Диссертация (1026134), страница 5
Текст из файла (страница 5)
По результатам испытаний образцов изинтерметаллидов на статическое разрушение под действием сжимающих ирастягивающих усилий выявлено, что характер их разрушения хрупкий сотсутствием площадки текучести [38]. Также установлено, что в зависимости отспособа получения соединения, структура диффузионной зоны между сталью иалюминием может иметь различный характер и отличаться по своим свойствам.Поэтому при выборе способа получения антифрикционного покрытия изалюмоматричного КМ системы Al-SiC следует учитывать нетолькодостигаемый уровень трибологических свойств, но и обращать особое вниманиена состав, а также структуру диффузионной зоны на границе раздела стальалюминиевая матрица КМ.1.3.2.
Способы нанесения алюминиевых покрытий на поверхность сталиПолучение алюминиевых покрытий на поверхности стали возможно кактвердофазными (сварка прокаткой, сварка взрывом и др.), так и жидкофазными30(заливка, дуговая или лазерная наплавка и др.) способами, а также ихкомбинацией.Процесс соединения при твердофазных способах сварки стали с алюминиемпроисходит за счет локальной пластической деформации и состоит из 3 стадий[45,46]:1.
Образование физического контакта, то есть сближение атомовсоединяемых материалов за счет локальной пластической деформации нарасстояние, при котором возможно слабое химическое взаимодействие. Приэтомпроисходитактивацияконтактнойповерхностипластическидеформированного материала.2. Активацияконтактныхповерхностей.Происходитобразованиеактивных центров на поверхности стали, сопровождающееся началомобразования интерметаллидов на границе раздела материалов.
Наличие этогопериода и его длительность обусловлены особенностью пластическойдеформации стали.3. Объемное взаимодействие. Эта стадия наступает с момента образованияактивных центров на соединяемых поверхностях. Происходит развитиевзаимодействия соединяемых материалов как в плоскости контакта собразованием прочных химических связей, так и в объеме зоны контакта. Вплоскости контакта процесс заканчивается слиянием дискретных очаговвзаимодействия,характеризующимсяобразованиемнепрерывногослояинтерметаллидов на границе раздела между сталью и алюминием.В настоящее время для серийного производства сталеалюминиевыхподшипниковcпокрытиемизоловосодержащихалюминиевыхантифрикционных сплавов применяют процессы сварки в твердой фазе:прокаткой и взрывом.
При этом соединения, полученные сваркой взрывом,имеют прочностные характеристики на срез и на отрыв до 90 и 112 МПасоответственно, что на 15% больше значений для аналогичных биметаллическихобразцов, изготовленных сваркой прокаткой [47–49]. Данная тенденциясохраняется и при сравнении значений усталостной прочности биметаллических31образцов. Это объясняется тем, что соединение при сварке взрывом можетпроисходить практически без диффузионного взаимодействия, приводящего кобразованию интерметаллидных фаз [50].
Время силового воздействия присварке взрывом не превышает ~10-6 секунды, за которое, по-видимому, неуспеваютразвитьсяпроцессыдиффузии,приводящиекобразованиюинтерметаллидной фазы. За счет этого, при получении соединений сваркойвзрывом, между материалами образуется специфическая граница раздела с оченьразвитым микрорельефом, который представляет собой набор сопряженныхчередующихся участков с резко различными свойствами: мягких, пластичных итвердых, с ограниченной деформационной способностью. На пластичныхучастках отсутствует интерметаллидная фаза, в то время как твердые участкипредставляют собой оплавы или дискретные области, где произошлорасплавлениесоединяемыхметаллови,впроцессекристаллизации,образовались интерметаллиды. Сочетание твердых и мягких структурныхсоставляющих создает характерное напряженно-деформированное состояние,препятствующее развитию трещин в зоне соединения.
Поэтому усталостныетрещины в биметалле сталь-алюминий, полученном сваркой взрывом,развиваются по менее прочному алюминиевому материалу. При испытанияхбиметалла,полученногосваркойпрокаткой,усталостноеразрушениепрактически во всех случаях происходит по границе соединения алюминия состалью [14]. Именно поэтому процесс сварки взрывом в настоящее времяявляется наилучшим вариантом получения неразъемных сталеалюминиевыхсоединений.Однако, твердофазные методы имеют ограничения по геометриисоединяемых поверхностей и твердости алюминиевого сплава, так как призначениях твердости алюминиевого сплава выше 480 HV сварка стали салюминием за счет интенсивной локальной пластической деформациистановится невозможной [51]. КМ системы Al-SiC при этом имеют твердость вдиапазоне от 675 до 900 HV в зависимости от химического состава матричногоматериала и массовой доли наполнителя [7]. Поэтому для получения из них32покрытий на стали предпочтение следует отдавать жидкофазным способам, приреализации которых происходит образование интерметаллидов системы Fe-Al.Механизм образования и роста интерметаллидного слоя можно разделить нанесколько этапов (Рисунок 1.12) [38]:а) взаимная диффузия контактирующих металлов с различной скоростью,возникновение локально пересыщенных твердых растворов вокруг дефектовкристаллического строения со стороны алюминия;б) образование первых центров новой фазы в дефектных участках сповышеннойконцентрациейдиффундирующегоэлементасостороныалюминия;в) поперечный рост интерметаллидной фазы вдоль плоскости стыка состороны алюминия;г) смыкание и нормальный рост прослойки интерметаллидов со стороныалюминия;д) Образование первых центров интерметаллической прослойки со стороныстали, продолжение нормального роста первой интерметаллической прослойкисо стороны алюминия;е) смыкание интерметаллической прослойки со стороны стали, в результатеее поперечного роста и последующее увеличение ее толщины в сторону стали засчет диффузии атомов алюминия.Рисунок 1.12.Схема образования и роста интерметаллидов при взаимодействии Al с Fe [38]33Одним из основных требований при осуществлении жидкофазных способовявляется обеспечение смачиваемости твердой стали жидким алюминием.
Дляэтого предварительно на поверхность стали наносят промежуточные переходныеслои из различных металлов: цинк, серебро, ниобий или никель, расположенныхна диаграммах растворимости в твердом состоянии в пределах внутреннегоэллипса с большой осью размером ±0,2 единицы электроотрицательности ималой осью ±0,8% разницы в атомных радиусах (Рисунок 1.10).
Среди нихнаиболее широкое применение в промышленности, ввиду экономическойцелесообразности и простоты получения, имеют промежуточные слои из цинка,обеспечивающие увеличение смачиваемости твердой стали алюминиевымрасплавом достаточное, для удовлетворительного формирования алюминиевогопокрытия (Рисунок 1.13).Кроме того, согласно работам ряда авторов, цинк также способствуетторможению диффузионных процессов на границе соединения стали салюминием, что может привести к снижению толщины слоя интерметаллидов иувеличению прочности соединения [52,53].абРисунок 1.13.Смачивание каплей алюминиевого расплава стальной пластины [54].а – без промежуточного переходного слоя из цинка; б – с промежуточнымпереходным слоем цинкаСреди жидкофазных методов изготовления сталеалюминиевых соединенийнаибольший интерес для промышленного внедрения представляют процессысварки плавлением.
Альтернативные им литейные методы, например, процессзаливки, характеризуются высокой вероятностью образования несплавлений,34которыеявляютсянедопустимымидефектамивсталеалюминиевыхсоединениях, поскольку в процессе работы могут приводить к отслоениюалюминиевого покрытия от стальной основы.Согласнорезультатамиспытанийнастатическоерастяжениебиметаллических сталеалюминиевых соединений, полученных методом сваркиплавящимся электродом, увеличение толщины диффузионного слоя приводит куменьшению временного сопротивления на разрыв сварного соединения(Рисунок 1.14).
Разрушение в соединениях стали и чистого алюминияпроисходит по основному металлу со стороны алюминия при толщинедиффузионного слоя до 30 мкм, в то время как для соединения стали инизкопрочных сплавов алюминия (со значениями σв≤300МПа) при толщине, непревышающей 10 мкм [52,55,56]. Значения прочности на срез нахлесточныхсоединений стали с алюминием при этом могут достигать значений до 175 МПа[55].Рисунок 1.14.Влияние толщины интерметаллидного слоя на величину временногосопротивления разрыву биметаллических сталеалюминиевых соединенийполученных сваркой плавлением [56]Аналогичнуюзависимостьдемонстрируютрезультатыоценкипрочностных характеристик сталеалюминиевых образцов изготовленныхпроцессом лазерной сварки, входящей в группу жидкофазных способов.
Прииспытаниях на статическое растяжение, разрушение биметаллических образцов35происходит по алюминиевой части соединения при значениях толщиныинтерметаллидного слоя в диапазоне 4-8 мкм (Рисунок 1.15) [57].Рисунок 1.15.Зависимость временного сопротивления на разрыв от толщиныинтерметаллидной прослойки нахлесточного сварного соединенияалюминиевого сплава с оцинкованным стальным листом [57]Применение процесса сварки неплавящимся электродом с присадочнымматериалом [58,59] и без него [60] также позволяет получать соединения,характеризующиеся уровнем прочности сопоставимым с менее прочным изматериалов соединения (алюминием) при условии ограничения роста толщиныинтерметаллидного слоя.Таким образом, несмотря на противоречивый характер литературныхданных о влиянии значений толщины интерметаллидного слоя на прочностныехарактеристики сталеалюминиевых соединений, можно сделать вывод о том, чтомаксимальная толщина интерметаллидного слоя, при которой возможнополучение соединений с прочностными характеристиками необходимыми дляработы подшипников скольжения, соответствующие 60 МПа и выше [61],должна быть ограничена в пределах 10 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
