CC BY
19
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2001р. Вип. №11
УДК 621.791.92-426
Носовская О.Б.*
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРОВОЛОКИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ
Приведены результаты разработки сварочных проволок из алюминиевых сплавов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики и повышающих ресурс работы поршней двигателей внутреннего сгорания.
Алюминиевые поршни двигателей внутреннего сгорания работают в напряженных условиях. При этом рабочий ресурс поршней ограничен временем работы до разрушения первой компрессионной канавки, тогда как остальные напряженные элементы поршня могут эксплуатироваться на порядок дольше.
Для повышения срока службы поршня увеличивают работоспособность первой канавки упрочняющей наплавкой.
Из опыта известно, что наплавочный материал должен обеспечивать получение рабочего слоя, обладающего высокой прочностью при комнатной и повышенной (до 300 °С) температурах, высокой твердостью и износостойкостью, удовлетворительной усталостной прочностью. Для обеспечения таких свойств наплавочный материал должен быть легирован тугоплавкими металлами. Получить проволоку с высоким содержанием легирующих компонентов пластической деформацией по традиционной технологии очень сложно из-за ее низкой пластичности. Увеличение содержания тугоплавких металлов в алюминиевой сварочной проволоке возможно при использовании технологии гранулирования. Фиксация состава расплава при скорости кристаллизации около 10 К/с обеспечивает получение материала с мелкодисперсной структурой и позволяет повысить степень его легирования. Такие скорости кристаллизации характерны для процесса получения гранулированных порошков [1, 2, 3].
Известна легированная проволока для упрочняющей наплавки поршней из алюминиевых сплавов АК4-1, АЛ 25, АЛ 30 [4]. За счет введения в ее состав до 7 % железа и никеля удалось повысить износостойкость канавки под первое компрессионное кольцо и обеспечить работоспособность поршней дизельных двигателей. Недостатки этой проволоки - хрупкость и невозможность использования для автоматической наплавки.
Для оценки влияния содержания легирующих компонентов, влияния морфологии фаз, образованных ими, и выбора оптимального состава проволоки для наплавки были приготовлены прессованные прутки на основе сплава АЛ25 с более высоким содержанием кремния, железа, никеля, а также с дополнительным легированием хромом и цирконием. Химический состав сплавов приведен в табл. 1. Образцы получали прессованием гранулированных порошков с последующей экструзией. Результаты исследования механических свойств образцов сплавов представлены в табл. 2.
Исследования предложенных сплавов показали, что увеличение содержания кремния с 18-19 % (сплавы 1-6) до 24 % (сплав 7, 8) приводит, вследствие огрубления структуры, к снижению прочности при комнатной температуре. Значения кратковременной жаропрочности сплавов в целом находятся на близком уровне и определяются содержанием тугоплавких металлов. Наибольшее значение кратковременной прочности при 300°С имеет сплав 4, в котором количество тугоплавких металлов составляет 5,5 %. Однако, само по себе количество тугоплавких металлов не определяет характеристики сплавов при высоких температурах. Важное значение имеют размеры, форма и распределение упрочняющих фаз.
* ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
Таблица 1 - Содержание кремния и переходных металлов в исследуемых сплавах, % мае.
№ состава 81 Бе N1 Ъх Сг Т1
1 19 1 1,7 - - -
2 19 1 1,7 - 0,8 -
3 19 1 2,5 - 0,8 -
4 19 2,5 3 - - -
5 19 1 1,7 0,6 - -
6 18 0,7 - 0,8 - 0,4
7 24 0,25 2,2 - - -
8 24 0,4 - - - -
Таблица 2 - Механические свойства исследуемых сплавов
№ сплава 20 °С 300 °с х, ч. при
св, МПа с0,2, МПа 5, % св, МПа с0,2, МПа 5, % 5, 40 МПа 5, 50 МПа 5, 60 МПа
1 42,3 36,5 2,6 14,4 12,3 16,8 2000 184 40
2 42 36,2 2,2 13,6 11,8 10,6 271 74 39
3 42,3 36,4 2,8 14,3 12,4 15 621 - 11
4 40,5 36,3 1,3 15,4 13 12,8 1000 - 29
5 42,9 36,6 1,8 14,1 12 18 2000 129 90
6 39,5 38,1 1,4 14,7 13,3 18,2 900 52 31
7 36,7 34 1,2 13,5 11,8 7,4 172 44 19
8 34,8 43,5 1 12,2 10,1 11,4 75 - 19
Результаты испытаний на длительную жаропрочность сплавов приведены в табл. 2. Уровень длительной жаропрочности сплава 4 уступает сплавам 1, 5 из-за более грубого строения фаз, содержащих железо и никель.
Было изучено влияние температуры на твердость составов. С ростом температуры твердость всех составов снижается, но для каждого из исследуемых составов она выше, чем у сплава АЛ 25. Самая высокая горячая твердость у прессованных образцов составов 5 и 6.
Оценено влияние термодеформационного цикла испытаний на длительную прочность, на твердость различных составов после испытаний. Твердость сплава АЛ 25 не менялась. Для составов 1 и 2 характерно упрочнение после испытаний при 400 °С, а затем разупрочнение до исходного состояния. Состав 3 упрочняется при температуре 400 °С, а при температуре 600 °С происходит его разупрочнение. Для состава 4 характерно постепенное упрочнение, также, как для составов 6 и 8 характерно постепенное разупрочнение. Термодеформационный цикл приводит к снижению твердости составов 5 и 7.
Изменение структуры и износостойкости прессованного состава после воздействия сварочной дуги исследовали на образцах, оплавленных дугой, горящей с неплавящегося электрода в среде аргона.
Анализ микроструктуры показал, что в прессованном составе при содержании кремния 18-19 % формируется неравновесная эвтектическая структура. После оплавления образцов дугой при скорости охлаждения в процессе кристаллизации, оцененной как (2-4)-102 К/с, структура сплавов становится заэвтектической, с довольно крупными кристаллами первичного кремния. Заметно огрубляются фазы, образованные железом, никелем, хромом и цирконием.
Оценка износостойкости сплавов при повышенной температуре производилась трением обработанных на полусферу образцов о стальную призму [5]. Результаты испытаний (среднее из трех измерений) представлены в табл. 3.
Анализ полученных данных показывает, что диаметр пятна износа сферического образца меньше у образцов, закристаллизованных с высокой скоростью охлаждения, чем у образцов, оплавленных дугой. Это позволяет сделать вывод о том, что износостойкость прессованных образцов выше, чем оплавленных.
№ сплава Скорость кристаллизации 103 К/с, Скорость кристаллизации 2-4-102 К/с,
прессованные образцы образцы оплавлены аргонодуговой сваркой
Диаметр пятна Потеря массы, Am, Диаметр пятна Потеря массы, Am,
износа, d, мм мг износа, d, мм мг
1 3,4 2,15 4,25 1,95
2 3,25 2Д 4,2 1,5
3 2,9 1,05 4Д 1,3
4 3,15 1,65 4,05 1,2
5 2,65 0,75 3,8 0,9
6 2,8 0,9 3,6 0,6
7 3 1,2 4,5 2,05
8 3 1,25 3,95 1,05
Фрактографический анализ, выполненный с помощью сканирующего микроскопа "Supermini SEM", показал, что в пятнах износа имеются выступы. Характер выступов и микроструктурный анализ позволяют сделать вывод, что в оплавленных дугой образцах они представляют собой конгломераты интерметаллидных частиц. В неоплав ленных образцах - это отдельные интерметаллиды. Формирование конгломератов частиц объясняется, по-видимому, снижением прочности матрицы. Очевидно легирование элементами, упрочняющими матрицу, должно способствовать повышению износостойкости.
Для сравнительной оценки стойкости сплавов к циклическим нагрузкам были проведены испытания на термоудар.
Число циклов, выдержанных образцом до разрушения (методика испытаний приведена в работе [6]), характеризует стойкость состава против термических ударов. В табл. 4 приведены результаты испытаний. Из таблицы видно, что у образцов из прессованных сплавов 2, 5, 6, 7, 8 термостойкость выше, чем у оплавленных дугой, а у сплавов 1, 3, 4 ниже. Наибольшая термостойкость у сплавов 5 и 6. Стойкость против термических ударов сплава 8 ниже, чем сплава AJ125.
Таблица 4 - Результаты испытаний на стойкость против термических ударов
Номер сплава Количество циклов до разрушения
Уохл=Ы03К/с Уохл=2-102К/с
прессованный оплавленный АДС
1 30 32
2 32 28
3 34 40
4 40 46
5 60 56
6 50 48
7 28 24
8 18 16
Для выяснения причин низкой стойкости против термических ударов был проведен фрактографический анализ, который показал, что результаты испытаний, в основном, определяются характером структуры. При наличии грубых пластинчатых кристаллов кремния (сплав 8) происходит хрупкое разрушение, практически без образования усталостной зоны. При величине первичных интерметаллидных фаз, не превышающей 5...8 мкм, характер разрушения образцов, оплавленных дугой, и быстрозакристаллизованных образцов (сплав 5) имеет много общего: усталостная область, формируется вдоль канавки (концентратора), при этом разрушение развивается на разных уровнях. Долом вязкий, внутризеренный, вторичных
трещин практически нет. Поры, образовавшиеся при оплавлении дугой, практически не оказывают влияния на стойкость сплава против термического удара.
Сплавы 5 и 6, показавшие лучшие результаты, взяты за основу при производстве наплавочных материалов для упрочнения поршней двигателей внутреннего сгорания.
Выводы
1. Установлено, что твердость всех прессованных составов выше твердости сплава АЛ 25. Из исследуемых сплавов оптимальными являются сплавы 5 и 6, которые имеют максимальную твердость при нормальной температуре и минимальную тенденцию снижения твердости при увеличении температуры испытаний до 370-380 °С.
2. Показано ухудшение износостойкости и сопротивляемости термоударам исследуемых материалов после их оплавления. Максимальной стойкостью обладают сплавы 5 и 6.
Перечень ссылок
1. Степанова М.Г., Анискина В.И., Белецкий В.М. Исследование структуры и свойств сплава системы А1-Сг-2г из порошка и гранул // Технол. легких сплавов.-1977.-N4.-С.56-59.
2. Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л. Структура и свойства композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1979. - 207 с.
3. Исследование свариваемости быстрозакристаллизованного алюминиевого сплава, содержащего 8% железа и переходные металлы /Ищенко А.Я., Третяк Н.Г., Конкевич В.Ю. и др. //Автомат, сварка. - 1990.-N4.-С. 1-4.
4. Рябов В.Р., Стретович А.Д., Конкевич В.Ю. Наплавка алюминиевых поршней проволокой, изготовленной из гранул // Автоматич. сварка.-1987.-N1.-С.67-69.
5. Носовская О.Б., Конкевич В.Ю. Сварочная проволока для упрочняющей наплавки поршней // Технология легких сплавов. - 1993.-N4-5.-С.49-55.
6. Зусин В.Я., Носовская О.Б. Исследование стойкости алюминиевых сплавов, наплавленных порошковой проволокой, против термических ударов // Свароч. пр-во,-1991 .-N5.-С. 12-13.
Носовская Оксана Борисовна. Канд.техн.наук, доцент кафедры высшей математики, окончила Мариупольский металлургический институт в 1990 году. Основные направления научных исследований - разработка материалов и технологии наплавки для упрочнения алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания.
Статья поступила 15.03.2001.
