CC BY
15
Гуревич Ю.Г., ШпакА.Т., Савиных Л.М. Курганский государственный университет, г. Курган
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ ТРЕНИЕМ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ С КОНСТРУКЦИОННОЙ
Способ получения композиционного материала порошковая быстрорежущая сталь - конструкционная сваркой трением состоит в следующем. Заготовки диаметром (О) нагревают в зоне стыка путем трения их торцов при взаимном вращении и постоянном осевом давлении (Р.,). При достижении в стыки необходимой температуры и пластичности металлов прекращают вращение заготовок и начинают проковку. Проковка до осадочной матрицы заключается во взаимной осадке двух заготовок при увеличении осевого давления (первая фаза сварки трением).
Для улучшения свариваемости заготовок в периферийной зоне создают давление по наружной поверхности заготовки из более пластичного металла, направленное под углом к плоскости сварного шва заготовок с одновременной осадкой заготовок под действием осевого давления (Р2), в результате чего происходит более интенсивная деформация зоны сварного шва в его периферийной зоне. Для повышения качества сварного шва проводят дополнительную осадку заготовки из более пластичного металла с прессованием сварного шва сквозь осадочную матрицу. При помощи осевого давления (Р3) осуществляют дополнительную осадку заготовок. При дополнительной осадке производят примерно половину всей величины осадки заготовок (вторая фаза сварки трением). Таким образом, при проковке в осадочную матрицу происходит улучшение свариваемости в периферии контактной зоны.
Основными трудностями получения композиции быстрорежущая сталь - конструкционная сваркой трением являются образования со стороны быстрорежущей стали специфических дефектов, так называемых "блестящих колец"[1]. "Блестящие кольца" в поперечном сечении имеют вид прямых или волнистых линий, приближаясь или удаляясь от сварного шва [2].
Структура поверхности разрушения по "блестящим кольцам" представляет собой участки хрупкого интеркристалл итного и внутризеренноготранскристаллитного разрушения сколом. В объеме материала, ограничивающего "блестящие кольца", развиваются в большом количестве трещины.
Исследованию дефектов сварки трением типа "блестящих колец" посвящено множество работ [3-5]. Природу "блестящих колец" связывают с диссоциацией карбидов, диффузией углерода и легирующих элементов в более нагретые зоны сварки и выпадением их вновь при охлаждении [3]. Поэтому в "блестящих кольцах" содержание легирующих элементов превышает их содержание в быстрорежущей стали.
В большинстве исследований делаются выводы, что для предотвращения образования "блестящих колец" следует использовать эффект сверхпластичности быстрорежущей стали в процессе сварки трением. Последнее позволяет резко уменьшить растворимость углерода и легирующих в б-фазе, исключить диссоциацию карбидов и, следовательно, образование "блестящих колец".
Использование эффекта сверхпластичности стали Р6М5 при сварке трением со сталью 45 показало, что в
конструкционной стали под действием пластической деформации происходит измельчение зерна, сфероидеза-ция пластинчатого цементита, а доля карбидов в зоне стыка близка к исходной. Ударная вязкость отожженных образцов по сравнению с аналогичными образцами,сваренными традиционными способами, выросла в три раза. При испытании на растяжение и кручение образцы разрушались по стали 45. Дефект "блестящие кольца" отсутствовал полностью.
Сварка в температурном интервале сверхпластичности требует строгого контроля температуры, давления, скорости деформации, высокого качества поверхности. При малейшем отклонении от требуемого режима получается большой процент брака.
Для эффективной борьбы с дефектом "блестящие кольца" необходимо знать механизм, при котором отдельные "блестящие кольца" остаются незалеченными по окончании процесса сварки. В качестве гипотезы было принято представление, что наличие незалеченных "блестящих колец" в сварном стыке связано с неравномерной пластической деформацией в контактной зоне в процессе осадки и недостаточном давлении при осадке в локальных (кольцевых) зонах стыка. Это представление явилось основой для математического моделирования процесса сварки трением.
Рассмотрим схему образования сварного соединения при использовании осадочной матрицы. В первой фазе осадки деформация металла протекает свободно без влияния осадочной матрицы. Распределение сопротивления пластической деформации по сечению заготовки подчиняется закону
ах = 1>5ат'—,
где фх' -сопротивление пластической деформации
металла в контактной зоне со стороны конструкционной стали, МПа;
I
Фт- предел текучести более пластичной конструкционной стали, МПа;
х-текущая координата радиуса контактной зоны, м ; гк-радиус контактной зоны, м.
Характер распределения сопротивления пластической деформации в первой фазе проковки показан на рис.1.
Рис. 1. Схема осадки до проковочной матрицы (а) и эпюра напряжений сжатия в поперечном сечении сварного шва (б)
Если сварка закончится первой фазой, т. е. без влияния осадочной матрицы, то для достижения свариваемости по всему сечению заготовки Рзаг необходимо, чтобы сопротивление пластической деформации в точке х=Рзаг достигало значения превышающего значение предела текучести быстрорежущей стали. Очевидно, что для этой цели
необходимо увеличить радиус контактной зоны на величину значительно большую, чем Рзаг. Это связано со значительной величиной осадки и большой величиной грата
(Гк >!*„)■
Вторая фаза проковки связана с заневоливанием грата конструкционной стали осадочной матрицей. Осадочная матрица увеличивает сопротивление пластической деформации в периферийной зоне заготовки. Характер распределения сопротивления пластической деформации, вызванного осадочной матрицей, подчиняется закону
а"=0,5с>
1
1-
X"
(2)
ах=1,5ат
а = 0,5а (х " т V
X
1,4411 1
2
заг
-1).
1 —
X
1,44Я
(6)
Суммарное сопротивление пластической деформации (у можно определить суммируя уравнения (5) и (6)
где сх -сопротивление пластической деформации, вызванное осадочной матрицей;
С^ -предел текучести конструкционной стали, МПа;
х-текущая координата радиуса контактной зоны, м;
гк-радиус контактной зоны.
Характер распределения сопротивления пластической деформации во второй фазе проковки от воздействия осадочной матрицы показан на рис.2.
где Р?заг- радиус свариваемых заготовок. Тогда уравнения (1) и (2) примут вид
а = а + а = 1,5а
хсум х х ? т
■ +
х" 1,4411
2
заг
+ 0,5а1т(-
1
■1).
1 —
х
1,44Я
(7)
Исследуя уравнение (7) на минимальное значение (7 , находим, что (Т в начале второй фазы про-
^ хсум' " ' ^ хсум.тт г -г г
ковки будет находиться в точке
(8)
х=0,96Р, яг
тш ' эаг
Рис.2. Схема осадки заготовок в осадочную матрицу (а) и эпюра измененного характера напряжений в поперечном сечении сварного шва (б)
Для обеспечения текучести и деформации быстрорежущей стали принимаем сх = 1,1с и находим оптимальное значение радиуса осадочной матрицы
Р=1,05Р . (3)
м ' заг \ '
Для обеспечения прочного соединения по линии соприкосновения заготовки с осадочной матрицей сопротивление пластической деформации должно достигнуть
значений ох11>от11,т. е. сопротивление пластической
деформации должно быть равным или больше величины предела текучести быстрорежущей стали.
Величина гк с продвижением заготовки вглубь осадочной матрицы, достигнув определенного значения в первой фазе осадки, практически остается постоянной
(Г^СОПБ^.
Для простоты дальнейших расчетов принимаем
На рис. 3 видно, что сопротивление пластической деформации контактной зоны в конце второй фазы проковки неравномерно в радиальном направлении, причем минимум его значения приходится на зону, где образуются дефекты в виде "блестящих колец". Это объясняется тем, что свариваемость заготовок в точках пересечения двух эпюр напряжения наименьшее и чаще всего недостаточное для свариваемости заготовок (рис.1 и рис. 2).
(4)
Рис.3. Схема осадки во второй фазе проковки (а) и эпюра суммарных напряжений (б)
Из уравнения (7) следует, что суммарное значение сопротивления пластической деформации равно
Схсум=0,90от'+0,33от'=1,23от' ■ (9)
Известно, что для большинства марок быстрорежущих сталей предел текучести ((зт ) в температурном интервале ковкости ат > 1525от-
Поскольку охсум < 1,25ох> то это позволяет утверждать, что по кольцевой площадке контактной зоны со средним радиусом хт|п=0,96Рзаг пластическая деформация быстрорежущей стали затруднена.
Во второй фазе проковки в дефектной кольцевой зоне будет происходить деформация только конструкционной стали, так как здесь сопротивление пластической деформации больше значения предела текучести конструкционной стали, но меньше быстрорежущей, поэтому эффект сверхпластичности работать не будет. Если усилие возрастает и контактная зона смещается во внутрь осадочной матрицы (т.е. значение гк уменьшается), то из уравнения (7) следует, что и радиус кольца дефектной зоны тоже будет уменьшаться, а быстрорежущая сталь в дефектной зоне будет с большой скоростью внедряться в более пластичную конструкционную сталь, образуя своеобразное выступающее кольцо. Это кольцо, изменяя свой диаметр в меньшую сторону, будет испытывать на себе усилие от деформации соседних участков контактной и приконтактной зон. Очевидно, что сначала произойдет скол кольца со стороны заготовки из быстрорежущей стали, а при дальнейшей осадке-образование нового кольца (меньшего диаметра) и залечивания предыдущего выступа.
При увеличении вылета заготовки из осадочной матрицы, когда продвижение внутрь осадочной матрицы невозможно, значение гк начнет возрастать и, соответственно, будет расти радиус дефектной зоны, это вызовет скол выступа движений металла от центра к периферии.
В связи с тем, что значение сопротивления пластической деформации в "дефектной зоне" ниже предела текучести быстрорежущей стали ( а в отдельных случаях и конструкционной) , материалы слипаются без образования прочного соединения. Поэтому в изломах стыков наблюдаются дефекты в виде "блестящих колец" скольжения, снижающих прочность сварного соединения.
Таким образом, математическое моделирование процесса сварки трением быстрорежущей стали с конструкционной показало, что для устранения дефекта "блестящие кольца" необходимо, чтобы на заключительной стадии проковки сопротивление пластической деформации по всему сечению контактной зоны выравнивалось до величины, превышающей предел текучести быстрорежущей стали. Известно, что образование прочного соединения невозможно без совместного деформирования микрообъемов поверхности слоев металла соединяемых тел. Пластическая деформация является основным фактором, определяющим кинетику процесса образования прочных сварных соединений. Между тем, как было установлено, при традиционной технологии сварки трением, сопротивление пластической деформации в кольцевой зоне сварного соединения на заключительной стадии проковки находится на низком уровне и не превышает значения предела текучести быстрорежущей стали в температурном интервале пластичности. Поэтому для получения качественного соединения усилие сжатие на этой стадии необходимо увеличить в 1,5-2,0 раза за счет образования грата. В этом случае диаметр контактной зоны в процессе осадки резко возрастет и вместе с ним возрастет сопротивление пластической деформации в зоне ограниченной диаметром заготовки . Усиление сжатия должно привести к такому росту сопротивление пластической деформации в пределах указанной зоны, которое превысит предел текучести быстрорежущей стали, а это обеспечит образование прочного сварного соединения по всему сечению заготовки. Очевидно, чем больше отличаются стали своими тепло-физическими свойствами, тем больше металла необходимо выдавить в грат и , следовательно, тем больше необходимо усилие осадки. Поэтому такой способ сварки имеет ограниченное применение из-за его неэкономичности.
С целью выравнивания поля сопротивления пласти-
ческой деформации в контактной зоне, была предложена специальная осадочная матрица [9]. Осадочная матрица (рис.3) представляет собой массивную разъемную шайбу, в корпусе которой выполнено сквозное центральное отверстие. Диаметр отверстия на 1-2 мм больше диаметра свариваемой заготовки. В отверстии выполнена формирующая грат фазка с углом 30-45°. В центральном отверстии матрицы выполнен компенсатор напряжений в виде канавки фасонного профиля, объем которой определяется положением сварного шва в начале и в конце проковки. Между фаской и компенсатором выполнен деформирующий поясок, плавно соединенный с фаской и компенсатором напряжений. Для сглаживания пиков за горловиной осадочной матрицы предусмотрен карман, позволяющий принять определенный объем металла, выдавленного усилием осадки в фазе проковки.
Рис. 3. Осадочная матрица (а) и эпюра суммарных напряжений (б)
1-заготовка из быстрорежущей стали;
2-заготовка из конструкционной стали;
3-осадочная матрица; 4-упор
В процессе осадки контактная зона проталкивается сквозь осадочную матрицу, которая закреплена неподвижно относительно заготовки из конструкционной стали. Процесс проковки заканчивается в момент, когда плоскость контактной поверхности окажется в самой узкой части горловины осадочной матрицы [6]. В этот момент характер влияния осадочной матрицы на сопротивление пластической деформации начинает меняться в сторону снижения и это, в свою очередь, приводит к выравниванию величины сопротивления пластической деформации по всему сечению заготовки в плоскости, проходящей через контактную зону.
В указанный момент времени значение сопротивление пластической деформации в любой точке контактной зоны превышает предел текучести быстрорежущей стали. Происходит взаимная деформация и прочное соединение двух материалов.
По предложенной технологии производилась сварка трением порошковой быстрорежущей стали Р6М5 со сталью 38ХС [7,8]. В качестве заготовок под сварку применялись прутки ?40 мм. Сварку выполняли на машине для сварки трением фирмы "Thompson". Для сравнения качества сварного шва сварку образцов производили по традиционной технологии без осадочной матрицы (базовый вариант), с осадочной матрицей предложенной конструкции как по традиционной технологии, так и по разработанной. Параметры режимов сварки приведены в таблице 1. Увеличение усилия осадки (F3) в первом варианте вызвано свободной деформацией контактной зоны, а в третьем - необходимостью "продавить" контактную зону сквозь осадочную матрицу.
Таблица 2
Результаты испытаний опытных образцов на статистический изгиб ушг, МПа (средние значения по 3 образцам)
Параметры режимом сварки
Таблица 1
Скорость Осевое давление, кг/мм2 Время сварки, сек. Общее
Варианты враще- Нач. При При время
режимов ния за- Нача- Нагре- Осад- давле- давле- давле- сварки
сварки готовки, льное, ва, ки, нии, нии, нии,
об/мин Pi Р2 Рч Pi Р2 Рз
ii 12 1з 1„6ш
I. Без оса-
дочной 581 3,5 6 35 10 45 5 50
матрицы
II. С оса-
дочной
матрицей 581 10 6 11 4 38 4 46
по традиц.
техно-
логии
III. С оса-
дочной
матрицей 581 5 7,5 25 4 42 5 51
по разрабо-
танной тех-
нологии
Основной металл I. Сварка без осадочной матрицы II. Сварка с осадочной матрицей по традиц. технологии III. Сварка с осадочной матрицей по разраб. технологии
Сталь 38ХС (45Х) Порошковая-сталь Р6М6 Р6М5 + 38ХС (45X) Р6М5 + 38XC (45X) Р6М5 + 38XC (45X)
2750 3650 1580 1022 2238
Для сравнения оценок качества сварки из каждой партии заготовок отбиралось по три образца, которые подвергались излому для выявления наличия дефектов в сварном соединении, а также образцы для исследования макро- и микроструктуры сварных соединений. Кроме того, отбирались образцы для механических испытаний (статистический изгиб). Перед механическими испытаниями все образцы подвергались отжигу, после которого делалась закалка и отпуск сварного шва по традиционной технологии.
На изломах сварных соединений, сваренных сваркой трением как по традиционной технологии (вариант I), так и с применением осадочной матрицы (вариант II), были обнаружены дефекты в виде "блестящих колец". В изломах образцов, сваренных по разработанной технологии (вариант III), никаких дефектов обнаружено не было.
На макрошлифах сварных соединений, полученных сваркой трением по варианту II, четко просматривались дефекты в виде кольцевого выступа с резким искривлением линии сплавления. На макрошлифах сварного соединения, полученного по предложенному способу сварки трением (вариант III), линия сплавления имеет ровные четкие очертания, резких искривлений линии сплавления в пределах всего сечения образца не наблюдалось.
Исследования микрошлифов сварных соединений, полученных по технологиям 1-го и 11-го вариантов, подтвердили присутствие дефектов в виде "блестящих колец". Под микроскопом было хорошо видно резкое изменениие линии сплавления, четко видны расслоения и сколы металла быстрорежущей стали в околошовной зоне. Обнаружены также скопления неметаллических включений в виде карбидных строчек, не разрушенных деформацией в процессе проковки. На микрошлифах образцов, сваренных по разработанной технологии (вариант III), дефекты полностью отсутствовали.
Результаты испытаний образцов на статистический изгиб приведены в табл. 2.
На изготовленном по разработанной технологии сварки трением композиции порошковая быстрорежущая сталь- конструкционная трещин и поломок не наблюдалось.
Список литературы
1.Виль В.И., Попандопула,Ткачевская В.Д. Природа образования "блестящих колец" при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными //Электротехническая промышленность. Сер. Электросварка,- 1970,- Вып.1.-С.40-42.
2.Гнюсов С.Ф., Трущенко Е.А. Сварка трением стали Р6М5 в режиме сверхпластичности //Сварочное производство,- 2003,- №3,- С. 27-30.
3. Егоров В.И. Сварка трением быстрорежущей стали с конструкцион-
ной // Сварочное производство,- 1983,- №8.-С. 41-44.
4. Хазанов И.О.,Фомин Н.И.Сварка трениемв интервале сверхпластич-
ности //Сварочное производство,- 1989,- №3.-С. 32-35.
5.Фомичев Н.И.., Имшенник К.П. Влияние промежуточного слоя, образующегося при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными, на прочность соединения // Сварочное производство,- 1981,- №2.-С. 21-22.
6. A.c. 1660905 СССР. Осадочная матрица /А.Т.Шпак//Открытия.
Изобретения.-1991. -№25.-С.32-33.
7. ШпакА.Т., Савиных Л.М. Сварка трением быстрорежущих сталей с
конструкционными// IX-я Международная научно-техническая конференция "Современные развитие транспортного машиностроения и материалов":Тезисы докладов,- Пенза, 2004,- С. 24-25.
8. Шпак АЛ., Савиных Л.М., Гуревич Ю.Г. Повышение качества сварки
трением порошковых быстрорежущих сталей//Известия вузов. Северо-кавказкий регион. Технические науки,- 2004,- Приложение №8,- С. 13-15.
Анциферов В.Н., Оглезнева СЛ. Пермский государственный технический университет, г. Пермь
МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ С ДИСПЕРСНОЙ КАРБИДНОЙ ФАЗОЙ
Исследования связи структуры сталей и сопротивления абразивному изнашиванию [1,2] показали в большинстве случаев рост износостойкости по мере повышения твердости основных структурных составляющих. Остаточный аустенит (А^), как правило, снижает износостойкость материала, но известны износостойкие сплавы, в структуре которых необходимо присутствие значительной доли Аост [3]. Если аустенит нестабилен и изнашивание сопровождается деформационным мартенсит-ным превращением, то абразивная стойкость может возрасти в 2-3 раза по сравнению с материалом, имеющим мартенситную структуру [4].
Дальнейший рост износостойкости обеспечивает введение в состав стали компонентов с высокой твердостью при условии решения проблемы физико-химической совместимости, а в качестве упрочняющей дисперсной фазы наиболее перспективным представляется карбид титана [5]. Следует отметить, что карбид титана добавляют и в литые металлы посредством диспергирова-
