Пояснительная записка (1210792), страница 3
Текст из файла (страница 3)
После соответствующей обработки изделия, преследующую цель очистить поверхность от макро частиц различной протяженности, необходимо позаботиться о снижении или устранении действия тончайшей окисной пленки, минимальная толщина которой составляет не менее 20 мкм.
В работе описан метод заливки армированных втулок 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 [14].
Удаление окислов восстановительным пламенем газовой горелки описано в работе [15]. 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 [16], 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.
Анализ практического применения покрытий говорит о том, что за последнее время учеными, инженерами и технологами сделано много для создания различных типов покрытий. Однако задачи, выдвигаемые производством, настолько велики, что достигнутые результаты не могут быть признаны удовлетворительными. Последнее становится особенно очевидным, если отметить, что более 80 % деталей, определяющих ресурс машин и конструкций, должны изготавливаться с покрытиями; фактически эта величина составляет несколько процентов. Исходя из этого, совершенствование существующих и создание новых способов нанесения покрытий является важной задачей машиностроения и других отраслей народного хозяйства [13].
1.3 Физико-механические свойства биметаллов
Классификация микроструктур приконтактных слоев в биметаллах проведена в работах. При разных условиях получения биметаллов и разных материалах сходными являются типы структур с линией контакта и прослойками. Реже встречаются структуры с продиффундировавшими через границу раздела легкоплавкими элементами или структуры с неразличимой границей раздела.
Биметалл с линией контакта, по всей вероятности, соответствует начальному этапу формирования диффузионного соединения, когда связи устанавливаются лишь в некоторых благоприятных точках поверхности. При этом линия видимого контакта по ширине соответствует границам зерен. Прочность биметалла будет соответствовать прочности наименее прочного материала.
Прочность биметаллического соединения с прослойками будет определяться свойствами новых фаз. Наиболее опасно с точки зрения механической прочности образование интерметаллических прослоек; в литературе имеются весьма ограниченные сведения о влиянии ширины таких прослоек на механические свойства.
Свойства структуры с неразличимой границей раздела определяются величиной зерна в зоне контакта; они будут оптимальными при одинаковой величине зерна в приконтактных зонах [2].
После проведения различных механических испытаний неоднократно отмечалось, что на кривых изменения свойств в зависимости от технологических параметров имеется оптимум, то есть увеличение температуры, давления, времени сверх некоторых определенных значений приводит к уменьшению пластичности, вязкости, а иногда и прочности диффузионного слоя. Длительное пребывание в условиях повышенных температур и давлений, как правило, вызывает нежелательные изменения микроструктуры: рост зерен, образование и рост хрупких составляющих и т.п., а также отрицательным влиянием кислорода.
При температуре поверхности вставки из износостойкого чугуна 1100–1130 С прочность подложки равна прочности покрытия, а при температуре 1000 С прочность сцепления понижается вдвое. Микроструктура границ соединений в биметаллических образцах с различной прочностью обнаруживает переходную зону и можно предполагать, что поверхностный слой твердой вставки растворяется в расплаве, что и обеспечивает прочность соединения, иногда превышающую прочность основного металла.
Образование промежуточной зоны растворением твердого металла в расплаве или расплава в твердом металле, а также реактивная диффузия на травине раздела рассматривается в работе. В первых двух случаях образуются преимущественно эвтектики или твердые растворы, в третьем – химические соединения, влияющие на прочность соединения биметаллов.
В сталеалюминевых соединениях хрупкость интерметаллидов объясняется их сложным строением, наличием ковалентной и ионной связей, слабой силой сцепления пограничных зерен и повышенным скоплением дислокаций.
Образование и рост первых кристаллов интерметаллидов будет происходить вдоль поверхности раздела обоих кристаллов вследствие большей скорости диффузии в этой плоскости. Интерметаллиды на начальных стадиях развития, когда они не образуют еще сплошного слоя в контакте, практически не оказывают влияния на механические характеристики соединения. При наличии в контакте сплошного интерметаллидного слоя (более 3 мкм) пластичность и прочность начинают быстро падать [3].
В работе [4] приведена формула по определению критической толщины прослойки, прямо пропорциональной диаметру волокна; с превышением критической толщины прочность резко падает.
О сложности образования интерметаллических соединений, изучения их состава и влиянии на свойства биметаллов показывается в работах.
В некоторых условиях получения биметаллического соединения вблизи контакта образуется белая полоска. Hаличие белой полоски объясняется диффузией никеля, а также хрома и yглерода; толщина прослойки составляет 20-40 мкм и она имеет вид мартенситной структуры.
В работе [5] предполагается, что полоска представляет собой аустенит, легированный никелем, которая образуется по всей вероятности в результате диффузии углерода в никель и никеля в сталь. Есть светлая полоска феррит с растворенным в нем кислородом.
Оптимальные свойства полученного из железоуглеродистых сплавов биметалла относятся к температурам 800-850 С; при температурах порядка 1000 С может происходить огрубление структурных составляющих чугуна, что часто приводит к падению прочностных свойств. Минимальная ширина зоны диффузии, обеспечивающая прочность сварного соединения – 1,5–2,0 мкм.
Особое значение имеет наличие в зоне сплавления цементита (ледебурита), снижающего пластичность. Ледебурит в металле зоны сплавления появляется при наличии в свариваемом металле углерода в количестве, превышающем 25%; при меньшем содержании в месте контакта находится графит.
При исследовании соединений чугуна со сталью в стали наблюдается диффузионный слой углерода в виде перлитной полосы, а в чугуне – обезуглероженный слой разных толщин в зависимости от температуры сварки. Испытания на растяжение показали, что повышение температуры сварки выше 875 С не влияет на изменение прочности.
При приведении в контакт с жидким чугуном твердого чугуна или стали вдоль границы раздела и по границам близлежащих зерен образуется цементит.
В процессе производства контактов электрических машин с помощью клепки значительная часть металла заклепки (иногда более 50%) используется для обеспечения надежного соединения (по механической прочности и электропроводности) контактного элемента с контактодержателем. Поэтому контактные узлы, полученные даже при строгом наблюдении технологии, могут иметь электрические характеристики, изменяющиеся в широких пределах. При пайке, например, разная толщина припоя в зоне соединений вызывает неоднородность в электросопротивлении и других параметрах контактного узла. Использование биметаллических контактов позволяет свести к минимуму, а в ряде случаев и полностью устранить эти недостатки [6].
Новым комплексом свойств, реализованным в слойных металлических материалах, обладают так называемые термоупругие биметаллы- термобиметаллы. Биметаллы этого вида, состоят из двух слоев сталей или. сплавов, существенно различающихся коэффициентом термического, расширении. При нагреве наблюдается значительный изгиб биметаллического элемента, причем величина изгиба зависит от температуры нагрева. Такие биметаллические, элементы широко используются в приборах для измерения и регулирована температуры, защиты электрический цепей от перегрузки.
1.4 Физико-химические основы взаимодействия в контактном слое
биметаллов
При соединении материалов рассматривается две стадии. На первой происходит образование физического контакта, то есть осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, и подготовка поверхностей к взаимодействию. На этой стадии из элементарных процессов важную роль играют процессы электростатического взаимодействия поверхностных атомов. Может осуществляться путем смачивания, деформирования и т.д.
На второй стадии - стадии химического взаимодействия - заканчивается процесс образования прочного соединения. Решающую роль на этой стадии играют квантовые процессы электронного взаимодействия. Затем могут иметь место процессы релаксационного характера, часто приводящие к уменьшению достигнутой прочности вследствие рекристаллизации или образования прослоек из хрупких химических соединений, или фаз за счет гетеро- или реактивной диффузии. Однако эти процессы могут приводить и к увеличению прочности соединения, если вследствие диффузии благоприятно меняется химический состав шва и прилегающих к нему зон.
При сварке, в силу высокой скорости протекания процессов, практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте.
Болгарские специалисты [17], проводившие работы по созданию биметаллических контактов из цветных сплавов, также указывают, что интерметаллические соединения значительно понижают прочность биметаллических соединений при горячей прокатке.
При соединении чистых металлов или твердых растворов процессы электронного взаимодействия сводятся к коллективизации "валентных" электронов положительными ионами, вследствие чего между системой атомов, образующих кристаллические решетки, возникает "прочная" механическая связь. Особенность такой связи – отсутствие насыщения, определяемого валентностью соответствующих атомов.
Вторая стадия может реализовываться путем взаимного растворения, атомной или реактивной диффузии.
Поверхности твердых тел в атмосферных условиях, как правило, инертны, так как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. На окисленной поверхности твердого тела могут идти процессы типа физической адсорбции, обусловленные силами притяжения или силами Ван-дер-Ваальса. Для осуществления хемосорбции на реальной поверхности требуется затрата энергии на активацию этой поверхности за счет физических микродефектов. Энергия на активацию поверхности может сообщаться в виде теплоты, различных видов облучения и т. д.
При образовании биметаллического соединения затвердевание начинается с поверхности и протекает последовательно, так как у поверхности формы жидкий металл быстрее всего достигает температуры кристаллизации, в то время как прочие слои жидкого металла имеют более высокую температуру.
Процесс формирования биметаллов, полученных намораживанием, складывается из самых различных явлений – тепловых, физико-химических и других, именно при этом процессе предопределяются важнейшие свойства биметаллов.
Тепловое взаимодействие между подложкой (формой) и покрытием (отливкой) заключается в отдаче отливкой форме известного количества тепла с определенной интенсивностью.
Исследование процесса затвердевания отливок осложняется явлением переохлаждения жидкого металла перед фронтом кристаллизации и изменяющимися характеристиками подложки, покрытия и собственно биметалла, поэтому решение задач во всей их сложности. дать невозможно. Система дифференциальных уравнений гидродинамики и теплопроводности для нахождения температурного поля, с помощью которого определяется процесс распространения тепла при образовании биметаллического соединения, составляется со многими допущениями, снижающими достоверность результата. В данной системе уравнений не всегда учитывается тепловой эффект от химических реакций и взаимодействия, протекающих в зоне стыка биметаллов.
В многочисленных источниках, посвященных проблемам получения биметаллических соединений различными технологическими путями, освещаются дополнительно различные стороны этого сложного процесса.
В работе [12] приводится терминология получения разъемных и неразъемных соединений. Соединения однородных или разнородных веществ по характеру связи элементарных самостоятельных частиц атомов, ионов, молекул (кристалл можно считать бесконечной молекулой) с внешними электронами можно разделить на 3 типа: 1) с физической связью – без обмена элементарными частицами и электронами; 2) с хемосорбционной связью – без обмена элементарными частицами, но с обменом электронами; 3) с когезионной связью – с обменом элементарными частицами и электронами. Первым двум типам будет отвечать один общий термин – адгезионные соединения (обычно разъемные соединения). Третьему типу соединения соответствует термин - когезионное соединение (неразъемное).
В работе [18] в отношении смачиваемости говорится, что она является первой стадией физико–химического взаимодействия жидкого металла с твердым и играет определяющую роль в образовании соединения. Растворение, взаимная диффузия образование промежуточных интерметаллидов, эвтектических и других фаз оказывает второстепенное влияние.
На границе раздела при контакте жидкого металла с твердым наблюдается большое разнообразие сложных физико-химических процессов. Выяснение механизма сцепления покрытия с основой затруднен тем, что при замораживании система находится в неравновесном состоянии. В начале взаимодействия температуры жидкого и твердогo металлов значительно отличаются. Это приводит к тому, что сразу же идет процесс кристаллизации наносимого жидкого металла, который препятствует смачиванию жидким металлом твердой поверхности [19].
Кроме того, в данной работе [19] за наиболее значимый фактор, определяющий прочность сцепления, берется отношение термодинамической активности углерода в твердом образце к активности углерода в промежуточном слое. Определяющим фактором является разность химических потенциалов контактирующих металлов. По значимости факторы располагаются далее в таком порядке: температура подогрева образца, масса промежуточного слоя, отношение массы жидкого металла к массе образца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
