Третьяков_Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов (Третьяков Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов), страница 10

Склонность сплавов кобразованию горячих трещин увеличивается при наличии в металле неметаллических включений, газов (водорода, кислорода),серы и других примесей. Кроме того, к образованию горячих48трещин ведут резкие переходы от тонкой части заготовки к толстой, острые углы, выступающие части и т.д. Высокая температура заливки жидкого металла в форму или сварочной ванныспособствует увеличению размеров кристаллитов и увеличиваетперепад температур в отдельных частях заготовки, что повышаетвероятность образования этих дефектов.Холодные трещины возникают в области упругих деформаций,когда сплав полностью затвердел. Тонкие части заготовки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. При этом в них возникают растягивающие напряжения, которые вызывают появлениетрещин.

Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных заготовках сложной конфигурации. Вероятность образованияэтих дефектов тем выше, чем значительнее усадка сплава при пониженных температурах, ниже его теплопроводность и вышеупругие свойства. Опасность образования трещин в заготовкахусиливается при наличии в сплаве вредных примесей (например,фосфора в сталях).Металлы и сплавы в жидком состоянии участвуют в химическом взаимодействии с окружающей средой, сущность которогосостоит в окислении металла, насыщении водородом и азотом,что приводит к снижению механических свойств и образованиюгазовой пористости.

Химическое взаимодействие ограничиваютуменьшением температуры жидкого металла и времени пребывания при высоких температурах. Кроме того, предварительно просушивают литейные формы, сварочные флюсы и применяютзащитные среды (инертные газы, вакуум и др.) при нагреве, кристаллизации и остывании заготовок.В процессе охлаждения жидкого металла выделяются газы,так как растворимость их выше в жидком состоянии, чем в твердом. При затвердевании металла растущие кристаллиты препятствуют свободному выделению пузырьков газа, поэтому значительная их часть может остаться в отливке или сварном шве,образуя газовую пористость. Сплавы с широким интервалом кристаллизации при значительном газонасыщении затвердевают сувеличением объема заготовки.Для большинства сплавов характерна различная растворимостьэлементов в жидкой и твердой фазах.

Процесс кристаллизации таких расплавов характеризуется ликвацией, т. е. неоднородностьюхимического состава в различных участках слитков, отливок исварных швов. В сплавах различают внутрикристаллическую(микроскопическую) и зональную (макроскопическую) виды лик49вации. Более подробно процесс образования ликвации рассматривается в дисциплине «Материаловедение».5.3. Получение заготовок методамилитья и сварки плавлениемПри литье заготовок на процесс затвердевания и образованиякристаллической структуры существенно влияет температура заливки металла в форму и скорость охлаждения отливки.Низкие температуры заливки металла, как правило, приводят кобразованию мелкозернистой структуры, а высокие вызывают получение крупных кристаллитов в заготовках.Низкие скорости охлаждения отливки способствуют получению крупных дендритно-равноосных кристаллитов.

С увеличением скорости охлаждения появляются зоны столбчатых кристаллитов. При очень большой скорости охлаждения расплава получается сплошная мелкая столбчатая структура большой плотности, длякоторой характерны высокие механические свойства.Особенностью отливок, изготовленных с кристаллизацией поддавлением (жидкая штамповка), является отсутствие прибылей илитниковых систем. При этом усадка заготовок определяетсясвойствами сплава, схемой прессования, давлением и временемвыдержки отливки под нагрузкой. Увеличение давления и временипрессования способствуют уменьшению усадки отливки.При сварке плавлением в результате расплавления кромок соединяемых элементов и присадочного материала образуется сварочнаяванна.

Этот процесс является разновидностью литья заготовок в металлическую форму, поэтому кристаллизация шва в значительнойстепени напоминает формирование отливок. Однако условия кристаллизации сварочной ванны имеют следующие отличия:− металл шва кристаллизует ся со средней скоростью, равнойскорости перемещения сварочной ванны;− условия кристаллизации ш ва связаны с формой подвижноготемпературного поля;− наличие «готовых» центро в кристаллизации на стенках соединяемых элементов и др.Размеры столбчатых кристаллитов зависят от способа и режимов сварки.

Увеличение длительности существования сварочнойванны при высоких температурах, например, в случае электрошлаковой сварки, вызывает заметное увеличение размеров кристаллитов в зоне шва и зоне термического влияния.505.4. Наплавка и газотермическое нанесение покрытийСущность процесса наплавки заключается в получении поверхностных слоев нанесением расплавленного присадочного материала методом сварки (рис. 5.3). Проплавление основного металла, перемешивание основного и наплавленного металлов должны быть минимальными для сохранения механических свойствнаплавляемого слоя.абРис.

5.3. Схема дуговой наплавки:а – покрытым электродом; б – порошковой проволокой:I – материал покрытия; II – изделиеМатериалы, применяемые для наплавочных работ, можно разделить на следующие группы: сплавы на основе железа (стали, высокохромистые чугуны и др.); сплавы на основе никеля и кобальта;сплавы на основе меди; карбидные сплавы (с карбидом вольфрамаили хрома) и др.Наплавку применяют для восстановления изношенных изделийи для создания поверхностей с необходимыми свойствами при изготовлении новых изделий. Масса наплавленного слоя обычно непревышает нескольких процентов от общей массы заготовки.

Призатвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в наплавленном слое происходит на базе частично оплавленных зереносновного металла.Наиболее широкое распространение в промышленности получила дуговая наплавка покрытым электродом, порошковой проволокой в среде защитных газов, под флюсом и др. Электрошлаковую наплавку применяют, когда необходимо наплавить большоеколичество металла. Лазерная наплавка обеспечивает локальностьтеплового воздействия, минимальное перемешивание наплавленного и основного металлов, а также практическое отсутствие деформации изделия после наплавки.51При проведении работ по наплавке следует иметь в виду, что вповерхностных слоях наплавленного металла возникают остаточные, как правило, растягивающие напряжения. В результате этоговозможно не только искажение формы и размеров заготовок, но ипоявление трещин в наплавленном слое.Сущность процессов газотермического нанесения покрытийзаключается в образовании наплавленного потока дискретных частиц размером от 10 до 200 мкм.

Для образования прочных связеймежду частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активации при их контактировании с поверхностью,которая, как правило, не оплавляется. Это достигается нагревом иускорением частиц в процессе переноса.В зависимости от источника теплоты и движущих сил переносаразличают следующие способы напыления: газопламенное, плазменное, детонационное, дуговая металлизация и высокочастотнаяметаллизация.В газопламенных процессах для нанесения покрытий используют теплоту, выделяющуюся при сгорании горючих газов в смеси скислородом или сжатым воздухом.

Основными видами материалов,используемых при газопламенном напылении для создания потокачастиц, являются порошок и проволока (рис. 5.4). В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан или водород, при сгораниикоторых в кислороде при выходе из сопла развивается температура2500 °С, скорость движения частиц достигает 50..120 м/с, а производительность — 2…8 кг/ч (для стали) и 5…30 кг/ч для цинка.При плазменном напылении применяют в основном струи, получаемые в дуговых плазмотронах, в которых источником нагреваявляется дуга, горящая между водоохлаждаемыми электродами. Вкачестве плазмообразующих газов применяют аргон, водород,азот, аммиак, гелий, воздух и др.

Частицы порошка, попадая вплазменную струю, расплавляются и переносятся на поверхностьобрабатываемого изделия.При детонационном напылении источник нагрева представляетсобой высокоскоростной поток газовой смеси, образующейся врезультате направленного взрыва, обусловленного детонацией.Скорость продуктов детонации определяет скорость напыляемыхчастиц и обычно составляет 800…1200 м/с.При электродуговом напылении (металлизации) образованиепотока наплавляемых частиц происходит в результате плавленияматериала высокоамперной дугой.

Особенностью горения дуги вэлектрометаллизаторе является воздействие мощного скоростного52потока распыляющего газа в результате чего происходит сжатиедуги, температура которой достигает 4000 °С.абРис. 5.4. Схема газопламенного нанесения покрытий:а – порошком; б – проволокойПроцесс высокочастотного напыления (металлизации) основанна использовании токов высокой частоты. Помещенный в индукторе стержень (проволока) распыляется вихревыми токами, возникающими под воздействием переменного магнитного поля, образующегося при прохождении высокочастотного тока по катушке.Расплавленный металл распыляют струей сжатого воздуха и напыляют на обрабатываемую поверхность при напылении металлов, активно взаимодействующих с кислородом, используютинертные газы.Газотермическое нанесение покрытий может осуществлятьсякак при атмосферном, так и пониженном или повышенном давлении.