов, содержащих в своем составе медь, позволяет получитьнеразъемные сталеалюминиевые соединения с толщиной интерметаллидногослоя 7 мкм, характеризующиеся величиной временного сопротивления на разрыв110 МПа. Минимальными прочностными характеристиками (63 МПа) принаибольшем значении толщины интерметаллидного слоя (10 мкм) обладаютсталеалюминиевые соединения, изготовленные с применением присадочныхматериалов на основе цинка, содержащих 15% масс.

алюминия (Таблица 5) [65].Таблица 5.Химический состав присадочной проволоки и результаты испытаниясварных соединений на статическое растяжение [65]ПрисадочныйСодержание химического элемента, масс. ТолщинаМатериалSi Fe CuMn MgCrZnTiAlИМслоя,мкмσв, МПаAl–5%Si4.5–5 0.80.30.05 0.05-0.10.25134Al–12%Si11– 0.80.30.150.1-0.2-21360.2– 0.02-0.1 0.1–71104116106313Al–6%Cu0.20.3 5.8–6.8Al–10% Si–4% 9.3– 0.80 3.3–CuZn–15% Al10.70.40.20.15 0.15 0.15 0.20-4.70.500.01515Таким образом установлено, что жидкофазные методы позволяют получатьбиметаллические сталеалюминиевые соединения, не уступающие по прочностипри статическом растяжении соединениям, полученным твердофазными38методами. При этом по простоте, технологичности и стоимости оборудованияжидкофазные методы являются предпочтительными. Среди них процесс дуговойнаплавки с применением КМ в качестве присадочного материала наиболееперспективен для внедрения в промышленность, поскольку характеризуетсяуниверсальностью и позволяет получать как готовые покрытия необходимойформы и размера без дополнительной механической обработки, так иосуществлять их последующий ремонт.1.4.

Постановка задач исследованияИз литературного обзора следует, что дисперсно-наполненные КМ системыAl-SiC обладают рядом ценных особенностей по сравнению с традиционнымиантифрикционными сплавами, применяемыми в подшипниках скольженияэнергетических установок (паровых турбин). Их применение в качестве рабочегослоя на стальных колодках подшипников скольжения позволит при сохранениикоэффициентатренияповыситьизносостойкость,расширитьдиапазонтрибонагружения, что уменьшит вероятность поломки при нештатныхситуациях, вызывающих выход из строя узлов трения в процессе эксплуатации.Поэтому дисперсно-наполненные КМ системы Al-SiC являются весьмаперспективными для применения в подшипниках скольжения энергетическогооборудования.При выборе состава матрицы и наполнителя КМ для создания покрытияследует руководствоваться ограничением на содержание дисперсных частиц вматрице алюминиевого сплава не выше 10% для сохранения антифрикционныхсвойств, а также использовать матрицу с содержанием кремния близких кэвтектическому для уменьшения диффузионного взаимодействия алюминиевогосплава с твердой сталью и снижению степени диссоциации частиц SiC в процессеаргонодуговой наплавки.Анализ литературных и патентных источников показал, что при получениисталеалюминиевых неразъемных соединений требуется учитывать не толькоособенности материалов, связанные с различием в их свойствах, но и39металлургическую несовместимость, результатом которой является химическоевзаимодействие и образование на границе раздела слоя, состоящего изинтерметаллидов системы Al-Fe.

Причем на кинетику процесса образованияданных интерметаллидов основное влияние оказывают факторы, главными изкоторых являются температура нагрева, время пребывания при даннойтемпературе, а также легирующие элементы, входящие в состав матричногосплава КМ. Наличие интерметаллидов на границе раздела сталь-алюминийотрицательносказываетсянасвойствахбиметаллическихконструкций,поскольку приводит к охрупчиванию соединения и уменьшению прочностныххарактеристик. В тоже время требованиями к подшипникам скольжения паровыхтурбин установлены прочностные характеристики на уровне не ниже 60 МПа.Проведенное сопоставление возможностей твердофазных и жидкофазныхпроцессов получения покрытий из КМ системы Al-SiC на рабочих поверхностяхподшипников скольжения позволило установить, что жидкофазные методыпозволяют получать биметаллические сталеалюминиевые соединения, неуступающие по прочностным характеристикам соединениям, полученнымтвердофазнымиметодами.Крометого,твердофазныеметодыимеютограничения по геометрии соединяемых поверхностей, а также твердостиалюминиевых сплавов (не более 480 HV).

В сравнении с ними жидкофазныеметоды характеризуются простотой, технологичностью и меньшей стоимостьюоборудования и являются предпочтительными. Однако, при осуществлениижидкофазных процессов совмещения, одним из основных требований являетсяобеспечение смачиваемости твердой стали жидким алюминием, для чего наповерхность стали предварительно наносят промежуточные переходные слои изцинка или алюминия. Среди жидкофазных методов процесс аргонодуговойнаплавки наиболее перспективен для внедрения в промышленность посколькуобеспечивает максимальный уровень триботехнических характеристик, а такжехарактеризуется универсальностью и позволяет получить как готовое покрытиенеобходимой формы и размеров без дополнительной механической обработки,так и осуществлять их последующий ремонт.40Основными особенностями при создании антифрикционных алюминиевыхпокрытий на поверхности стали процессом аргонодуговой наплавки являетсяразличная температура плавления стали и алюминия, и образование вдиффузионной зоне по границе соединения интерметаллидов.

Образованиесоединение происходит при условии растекания по поверхности твердой сталирасплава матричного сплава КМ, поэтому требуется нанесение промежуточныхпокрытий на поверхность стали, обеспечивающих смачивание стали расплавом.Интерметаллиды, обладая высокой твердостью и низкими значениями пределапрочности, образуют на границе раздела сталь-алюминий сплошной слой, сувеличениемтолщиныкоторогопрочностныехарактеристикисталеалюминиевых соединений уменьшаются. В связи с этим возникаетнеобходимость ограничить рост толщины интерметаллидного слоя.Проведенный анализ литературных данных позволил сформулироватьзадачи данной работы.Задачи исследований:1.Провести исследование состава и структуры интерметаллидного слоя,образующегося на границе раздела сталь-алюминий биметаллических соединений.Выявить влияние технологии совмещения (параметров режима; состава и способананесенияпромежуточныхпереходныхслоев)нахарактеристикиинтерметаллидного слоя (состав, геометрические размеры, характер).2.

Исследоватьзависимостьмеханическихсвойствбиметаллическихсоединений и особенностей структурно-фазового состава границы раздела отрежимов и технологии совмещения.3. Разработать математическую модель, позволяющую оценить термическоевоздействие процесса наплавки КМ на сталь с нанесенным промежуточным слоем.4. Разработатьтехнологическиерекомендациидляизготовлениябиметаллических сталеалюминиевых соединений с рабочим слоем из дисперснонаполненных КМ системы Al-SiC на примере упорного подшипника скольженияпаровой турбины.41ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ2.1. Применяемые материалы и методы получения покрытия2.1.1 Применяемые материалыПри проведении экспериментов по изучению характеристик диффузионнойзоны, образующейся на границе раздела в процессе дуговой наплавки рабочегослоя из КМ системы Al-SiC на стальную колодку в настоящей работе применялиматериалы,соответствующиепохимическомусоставупромышленноприменяемым материалам подшипников скольжения паровых турбин.

Поэтомув качестве материала подложки или основания при нанесении покрытийприменяли н.у. конструкционную сталь 20 (0,17-0,24% С; 0,17-0,37% Si; 0,350,65% Mn; ≤0,25% Cr; Fe – остальное по ГОСТ 1050). Присадочным материалом,позволяющим получить покрытия из КМ, служили литые прутки диаметром 4мм на основе сплава АК12 (10-13% Si; ≤0,6% Cu; ≤0,5% Mn; ≤0,3% Zn; ≤0,7% Fe;≤0,1% Ni; ≤0,1% Ti; Al – остальное по ГОСТ 1583) упрочненные частицамикарбида кремния зеленого α-SiC (ГОСТ 26327) зернистостью М40 поГОСТ 3647-80 (Al-SiC(40)). Прутки из КМ были изготовлены по литейнойтехнологии механическим замешиванием армирующих частиц в матричныйрасплав. Разливку композиционного расплава производили в разъемныелитейные формы, нагретые до 450 °С для увеличения жидкотекучести.Сплав АК12 удовлетворяет требованиям к матричным сплавам КМуказанным в главе 1, является эвтектическим силумином и обладает высокимимеханическими свойствами.