Диссертация (Разработка технологических основ нанесения алюмоматричного композиционного материала на сегмент упорного подшипника скольжения), страница 7

Значительное количество кремния (10-13%) в егосоставе увеличивает жидкотекучесть композиционного расплава, что особенноважно при осуществлении жидкофазных процессов, таких как сварка и наплавка.Кроме того, кремний подавляет интенсивное межфазное взаимодействие междурасплавами и армирующими частицами SiC. Однако, наличие или отсутствиеармирующих частиц не оказывает влияния на кинетику роста интерметаллидов,42а в первую очередь определяет высокий уровень трибологических свойств КМ.Поэтому в экспериментах, направленных на исследование диффузионной зонына границе раздела сталь-алюминиевое покрытие, были применены менеедефицитные присадочные материалы аналогичные по химическому составуматричному сплаву КМ: прутки марки OK Tigrod 4047 (≤0,6% Fe; 11-13% Si;≤0,15% Mn; ≤0,05% Cu; Al – остальное по AWS A5.10) диаметром 2,4 мм ипроволок сплошного сечения OK Autrod 4047 (≤0,6% Fe; 11-13% Si; ≤0,15% Mn;≤0,05% Cu; Al – остальное по AWS A5.10) диаметром 1,2 мм.В качестве материалов промежуточных слоев, необходимых при получениисталеалюминиевых соединений, применяли алюминий марки АД1 (≤0,3% Fe;≤0,3% Si; ≤0,025% Mn; ≤0,15% Ti; ≤0,05% Cu; ≤0,1% Zn; Al – остальное по ГОСТ4784-97), проволоку сплошного сечения Св-А5 (от 0.2 до 0.35% Fe; от 0.1 до0.25% Si, ≤0,015% Cu; Al – остальное по ГОСТ 7871-75), а также цинк.Применение для промежуточных слоев не легированных сплавов, позволялоучитывать влияние на характеристики диффузионной зоны легирующихэлементов, присутствующих только в составе присадочного материала.Для сравнительных исследований антифрикционных свойств покрытия изКМ состава АК12-SiC, применяли антифрикционный сплав баббита Б83 (≤0,1%Fe; ≤0,005% Al; 5,5-6,5% Cu; ≤0,05% As; ≤0,35% Pb; ≤0,004% Zn; 10-12%Sb;≤0,05% Bi, Sn – остальное по ГОСТ 1320-74).2.1.2.

Получение промежуточных слоевДля обеспечения смачивания поверхности твердых стальных образцовматричнымрасплавомнаосновеалюминияиудовлетворительногоформирования наплавленных валиков предварительно на их поверхностьнаносили цинковый и алюминиевый промежуточные слои.Согласнорезультатамисследованияспособнанесенияцинковогопромежуточного слоя на поверхность стали не оказывает существенноговлияния на ее смачиваемость алюминиевым расплавом [54]. Поэтому длянанесения промежуточного слоя цинка на поверхность стали применяли43наиболее экономически выгодный и простой в реализации метод горячегоцинкования.

Горячее цинкование проводили по серийной заводской технологиипогружением стальных образцов в ванну расплава с содержанием цинка не менее90% по массе и имеющем температуру 450..470ºС. Время выдержки в ваннесоставляло 3 минуты. Предварительно стальные пластины подвергалиследующим подготовительным операциям:- механическая зачистка от грязи и ржавчины;- обезжиривание;- промывка;- травление;- промывка;- флюсование.Поверхность стальных пластин обезжиривали с помощью Нефраса С280/120ГОСТ443-76,притемпературе80°C.Послепромывкивдистиллированной воде, проводили травление в ванне с соляной кислотой,имеющей концентрацию от 120 до 210 г/л, при температуре окружающей среды20..25°C. Для удаления остатков кислоты и солей стальные пластины промывалив воде.

Флюсование проводили путем погружения пластин из стали в подогретыйдо 40..50°С водный раствор хлоридов цинка и аммония. Необходимость даннойтехнологической операции обусловлена не только удалением оксидов споверхности пластин, но также и получением химически стабильной пленки,которая предотвращает последующее окисление и обеспечивает хорошеесмачивание расплавом цинка. Толщина полученного промежуточного слоя изцинка составляла 9-12 мкм, при отсутствии интерметаллидов Fe-Zn по границераздела сталь-цинковый промежуточный слой (Рисунок 2.1).44Рисунок 2.1.Цинковый промежуточный слой на поверхности стали1 – цинковый промежуточный слой; 2 – сталь 20Для получения промежуточного слоя из алюминия использовали дваметода, отличающихся по кинетике образования диффузионной зоны на границесоединения и ее характеру: жидкофазный и твердофазный.Основное требование, предъявляемое к жидкофазным методам полученияпромежуточного слоя, заключается в ограничении тепловложения.

Приизготовлении качественных покрытий процессом алитирования за счетпогружения образцов в ванну с алюминиевым расплавом необходимпредварительный нагрев образцов, а для получения покрытий с толщинойнесколько миллиметров, увеличение времени выдержки в ванне с расплавом,что, несомненно, сопровождается ростом интерметаллидов на границе разделасталь-алюминий. Поэтому в работе применяли альтернативный процессдугового алитирования по технологии холодного каплепереноса Cold MetalTransfer (CMT), позволяющий ограничить рост интерметаллидов за счетрегулирования тепловложения.

Для реализации технологии СМТ применялиоборудование TransPuls Synergic 2700 фирмы Fronius. В отличие отклассического процесса каплепереноса, где перегретая жидкая капля попадает всварочную ванну за счет электромагнитных сил и собственной массы, в CMTпроцессе перенос присадочного материала происходит после касания сварочнойванны жидкой каплей, образовавшейся на торце присадочной проволоки, за счетмеханических сил при движении сварочной проволоки в направлении обратномот сварочной ванны (Рисунок 2.2). Данная технология позволяет получить на45стальной подложке промежуточный слой алюминия толщиной до 2 мм сминимальным тепловложением (Рисунок 2.3).

При дуговом алитировании потехнологии СМТ была использована сварочная проволока марки Св-А5 по ГОСТ7871-75 диаметром 1,2 мм. Наплавку проводили на пластину размером 150х200толщиной 2 мм из стали 20. Параметры дугового алитирования были выбранысогласно [64] и приведены в Таблице 6. Перед наплавкой на поверхностьстальной пластины наносили цинковое покрытие.Таблица 6.Режимы нанесения алюминиевого промежуточного слоя методом дуговогоалитированияТок импульса, АБазовый ток, АНапряжение, В1504017Скоростьнаплавки, м/мин0,5Рисунок 2.2.Схема процесса холодного каплепереносаа – зажигание дуги и подведение проволоки к сварочной ванне;б – касание торца электрода сварочной ванны и снижение значения тока;в – механическое движение проволоки в направлении от сварочной ванные иотделение капли присадочного материала;г – возобновление процессаРисунок 2.3.Стальной образец с алюминиевым покрытием, полученным дуговымалитированием1 – алюминиевый промежуточный слой; 2 – сталь 2046Твердофазные методы характеризуются возможностями получения за однутехнологическую операцию промежуточного слоя из алюминия большихтолщин (до 20 мм), по сравнению с жидкофазными [68].

Увеличение толщиныпромежуточного слоя позволит при нанесении процессом дуговой наплавкиантифрикционного рабочего слоя снизить вероятность или избежать контактажидкого расплава наплавляемого слоя с твердой сталью. Промежуточный слойиз чистого алюминия АД1 наносили на пластины из стали 20 размером 300х150мм толщиной от 3 до 15 мм с применением процесса сварки взрывом.

Данныйпроцесс является наиболее экономичным среди твердофазных методов, а такжеобеспечивает максимальный уровень адгезионной прочности на границыраздела, как уже было отмечено в главе 1.Процесссваркивзрывомосуществлялипопараллельнойсхеме,обеспечивающей постоянство кинематических параметров процесса сварки впределах всей площади заготовки (Рисунок 2.4). При выборе технологическихпараметров процесса руководствовались результатами работ [14,37,51], всоответствии с которыми скорость сварки составляла Vк=2000..2200 м/с,скорость соударения свариваемых элементов Vc=380 м/с, а в качествевзрывчатого вещества применяли аммонит №6ЖВ ГОСТ 21984-76.Рисунок 2.4.Схема нанесения на стальное основание промежуточного слоя из алюминияАД1 сваркой взрывомH-высота насыпки взрывчатого вещества аммонит №6ЖВ; h-зазор; δ1-толщинаалюминиевой пластины, δ2-толщина стальной пластины1 – алюминиевый подслой из материала АД1; 2 – сталь 20; 3 – взрывчатоевещество аммонит №6ЖВ47В результате были получены образцы с размерами 300х150 мм с толщинойалюминиевого промежуточного слоя 3; 3,5; 5 и 8 мм, что давало возможностьоценить влияние технологических параметров на тепловложение при наплавкекак с полным проплавлением промежуточного слоя, так и без него, а такжеполучить необходимые данные для создания математической модели процессааргонодуговой наплавки на биметаллические образцы (Рисунок 2.5).Рисунок 2.5.Внешний вид образцов с плакированным алюминиевым подслоем1 – алюминиевый подслой из материала АД1; 2 – сталь 202.1.3 Получение покрытийВ зависимости от толщины промежуточного слоя, при создании покрытийиз дисперсно-упрочненных КМ, возможно наличие или отсутствие контактакомпозиционного расплава с твердой поверхностью стали.

Поэтому дляисследования кинетики образования диффузионной зоны нанесение покрытий изматричного сплава КМ на основе алюминия осуществляли аргонодуговойнаплавкой по следующим схемам:а) аргонодуговая наплавка на сталь с промежуточным слоем из цинка(Рисунок 2.6, а);б) аргонодуговая наплавка на сталь с промежуточным слоем из алюминия сполным его проплавлением, т.е. с контактом расплава с твердой сталью(Рисунок 2.6, б);в) аргонодуговая наплавка на сталь с промежуточным слоем из алюминия счастичным его проплавлением, т.е.