Диссертация (1026134), страница 8
Текст из файла (страница 8)
без контакта расплава с твердой сталью(Рисунок 2.6, в).48Степень проплавления промежуточного слоя из алюминия обеспечиваласьприменением технологических параметров режима наплавки, соответствующихрекомендованным для наплавки алюмоматричных КМ [27,28,33] (Таблица 7).а)б)в)Рисунок 2.6.Схемы нанесения покрытия из дисперсно-упрочненных КМ на основеалюминия:а) на сталь с промежуточным слоем из цинка;б) на сталь с промежуточным слоем из алюминия с полным егопроплавлением;в) на сталь с промежуточным слоем из алюминия с частичным егопроплавлением1 – наплавленный алюминиевый сплав 4047; 2 – присадочный материал; 3 –промежуточный слой; 4 – сталь 2049Таблица 7.Технологические параметры режима нанесения покрытий из матричныхсплавов композиционных материалов на основе алюминия на стальСхема нанесения покрытияСварочныйток, Iсв, АНапряжениена дуге, Uд, ВСкоростьнаплавки, Vн,м/час150-16017-2011-13150-16017-2011-13190-20019-2111-13120-16015-1811-13«а» аргонодуговая наплавка насталь с промежуточным слоемиз цинка«б» аргонодуговая наплавка насталь с промежуточным слоемиз алюминия, полученным потехнологии CMT с полным егопроплавлением«б» аргонодуговая наплавка насталь с промежуточным слоемиз алюминия полученнымсваркой взрывом с полным егопроплавлениемаргонодуговая наплавка на стальс промежуточным слоем изалюминия полученным сваркойвзрывом с частичным егопроплавлением2.2.
Выбор допустимой доли наполнителя в присадочном материалеВ соответствии с формулой Эйнштейна армирование частицами должноприводить к снижению жидкотекучести композиционного расплава [69]:=о∙ (1 + 2,5 ∙(2.1))где η и η0 – динамическая вязкость композиционного и исходного расплавасоответственно, Па·с; Vp – объемная доля дисперсных частиц, %.В связи с этим при выборе наплавочных материалов из КМ особое вниманиеследуетуделятьколичествунаполнителя,позволяющемуобеспечить50жидкотекучесть, достаточную для качественного формирования наплавленныхслоев.При выборе допустимой доли армирующих частиц руководствовалисьрезультатами оценки жидкотекучести сварочной композиционной ванны пометоду А.А. Ерохина, применяемому для неармированных материалов [70].
Поджидкотекучестьюсварочнойванныпонимаетсякомплекссвойств,определяющий ее способность изменять свою форму под действием силытяжести и других сил, действующих на расплав в процессе наплавки. В литейнойтехнологии для оценки жидкотекучести металла пользуются разного родатехнологическими пробами не пригодными для условий процесса дуговойнаплавки. При дуговой наплавке, в отличие от литья, объем и температураметалла сварочной ванны не поддаются раздельному регулированию. Крометого, в различных точках сварочной ванны металл имеет разную температуру:непосредственно под дугой температура поверхностного слоя приближается ктемпературе кипения металла, а на периферии ванны температура металла непревышает точку ликвидуса [22]. В связи с этим практический интереспредставляет определение жидкотекучести сварочной ванны в целом, а неотдельно взятого из нее объема металла.В методе А.А.
Ерохина жидкотекучесть сварочной ванны оцениваетсякосвенно–понарушениюсимметричностипоперечногосечениягоризонтального валика, наплавленного на наклонную плоскость (угол наклонаα=35°) [70,71]. Несимметричность сечения валика, наплавленного на наклоннуюпластину, характеризуется соотношением площадей F2/F1 и значениями краевыхуглов оттекания φ1 и натекания φ2, которые зависят от соотношения вязкостирасплава и поверхностных натяжений расплав-газ, расплав-твердое тело, твердоетело-газ [71] (Рисунок 2.7). Очевидно, что большему значению отношения F2/F1соответствует лучшая жидкотекучесть сварочной композиционной ванны.Наплавку осуществляли по технологии, изложенной в п.2.1.3.
Проводили неменее трех измерений площадей F1 и F2 для каждого состава сварочной51композиционной ванны при постоянном режиме наплавки I=160 A, U=18 B,Vнап=4,2 м/ч.Рисунок 2.7.Схема оценки жидкотекучести композиционного материала понесимметричности сечения валика, наплавленного на наклонную плоскость1 – наклонная пластина; 2 - присадочный композиционный пруток; 3 –наплавленный валик2.3. Методы исследования структуры образцовПодготовку образцов к металлографическим исследованиям проводилимеханическим шлифованием на наждачной водостойкой бумаге, имеющейабразивные зерна карбида кремния зеленого разного размера с постепеннымснижением зернистости от Р400 до Р2500.
При смене наждачной бумаги каждыйраз изменяли направление шлифования на 90° для удаления рисок, оставшихсяот предыдущей шлифовки. После завершения шлифования поверхностьмеханически полировали суспензией оксида хрома Cr2O3 ГОИ №2 согласно ТУ6-18-36-85.Структуру образцов исследовали в исходном состоянии и после травления.Длятравления применяли20% спиртовой раствор азотнойкислоты,позволяющий выявить элементы структуры диффузионной зоны на границераздела сталь-алюминий.
После обработки поверхности шлифов реактивом втечении 3-5 секунд образцы промывали водой.Исследование структуры диффузионной зоны и фрактографический анализповерхности разрушения образцов проводили с применением световых52микроскопов БИОМЕД ММР-2 и Axiovert 200 (Carl Zeiss), оснащенныхцифровыми камерами, а также растровых электронных микроскопов HeliosNanoLab 660 и TESCAN VEGA. Для обработки изображений и количественныхизмерений применялась программа ImageJ, которая позволяет наносить отрезкиповерх фотографий, полученных с помощью цифровой камеры и измерятьплощадь контуров сложной формы при условии однородности их цветового кодана изображении, что позволяет измерять параметры интерметаллидного слоя награнице раздела сталь-алюминий, а также оценить расположение частиц SiC внаплавленном из КМ покрытии.Для определения элементного состава диффузионной зоны междунаплавленнымметалломистальюбылаиспользованасистемаренгеноспектрального микроанализа Oxford INCA Energy 350, обеспечивающаяобласть сканирования не превышающую 1 мкм, что позволяло определитьграницы интерметаллидных фаз системы Al-Fe разного стехиометрическогосостава и закономерности изменения концентрации элементов в диффузионнойзоне.2.3.1.
Определение параметров диффузионной зоныОценку диффузионной зоны на границе раздела сталь-алюминий проводилипо следующим параметрам [37]:- стехиометрический состав интерметаллидов в диффузионной зоне;- толщина интерметаллидного слоя: минимальная (hmin), средняя (hср),максимальная (hmax);- сплошность интерметаллидного слоя (K), характеризующая наличие илиотсутствие интерметаллидов Fe-Al на протяжении всей границы соединениястали с алюминием.Срединихсплошность(Рисунок 2.8).иколичественнымитолщинахарактеристикамиобразующейсямогутинтерметаллиднойсчитатьсяфазы[72]53Рисунок 2.8.Схемы измерения параметров интерметаллидного слоя на границе разделасталь-алюминийПридискретномхарактерераспределенияинтерметаллидоввдиффузионной зоне относительную протяженность интерметаллидной фазыопределяли по формуле:K=∑l∙ 100%L(2.2)где Σl – суммарная длинна диффузионной зоны, занимаемая интерметаллиднойфазой на исследуемом участке микрошлифа, мкм; L – длинна исследуемогоучастка микрошлифа, мкм.Максимальные и минимальные толщины интерметаллидного слоя измерялидля каждого участка на фотографиях микроструктуры.
Среднюю толщинуинтерметаллидного слоя определяли через отношение площади, занимаемойинтерметаллидной фазой, к длине слоя:hср =S∑l(2.3)где hср – средняя толщина диффузионного слоя, мкм; S – площадьинтерметаллидной фазы, мкм2.54Измерение площади проводилось на фотографиях микроструктурыдиффузионной зоны в программе для анализа и обработки изображений ImageJ.2.3.2. Оценка распределения частиц в наплавленном композиционномпокрытииДля выбора и оценки влияния пространственного положения нараспределение частиц наполнителя были наплавлены покрытия с применениемпрутков из КМ с матрицей на основе АК 12 с частицами SiC средним размером40 мкм в количестве 5 масс.% и 10 масс.% под углом α, имевшем значение 0°,20°, 40° или 60° (Рисунок 2.9). Наплавка проводилась по режимам I=160 A, U=18B, Vнап=13 м/ч, Vпод.пр.мат=0,8 м/мин.
В качестве подложки применяли пластиныразмером 300х150х5 из алюминия марки АД1.Также было проведено сравнение распределения частиц в наплавленныхпокрытиях с таковым в литых прутках КМ, применяемых для созданияпокрытий.Рисунок 2.9.Схемы аргонодуговой наплавки покрытий в различных пространственныхположениях1 – наплавленное композиционное покрытие; 2 – присадочныйкомпозиционный пруток на основе сплава АК12 армированный частицами SiC;3 – алюминиевая подложка из сплава АД155Определение объемного распределения проводилось методом случайныхсекущих в направлении, поперечном направлению наплавки [73]. При этомметоде определяется распределение частиц по площади в нескольких сеченияхнаплавленного слоя, что позволяет судить о распределении частиц по всемуобъему наплавленного слоя.Оценка распределения проводилась путем разбиения образца на 32сегмента, параллельных плоскости трения.
Относительная площадь частиц,занимаемая ими в сегменте, определялась по формуле:отн=част∙ 100%(2.4)где Sчаст – площадь, занимаемая частицами в исследуемом сегменте, мкм2, SΣ –площадь исследуемого сегмента шлифа, мкм2.Поле этого определяли среднюю относительную площадь, занимаемуючастицами на всем шлифе:отн.ср=∑отн.(2.5)где n – количество сегментов, на которые был разбит шлиф; Sотн.i – относительнаяплощадь, занимаемая частицами в каждом сегменте, %.Количественной характеристикой равномерности распределения частицявляется коэффициент вариации, который определялся для каждого шлифа:=∙ 100%(2.6)отн.сргде σ – среднее квадратичное отклонения содержания частиц, рассчитанное поформуле:σ=∑Sотн. − Sотн.срn(2.7)где Sотн.i – значение относительной площади, занимаемой частицами в i-ойполосе разбиения, %.56Процесс обработки изображений по площади, занимаемой частицами нашлифе, проводили с помощью компьютерной программы ImageJ, позволяющийуменьшить трудоемкость исследования изображения.
Обработка изображения впрограмме основана на сравнении яркости окраски частиц карбидов и матрицы.Исходными данными для программы являлись предварительно подготовленныепанорамные фотографии шлифов, где область армирующей фазы выделенамонохромным цветом. После чего программа оценивает цветовой код каждогопикселя и определяет количество пикселей белого или черного цветов.Для перевода полноцветного изображения в монохромное проводилиобработку предварительно подготовленных фотографий микроструктурыприсадочныхпрутковинаплавленныхпокрытийизКМфункцией«бинаризация» программы ImageJ. После такой обработки частицы карбидовкремния выделяются черным цветом, а матрица становится белой (Рисунок 2.10).абРисунок 2.10.Фотография микроструктуры сегмента шлифа присадочного прутка АК12+10% SiC(40) до (а) и после (б) бинаризацииПри выполнении «бинаризации» вместе с частицами SiC могут выделятьсячерным цветом все присутствующие на исходной полноцветной фотографиидефекты (трещины, загрязнения, поры и т.д.), а также другие фазы, имеющие тот57же цвет, что и наполнитель (например, кристаллы эвтектического кремния).Поэтому каждое изображение после бинаризации сравнивалось с исходнымизображением на предмет присутствия на бинаризированном изображенииобъектов черного цвета не являющихся армирующими частицами SiC.Несмотрянапреимуществоприменениякомпьютернойоценкиотносительной площади, заключающейся в небольшой трудоемкости метода,этот метод является относительно новым и не регламентируется стандартамиили другими документами.
Традиционно однородность распределения частицили исследуемой фазы проводятся следующими методами: метод случайныхточек Глаголева, метод мозаик Дирихле, линейный метод Розиваля. Для оценкисходимости результатов компьютерного анализа изображений с традиционнымиметодами, был выбран стандартизированный метод Глаголева, нашедшийприменение для оценки однородности распределения наполнителя в матрицеКМ.В методе Глаголева однородность распределения наполнителя оцениваетсяпутем наложения сетки на исследуемую область в сечении образца споследующим определением числа точек или перекрестий лежащих в сечениичастиц наполнителя (Рисунок 2.11).Рисунок 2.11.Фотография микроструктуры КМ Al-SiC с наложенной сеткой58Относительная площадь частиц в сегменте определяется в этом случае какотношение количества точек пересечения линий сетки, попавших на частицыкарбидов, к общему числу точек пересечения линий в сегменте:отн=(2.8)∙ 100 %где А – количество точек пересечений линий сетки, попавших на частицыкарбидов, шт; В – общее количество точек пересечений линий сетки, шт.Причем степень увеличения должна быть достаточной для точногоопределения присутствия или отсутствия армирующей частицы в точкепересечений линий сетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
