Пояснительная записка (1208322), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Технологические параметры получения биметаллических соединений оказывают влияние на структуру и прочность [1].
Основным фактором, влияющим на свойства зоны сплавления, является скорость охлаждения, действительно, изменяется распределение примесей, дендритная ликвациями, и при большой скорости охлаждения можно реализовать переход жидкой фазы в гомогенную твердую фазу. Бездиффузионная кристаллизация приводит к образованию твердого раствора, идентичного по составу с жидкой фазой.
Уменьшение температуры заливки чугуна способствует размельчению зерна, а при заливке "холодным" чугуном металлы не сплавляются.
Температура нагрева твердого металла определяет прочность соединения. При одной и той же температуре нагрева чугуна -1200 С сваривание отсутствует при температуре нагрева подложки 600–700 С, частично получается при нагреве до 800 С; полное сваривание начинается с 900 С.
При получении биметаллических изделий с участием жидкой фазы выделяются предварительная подготовка реагируемых поверхностей твердого тела, раскисление металла, нанесение и формирование покрытия.
Подготовка поверхности заключается в удалении окалины, масляных, жировых пятен и т. д.
После соответствующей обработки изделия, преследующую цель очистить поверхность от микрочастиц различной протяженности, необходимо позаботиться о снижении или устранении действия тончайшей окисной пленки, минимальная толщина которой составляет не менее 20 мкм.
Заливка может проводится в восстановительной среде, что, дает возможность обойтись без применения флюсов. При отсутствии специальной установки восстановительная среда может быть создана двумя способами. При крупносерийном производстве она создается с помощью древесного угля (карбюризатора), который засыпается вокруг заготовки. При сгорании углерода образуется восстановительная среда, состоящая из окиси углерода. При мелкосерийном и единичном производстве втулок иногда используется стержень, имеющий в своем составе значительное (50 %) количество древесного угля. Вследствие неполного сгорания древесного угля при соприкосновении с жидким металлом, а также соседства с нагретой заготовкой внутри формы создается восстановительная атмосфера. Для восстановления цилиндрического блока пневматического молота путем заливки разделанной трещины расплавом был применен подогрев газовой горелкой. Восстановление окислов на границе соединения металлов происходит за счет действия химических элементов шестикомпонентного самофлюсующегося сплава [1].
Удаление окислов восстановительным пламенем газовой горелки описано в работе. В момент заливки место контакта расплава с подложкой непрерывно обрабатывается восстановительным пламенем газовой горелки, что способствует полному удалению окисных пленок и образованию прочного соединения. Жидким металлом является также самофлюсующийся сплав.
При нагревании подложки могут быть созданы такие условия, при которых имеющаяся окисная пленка может раствориться. Это происходит в тот момент, когда весь кислород окружающей среды израсходуется и, дальнейшая диффузия атомов металла к поверхности будет приводить к обогащению металлическими атомами и уменьшению или исчезновению окисной пленки. Для ограничения объема применялся колпачок, который с момента израсходования под ним кислорода начинает играть роль экрана. При очень малом пространстве очистка поверхности при нагреве, по-видимому, может происходить в неглубоком вакууме или даже в том случае, если в рабочем пространстве имеется воздух.
Раскисление проводится с целью ограничения доступа газов окружающей среды в расплавленный металл, причем нормы расхода раскислителя обычные.
Нанесение (а также формирование покрытия) может осуществляться при окунании, получении расплава и подогрева подложки в индукторе, заливкой расплава в форму или на поверхность изделия.
Различные теоретические, научные выкладки, посвященные проблеме получения биметаллических изделий, решают отдельные задачи. Поэтому при разработке технологии восстановления или изготовления биметаллического соединения в отдельных моментах трудности могут быть и не преодолимыми. Получение прочного биметаллического соединения является важнейшим звеном при решении этих задач [1].
4.2 Методы исследования и оборудование
При изучении структуры контактных слоев применялось увеличение от 100 до 2000 раз на микроскопе МИМ-8М.
При измерении микротвердости на приборе ПМТ-3 применялась нагрузка. 50 граммов.
В водоохлаждаемой печи предусмотрены два горизонтальных разъема и три смотровых окна. В дно печи встроены четыре электрода, с помощью которых осуществляется ведение процесса в широком диапазоне температур: на подложке до 1000 С, на верхнем нагревателе до 1550 С. Для изготовления нагревателей различной конструкции использовался тантал, вольфрам, молибден, графит.
В связи с технологической необходимостью вода подавалась для охлаждения камеры диффузионного насоса, электродов и печи.
Для создания вакуума были использованы механический роторный вакуумный насос ВН-461 и диффузионный паромасляный насос ВН-01-1. Глубина вакуума контролировалась ионизационно-термопарным вакуумметром ВИТ-2 при использовании в качестве датчике термопарной манометрической лампы ЛТ-2.
Измерение температуры подогрева образца и плавления металла производилось с помощью переносного потенциометра ПП-63 класса 0,5 (ГОСТ 9245-68) и вольфрамрениевых термопар (ТУ11-72 0.021.142ТУ) ВР-5 / ВР-20, градуировка 1, градуировочная таблица по ГОСТ 3044-74.
После получения вакуума нужной глубины в печи включается нагрев подложки, который проводится до заданной температуры. Только при температуре нагрева подложки, соответствующей по эксперименту, включается нагрев покрытия. Во всех экспериментах, проведенных на установке расплавленной капли, температура расплава принималась равной температуре его плавления, так как жидкая капля падала со стержня. Для каждой пары материалов и температуры проводилось до пяти опытов [1].
Для получения жидкого металла в лабораторных условиях использовали установку токов высокой частоты ЛП3-67В.
Расплавленный металл раскислялся ферросилицием марки ФС-75 в количестве 3 % от веса расплавляемого металла.
Подогрев подложки осуществлялся в камерных печах лабораторного типа или в печи Н-45.
4.3 Исследование структуры переходных зон и прочности соединения железоуглеродистых биметаллов
Концентрация химических элементов в соединяемых частях изделия или биметалле значительно изменяется только вблизи границы раздела. Априорно можно утверждать, что без диффузионного перемещения атомов через границу раздела прочного соединения не образуется.
Большинство исследований, однако, посвящено переходам через границу контакта атомов легирующих элементов: хрома, никеля и т.д. при изотермических условиях.
В главе исследована структура переходных зон, раздела биметаллов при диффузии углерода в нелегированных железоуглеродистых сплавах при неизотермических условиях.
В зависимости от условий взаимодействия исходных материалов установлены четыре типа структур, определяющих разную величину прочности Соединения однородных и разнородных железоуглеродистых биметаллов. На диаграмму железо-цементит нанесена кривая минимальной температуры, при которой для разных сплавов фиксируется начальная величина прочности сцепления. Приведены минимальные температуры нагрева подложки, обеспечивающие начальное соединение; показана оптимальная прочность соединения биметаллов [1].
4.4 Строение границы раздела между подложкой из армко-железа и
покрытиями из железоуглеродистых сплавов
Углерод, диффундируя в общем случае через границу раздела биметаллического соединения, внедряется в ячейку аустенита, содержащегося в термически активированной подложке.
С понижением температуры биметаллического соединения в результате эвтектоидной реакции образуется феррито-цементитная смесь, карбид железа, в которой имеет зернистое строение.
Эвтектоидное превращение фиксирует перлит в виде, дающем представление о направлениях диффузионного потока углерода и морфологии зерен биметалла.
Пластичная ферритная составляющая релаксирует напряжения, возникающие при кристаллизации расплава и при образовании цементита, и биметаллическое изделие может иметь механические характеристики, приближающиеся к свойствам монометалла.
При взаимодействии подложки и расплава разность химических потенциалов равна нулю. В соответствии с теорией 0нзагера прочному соединению в этом случае будет способствовать гpaдиент температуры между подложкой и покрытием.
Покрытия были нанесены на подложку при температурах её нагрева от 650 до 1000 С. Граница раздела биметалла при нагреве подложки на представляет собой совокупность чередующихся дефектных и монометаллических маст различной протяженности [1].
Во-первых, в результате кристаллизации образовалось зерно 1, общее для основы и нанесенного покрытия. В результате разной кристаллографической ориентировки по отношению к соседним зернам данное зерно четко выделяется. Это говорит о том, что рост зерна происходит от готовой подложки с продолжением имеющейся ориентировки кристалла.
При взаимодействии между жидким и твердым сплавом сцепление, получается, от температур нагрева подложки 1000 С и выше за счет образования общих зерен феррита в результате кристаллизации юбкой фазы. Зерна феррита включают в себя границы раздела биметалла.
Дефектное строение границы раздела биметалла, сходное со строением границ зерна в поликристаллических оплатах, отнесено к первому типу структур приграничных слоев биметалла.
На рисунке 4.1 изображена микроструктура биметалла стали 20Л - стали У12, х 100.
Рисунок 4.1 – Микроструктура биметалла сталь 20Л - сталь У12, х 100
4.5 Зависимость прочности соединения от температуры нагрева
подложки
В случае нагрева подложки на 900С, зона тонкого графита мала и разрыв полученного биметалла происходит на малом расстоянии от границы раздела).
Строение графита в биметалле сталь 20Л – серый чугун СЧ18 при температуре нагрева подложки 900 °С представлено на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Строение графита в биметалле сталь 20Л– серый чугун СЧ18 при температуре нагрева подложки 900 °С (образец не травлен), х100
При нагреве подложки на 1000С зона тонкого графита расширяется (рисунок 4.3), область розеточного графита, по которой происходит разрыв, далека от границы раздела.
Рисунок 4.3 – Строение графита в биметалле сталь 20Л – серый чугун СЧ18 при температуре нагрева подложки 1000 °С (образец не травлен), х100
Значения пределов прочности при температурах нагрева подложки в области 800 С и выше 900–1000 С соизмеримы, поэтому нагрев следует вести до меньшей температуры (800 С).
4.6 Строение границы раздела между подложкой из углеродистых
инструментальных сталей и покрытиями из железоуглеродистых
сплавов
В результате диффузии углерода в чугуне около границы раздела образуется слой перлита. В стали У8 продиффундировавший углерод распределяется на значительную глубину (до 110 мкм) не кристаллографическим плоскостям и по объему зерна, образуя цементит.
При получении однородного биметалла из стали У12 углерод в основном распределяется не границам зерен подложки и покрытия [1].
4.7 Зависимость прочности соединения от температуры нагрева
подложки
Возрастание предела прочности биметалла из стали У8 и серого чугуна СЧ18 при нагреве подложки выше 950С связывается с особенностями расположения цементита (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 – Микроструктура переходного слоя стали 20Л и серого чугуна СЧ18, х100
Прочность стали с приграничной зоной из цементита все-таки выше прочности серого чугуна. В связи в этим граница отрыва не совпадает с границей раздела биметалла, и абсолютная величина прочности возрастает.
4.8 Выбор температур нагрева, обеспечивающих получение
качественного биметалла
При рассмотрении вопросов, связанных с получением прочного сцепления биметаллических соединений, необходимо ориентироваться в минимальной температуре нагрева подложки, при которой обеспечивается начальная прочность. На рисунке 4.5 изображено изменение прочности соединения железоуглеродистых сплавов в зависимости от температуры нагрева подложки из стали У12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
