CC BY
38Электроды из низколегированного
наноструктурированными частицами хрома сплава меди для контактной точечной сварки
о
CS
о
CS
in
О Ш
m
X
<
m О X X
Бусыгин Сергей Леонидович
аспирант каф. «Машиностроения» ФГАОУ ВО Сибирский Федеральный Университет Политехнический институт, politex_1999@bk.ru
Довженко Николай Николаевич
д.т.н., профессор, каф. «Машиностроения» ФГАОУ ВО Сибирский Федеральный Университет Политехнический институт, n.dovzhenko@bk.ru
Можаев Александр Владимирович
аспирант каф. «Материаловедение и технологии обработки материалов» ФГАОУ ВО Сибирский Федеральный Университет Политехнический институт, titan888.24rus@mail.ru
Демченко Александр Игоревич
к.т.н. доцент, заведующий каф. «Машиностроения», ФГАОУ ВО Сибирский Федеральный Университет Политехнический институт, alexdealig@mail.ru
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Безруких Андрей Алексеевич
аспирант каф. «Машиностроения» ФГАОУ ВО Сибирский Федеральный Университет Политехнический институт, bezrukich_an-drey@mail.ru
Такие преимущества хромистых бронз как высокие (соизмеримые с медью) тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, отсутствие водородной болезни, технологичность при всех операциях горячей и холодной деформации, сварке и пайке обусловили широкое применение их и в качестве основного материала для электродов электроконтактных машин. Поскольку электроды для контактной сварки являются расходным, быстроизнашивающимся материалом, некоторые предприятия стремятся снизить затраты на их приобретение и в рамках повышения конкурентоспособности создать собственное их производство. В рамках такого подхода сформулирована цель работы: разработка и экспериментальная проверка дизайна системы «технологический процесс-конструкция электрода» на основе совмещенного способа литья и штамповки низколегированного наноструктурированными частицами хрома сплава меди. Описан способ ввода легирующих элементов в расплав с помощью таблетки Cu-Cr. Автором предложена апробационная технология эксперимента технологического цикла литья и штамповочного производства электродов в дальнейшем. Определены формы и методы операций термического типа для повышения качественного состава при использовании способов повышения уровня физико-механических свойств. Исследована микроструктура образца электрода. Выполнен энергодисперсионный анализ образцов электродов. Результатами работы являются испытания полученных образцов электродов на машине контактной сварки и оценено их качество. Подобраны оптимальные режимы контактной сварки. Оценено влияние наноструктурированных частиц хрома на твердость, электропроводность и стойкость электродов контактной сварки. Построены зависимости степени износа и поврежденности электродов от количества сваренных циклов для различных материалов, применяемых при изготовлении электродов контактной сварки.
Ключевые слова: индукционная печь, литье, штамповка, закалка, наноструктурированные частицы, картирование, микроструктура, контактная сварка, старение.
Низколегированные хромом сплавы меди ввиду своих преимуществ перед нелегированной медью нашли широкое применение в металлургии и машиностроении [1]. Важнейшими свойствами хромовой бронзы являются высокие (соизмеримые с медью) тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, отсутствие водородной болезни, технологичность при всех операциях горячей и холодной деформации, сварке и пайке. Поэтому заменить хромовую бронзу, так же, как и другие низколегированные медные сплавы, другими сплавами на любой основе просто нельзя [2]. Приняв двойной сплав Cu-Cr за основу, ученые всего мира изучают тонкую структуру сплава, режимы его термической и термомеханической обработки, влияние на структуру и свойства дополнительного легирования различными компонентами и поведение сплавов усложненного состава [3] во взаимодействии с контактирующими металлами и сплавами, технологичность при плавке и литье изделий и слитков, горячей и холодной деформации. В работе [4] отмечено, что дисперсионного твердения в этой уникальной системе можно достичь на любом отрезке линии сольвус, ограничивая химический состав хромовых бронз практически любыми пределами по основному легирующему элементу. Установлено [5, 6], что холодная деформация (40-50%) между закалкой и старением, независимо от химического состава хромовой бронзы, приводит к повышению предела прочности на 15-20% и снижению пластичности в 2,5-3 раза, также после термомеханической обработки (закалка+дефор-мация+старение) выявлен эффект ощутимого снижения удельного электросопротивления и повышения электропроводности образцов [7].
В работе [8] показано, что если содержание фосфора в хромовой бронзе (0,9-1,0% Cr) не превышает 0,045%, то он не оказывает существенного влияния на её свойства, но при увеличении содержания его содержания эффект дисперсионного твердения хромовой бронзы уже существенно зависит от соотношения Cr/P. На рис. 1 показана зависимость твердости и теплопроводности хромовой бронзы от соотношения Cr/P.
Как следует из рис.1, для достижения высокой теплопроводности соотношение Cr/P в сплаве необходимо поддерживать на уровне 5, то для получения нужной твердости это соотношение должно быть в 4 раза большим, т. е. для получения необходимого эффекта дисперсионного твердения в хромовой бронзе, обеспечивающего гарантированно высокое сочетание прочностных свойств с теплопроводностью, остаточное содержание фосфора в ней не должно превышать 0,02%. Показано, что температура разупрочнения хромовой бронзы практически не изменяется с изменением содержания хрома в сплаве в достаточно широких пределах.
Рис.1. Зависимость твердости (1) и теплопроводности (2) хромовой бронзы с содержанием хрома 0,4% (-•-) и 0,8% (-о) от соотношения Cr/P [8]
Рассмотренные свойства хромистых бронз обусловили широкое применение их и в качестве основного материала для электродов электроконтактных машин. Электроды выполняют три основные функции (рис. 2), независимо от их типа:
— сжатие свариваемых деталей;
— подведение к свариваемым деталям электрического тока;
— отвод тепла, выделяющегося в процессе сварки.
— более высокие показатели противодействии коррозии и повышение свойства характеризирующие жаростойкость.
Поскольку электроды для контактной сварки являются расходным, быстроизнашивающимся материалом, некоторые предприятия стремятся снизить затраты на их приобретение и в рамках повышения конкурентоспособности создать собственное их производство. В рамках такого подхода, на наш взгляд, будет эффективным выполнить совместный дизайн системы «технологический процесс-конструкция», обеспечивающий снижение материало- и энергоемкость процесса производства, повысить качество электродов и обеспечить их высокие эксплуатационные характеристики (в том числе долговечность и надежность).
Цель работы: разработка и экспериментальная проверка дизайна системы «технологический процесс-конструкция электрода» на основе совмещенного способа литья и штамповки низколегированного наноструктури-рованными частицами хрома сплава меди.
В работах [9-12] предложен типовой стандартизированный вид механизма, который работает во многом комплексно. На рисунке 3 показан пример такого комплекса, который совмещается в себе не только материал по приготовлению расплава, но также и определяет возможность содействия внутреннему процессу изготовления литья и штампованных изделий. Это позволяет осуществить переработку вторичного сырья, снизить экономические затраты на процесс изготовления электродов.
Рис. 2. Крестообразное соединение, выполненное контактной сваркой
Работают электроды в сложных условиях теплового и механического воздействия, в связи с чем к ним предъявляют следующие требования:
— высокая электропроводность, позволяющая пропускать через электрод ток большой плотности без его существенного нагрева;
— более широкие в температурном контексте свойства материала, который позволяет повышать возможное сопротивление материала для его противодействия деформации;
— более высокий уровень противодействия износу оборудования и отдельных материалов;
— теплопроводность, которая позволяет повысить скорость отвода тепла из рабочей зоны;
— содействие разделению материала, который позволяет получать сплав из двух неоднородных материалов, которые в свою очередь формируют материал с новыми качествами;
Рис. 3. Специализированная установка для производства электродов
Анализируемая нами технология использует в качестве источника сырья отходы производства или использованные ране сплавы, которые не могут быть использованы в другой сфере. При анализе типологии используемого лома следует учитывать требования ГОСТ 1639-93. Потенциальный размер лома или его массовые характеристики могут достигать эквивалентно 1 кг. Плавление рассматривается как непрерывный процесс и при этом следует использовать только толщину слоя угля или иного топливного элемента в 25-30 мм. Для формирования четкой модели расплава следует установить рабочую частоту печи 44 ± 4 кГц. Иные показатели могут быть обусловлены только необходимостью увеличения глубины используемого расплава.
X X
о го А с.
X
го m
о
2 О
м о
о
CS
0
CS
in
01
О Ш
m
X
3
<
m О X X
Жидкий металл подвергается воздействию переменного поля ЭМ типа, который использует частотную модуляцию тока, при этом частота рабочей зоны печи повышается в среднем на 40 Гц [13]. Это в основном позволяет получить сплав, который по своему химическому составу достаточно однороден [14-15].
Заливку полученного металла расплавленного типа проводят при температуре до 450 оС. Приемником технологической оснастки выступает матрица подогретого типа. При остывании полученного металла до 850-900 оС проводили предварительную штамповку, которая требовала усилия в 980 кН и далее заряд проталкивался пуассоном в камере охлаждающего типа, которая используется в качестве резервуара проточной воды. Предложенная последовательность позволяет снизить вероятность окисления поверхности электрода. Образец представлен на рис. 4.
Удельная электропроводность, м/(Оммм2) Твердость HB Удельная электрическая проводимость образца в % от IACS
49 138 86
Рис. 5. Микроструктура электрода после термической обработки
Таблица 2
Cr P* Cu Total
1,01 0,12 98,87 100
*- соотношение Cr/P = 8,42
Распределение химических элементов в характеристическом излучении по площади шлифа (рис. 6) достаточно равномерное, что положительно отражается на твердости и электропроводности образцов.
Рис. 4. Образец полученного электрода
Старение электродов производили в муфельной печи СНОЛ-1.62.5.1/11-ИЗ при температуре 450 0С в течение 4 часов, при котором достигается наиболее высокий уровень физико-механических свойств (твердость и электропроводность) [3].
Полученные после литья, штамповки и термообработки экспериментальные образцы электродов очищали. Измерение твердости проводили по ГОСТ 901259 на твердомере ТБ 5004.
Измерение удельной электропроводности проводили на микроомметре Ф4104-М1, принцип действия которого основан на измерении величины падения напряжения на измеряемом сопротивлении при прохождении через него оперативного тока заданной величины. Погрешность прибора 2,5%, на каждом образце проводилось по пять измерений в различных областях.
Полученные средние значения твердости НВ и удельной электропроводности приведены в табл. 1.
Таблица 1
б
Рис. 6. Карты химических элементов в характеристическом излучении (х3000): а - Сг (хром); б - Си (медь)
Использование методов проверки качества сварки контактного типа позволяет выявить и стандартизировать процесс управления их стойкостью. Для этого проводили испытания на машине контактного типа МПТУ-300. Основой для проверки служили сваренные арматурные стержни из стали 35ГС и диаметра 10+40 мм. Форма и схема исследуемых типов стержневой арматуры представлена на рисунке 7.
Исследование микроструктуры проводили с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Vision, оснащенного устройством визуализации изображения.
Следует отметить достаточно равномерное распределение вторичной фазы в объеме электрода (рис. 5). Это свидетельствует об интенсивном перемешивании расплава в процессе индукционной плавки сплава.
Энергодисперсионный анализ выполняли на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-7001F. Суммарная площадь исследования составила около 5 мм2 и показывает примерное содержание основных элементов в сплаве (табл. 2).
Рис. 7. Крестовое соединение стержней
а
В процессе сварки крестового соединения двух стержней арматуры из стали 35ГС диаметрами 10+40 мм были подобраны оптимальные режимы, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Сила сжатия электродов, кН Сварочный ток, кА Скорость сварки, т/мин Время сварки, с
5,8 23,6 30 0,25-0,72
Прочность соединений стержней удовлетворительная. Минимальные значения предела прочности соединений на срез в достаточно широкой области значений времени сварки соответствуют нормам ГОСТ 109222012 и не достигают браковочного значения предела прочности для стали 35ГС. Проведение испытаний определяется прежде всего временным интервалом, который определяет структура выхода из строя электродов (рис. 8).
Рисунок 8. Определение износа рабочей поверхности элек-трола при осуществлении процесса контактной сварки
При исследовании динамики возможности корректировки уровней износа показывается связь от количества сварочных циклов (рис. 9).
Рис. 9. График зависимости степени износа и поврежденно-сти электродов от количества точек
Полученные данные показывают, что возможности формирования конструкции могут на 50-70% быть сниженными при сравнении с электродами аналогичного типа и стало быть одни обладают большей надежностью.
Использование методов проверки качества сварки контактного типа позволяет выявить и стандартизировать процесс управления их стойкостью. Износ и повре-жденность экспериментальных образцов электродов на 50-70 % меньше, чем электродов из сплавов М1 и БрХ1, что в значительной мере снижает их стоимость.
Литература
1. Nagata K., Nishikawa S. Again and phenomena of Cu-Cr alloys// Reports of the Institute Science, University of Tokyo. - 1975. - V. 24. - P. 115 - 168.
2. Николаев А. К., Розенберг В. М. Сплавы для электродов контактной сварки. - М.: Металлургия 1978. - 96 с.
3. Николаев А. К. Хромовые бронзы/ А. К. Николаев, А. И. Новиков, В. М. Розенберг. -М.: Металлургия, 1983. - 175 с.
4. Осинцев О. Е., Федоров В. Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. - М.: Машиностроение, 2004. - 336 с.
5. Николаев А. К., Костин С. А. Медь и жаропрочные медные сплавы: энцикл. терминолог. слов.: фундаментальный справ.- М.: ДПК Пресс, 2012. - 715 с.
6. Pang J. S. Fatigue strengths of Cu-Be alloy with high tensile strength/ J. S. Pang, Q. Q. Duan, S. D. Wu, S. X. Li and Z. F. Zhang// Scripta Materialia. - 2010. - V.63. - P. 1085 - 1088.
7. Николаев А. К. Дисперсионное твердение - эффективное направление синтеза конструкционных сплавов// РИТМ машиностроения. - 2011. - №3. - С. 31 - 35.
8. Николаев А. К. И вновь о хромовой бронзе// РИТМ машиностроения. - 2019. - № 1. - С. 38 - 45.
9. Sun X. Microstructure formations and electrical resistivity behavior solidified Cu-Fe-Zr immiscible alloys/ X. Sun, J. He, B. Chen, L. Zhang, H. Jiang,H. Yao//Journal of Materials Science and Technology. 2020. - V. 44- P. 201-208.
10. Патент 2412035 Российская Федерация, В23К 35/40, В23К 11/30. Способ изготовления электродов для контактной сварки / С. Л. Бусыгин, А. И. Дем-ченко, А. С. Рафальский. № 2010108888/02; заявл. 09.03.2010; опубл. 20.02.2011, бюл. №5. 5 с.
11. Применение ресурсосберегающей технологии металлургической переработки меди и медных сплавов для получения электродов контактной сварки / С. Л. Бусыгин, А. П. Рукосуев, С. К. Крушатина и др. // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 6 (32). С. 119-121.
12. Получение электродов контактной сварки совмещенным способом литья и штамповки / С. Л. Бусыгин, А. М. Синичкин, А. М. Токмин // Металлургия машиностроения. 2013. Вып. № 2. С. 39-43.
13. The Heating Process in an Induction Crucible Furnace and the Technology of Chromium Bronze Smelting in Order to Obtain Resistance Welding Electrodes / S. L. Busy-gin, A.M. Tokmin, I.S. Dementeva, V.S. Kazakov / Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11(2), 148-154.
14. Semenyutina, A., Lazarev, S., & Melnik, K. (2019). Assessment of reproductive capacity of representatives of ancestral complexes and especially their selection of seed in dry conditions. World Ecology Journal, 9(1), 1-23. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.66.65.001
15. Belitskaya, M. (2019). Dendrophages Ulmus spp. in the forest plantation of the Volga region. World Ecology Journal, 9(1), 24-39. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.77.24.002
The electrodes of low-alloy nanostructured the chromium particles
of alloy copper for resistance spot welding Busygin S.B., Dovzhenko N.N., Mozhaev A.V., Demchenko A.I., Bezrukich A.A.
Siberian Federal University
Such advantages of chrome-plated bronzes as high (comparable to the metal) thermal and electrical conductivity, corrosion resistance, lack of water-borne disease, manufacturability in all operations of hot and cold de-formation, welding and soldering have led to their widespread use as the main material for the electrodes of electric contact machines. Since contact welding
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О
м о
electrodes are a consumable, fast-wearing material, some companies seek to reduce the cost of purchasing them and create their own production as part of increasing competitiveness. In this approach, the formulated goal: development and experimental verification of design "the process-electrode design" on the basis of the combined method Lee-Chua and forming low-alloy nanostructured particles of chromium copper alloy. A method for entering alloying elements into the melt using a cu-Cr tablet is described. The author offers an approbation technology for the experiment of the technological cycle of casting and stamping production of electrodes in the future. The forms and methods of thermal type operations for improving the quality of the composition when using methods to increase the level of physical and mechanical properties are determined. The micro-structure of the electrode sample was studied. Energy dispersion analysis of electrode samples was performed. The results of the work are tests of the obtained samples of electrodes on a contact welding machine and their quality is evaluated. Optimal contact welding modes are selected. The influence of nanostructured chromium particles on the hardness, electrical conductivity and resistance of contact welding electrodes is estimated. The dependences of the degree of wear and damage of the electrodes on the number of welded cycles for various materials used in the manufacture of contact welding electrodes are constructed..
Keywords: induction furnace, casting, stamping, quenching, nanostructured particles, mapping, microstructure, contact welding, aging. References
1. Nagata K., Nishikawa S. Again and phenomena of Cu-Cr alloys
// Reports of the Institute Science, University of Tokyo. - 1975. - V. 24. - P. 115 - 168.
2. Nikolaev A. K., Rosenberg V. M. Alloys for resistance welding
electrodes. - M.: Metallurgy 1978.- 96 p.
3. Nikolaev A. K. Chrome bronzes / A. K. Nikolaev, A. I. Novikov, V.
M. Rosenberg. -M .: Metallurgy, 1983. - 175 p.
4. Osintsev O. E., Fedorov V. N. Copper and copper alloys. Domes-
tic and foreign brands: Handbook. - M.: Mechanical Engineering, 2004 .-- 336 p.
5. Nikolaev A. K., Kostin S. A. Copper and heat-resistant copper
alloys: an encyclical. terminologist. words: fundamental reference.- M .: KDP Press, 2012 .-- 715 p.
6. Pang J. S. Fatigue strengths of Cu-Be alloy with high tensile
strength / J. S. Pang, Q. Q. Duan, S. D. Wu, S. X. Li and Z. F. Zhang // Scripta Materialia. - 2010. - V.63. - P. 1085-1088.
7. Nikolaev A. K. Dispersion hardening - an effective direction in the
synthesis of structural alloys // RITM engineering. - 2011. - No. 3. - S. 31 - 35.
8. Nikolaev A. K. And again about chrome bronze // RHYTHM of
machine building. - 2019.- No. 1. - S. 38 - 45.
9. Sun X. Microstructure formations and electrical resistivity behav-
ior solidified Cu-Fe-Zr immiscible alloys / X. Sun, J. He, B. Chen, L. Zhang, H. Jiang, H. Yao // Journal of Materials Science and Technology. 2020. - V. 44- P. 201-208.
10. Patent 2412035 Russian Federation, B23K 35/40, B23K 11/30. A method of manufacturing electrodes for resistance welding / S. L. Busygin, A. I. Demchenko, A. S. Rafalsky. No. 2010108888/02; declared 03/09/2010; publ. 02/20/2011, bull. No. 5. 5 sec
11. The use of resource-saving technology for the metallurgical processing of copper and copper alloys for the production of resistance welding electrodes / S. L. Busygin, A. P. Rukosuev, S. K. Krushatin and others // Bulletin of SibSAU. 2010. Issue. 6 (32). S. 119-121.
12. Obtaining resistance welding electrodes by the combined casting and stamping method / S. L. Busygin, A. M. Sinichkin, A. M. Tokmin // Metallurgy of mechanical engineering. 2013. Issue. No. 2. S. 39-43.
13. The Heating Process in an Induction Crucible Furnace and the Technology of Chromium Bronze Smelting in Order to Obtain Resistance Welding Electrodes / S. L. Busygin, A.M. Tokmin, I.S. Dementeva, V.S. Kazakov / Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11 (2), 148-154.
14. Semenyutina, A., Lazarev, S., & Melnik, K. (2019). Assessment of reproductive capacity of representatives of ancestral complexes and especially their selection of seed in dry conditions. World Ecology Journal, 9 (1), 1-23. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.66.65.001
15. Belitskaya, M. (2019). Dendrophages Ulmus spp. in the forest plantation of the Volga region. World Ecology Journal, 9 (1), 2439. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.77.24.002
o
CN O CN
U3
o m m x
3
<
m o x
X
