CC BY
13
A promising method for controlling the electric drive of a face scraper conveyor based on the use of an adaptive speed controller based on fuzzy logic is considered. The results of computer simulation of an adaptive controller at different conveyor speeds are presented.
Key words: scraper conveyor, simulation, drive, traction element, speed controller, fuzzy logic.
Ovsyannikov Dmitry Sergeevich, postgraduate, ovsyannikov_d_s@mail. ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Scientific supervisor - Shprekher Dmitry Markovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.791.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-691-695
МОНИТОРИНГ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО ДИФФУЗИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛЕЙ И ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ПРОСЛОЙКИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ НА ЭЛЕМЕНТАХ
ТЕХНОЛОГИИ ШЕЛКОГРАФИИ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, А.А. Калинин
В статье рассмотрены особенности формирования диффузионного соединения металлических изделий из сталей и жаропрочных ставов на никелевой основе с промежуточной прослойкой с применением метода шелкографии.
Ключевые слова: диффузионное соединение; схватывание; прослойка; порошковая паста; сталь; жаропрочный никелевый сплав; биндер; диффузионная сварка в вакууме; гомогенизация; фазовый состав.
Существующая технология изготовления биметаллических изделий [1], основанная на совместной горячей пластической деформации горячих слоев, часто не обеспечивает их высококачественные, стабильные физико-химические и механические свойства.
При соединении биметаллических материалов, в частности с различными коэффициентами термического расширения (КТР), для релаксации внутренних напряжений между ними вводится (прослойка-прокладка) из материала, имеющего, промежуточное значение КТР. Кроме того, в зависимости от соединяемой композиции, прослойка может выполнять и другие функции. Так при сварке разнородных материалов в процессе объёмного взаимодействия возможно образование в контакте слоя интерметаллидов, которые быстро снижают прочностные характеристики соединения. В этих случаях необходимо вводить в зону контактирования промежуточную прослойку из материала, который не образует интерме-таллидного соединения с каждым из свариваемых материалов. Существуют твердые и мягкие прослойки - последние применяются для сварки материалов, обладающих высокой твёрдостью, что облегчает условия формирования фактического контакта и ускоряет протекания последующих стадий процесса диффузионной сварки.
Многочисленные исследования показывают, что большинство металлов и неметаллов образуют только соединения, когда между ними находится третий металл - промежуточный слой в виде металлической фольги, распыленного или оцинкованного покрытия с металлическим порошком. Этот слой выполняет множество функций, наиболее важным из которых является металлургическая совместимость двух сварных поверхностей [1,28].
Установлена полезность использования промежуточных слоёв на основе металлов с высокой склонностью к диффузии: золота, серебра, меди, никеля и др. элементов [2, 3, 20, 22-24, 35].
Возможность варьирования материалами и толщиной промежуточной прослойки в зависимости от сочетания свариваемых материалов является важным достоинством диффузионной сварки (ДС) и способствует расширению области её применения [2-24, 35].
Проведённый мониторинг научно-технической литературы [1-38] показал, что предлагаемые материалы и конкретные технологии для изготовления качественного диффузионного соединения из стали и никелевого спецсплава с использованием многофункциональной пастообразной прослойки на основе высокодисперсных порошковых систем типа: Ni-Cr-Me, где Me-Fe, Si, В и др. с применением элементов технологии шелкографии, представляются перспективными и актуальными направлениями развития ДС.
Целью настоящей работы являлось усовершенствовать технологию диффузионной сварки, включающую применение прокладок из высокодисперсных порошков, которые обладают способностью активировать процессы схватывания сопрягаемых поверхностей биметаллической конструкции с повышенным комплексом физико-механических свойств, надёжностью и долговечностью.
Результаты и их обсуждение. В качестве материала для двухслойных заготовок использовали сочетание жаропрочного сплава (ЖСЗДК или ЖС6У) со сталью (35.40)Х.
При диффузионной сварке в вакууме [6, 8] изделий из жаропрочных сплавов и сталей применялась прослойка из пасты высокодисперсного порошка системы: Ni-Si; Ni-Si-B; Ni-Cr-Si-B; Ni-Cr-Fe-Si-B, а также самофлюсующиеся сплавы [17, 22]. В качестве связующего для приготовления из порошка пасты использовался "биндер", представляющий собой раствор коллоксилина в изоамилацетате, а также пастообразователь-винилацетатная эмульсия на основе ПВА.
Нанесение пасты или пастообразователя на сопрягаемые поверхности изделий осуществлялось способом шелкографии, с помощью специального приспособления, представляющего тонкую эластичную сетку из нержавеющей стали с размером ячейки (40*40) мкм, через которую паста продавливается на контактируемую поверхность одной из заготовок, а затем соскабливается резиновой лопаткой, движущейся со скоростью (190.210) мм/с. При этом толщина прослойки составляла (50.80) мкм.
Шелкография или трафаретная печать это способ печати, при котором краска продавливается специальным тупым ножом (ракелем) через печатающие элементы типографской формы из тончайшей металлической сетки на запечатываемый материал [22].
Соединение слоев осуществляли в установке для диффузионной сварки СДВУ-4М [5, 11, 39]. Подобраны оптимальные параметры сварки; показано, что для каждого выбранного сочетания слоев температура сварки играет решающее значение в получении качественного диффузионного соединения. Температурно-временная обработка (ТВО), как известно, содействует более равномерному распределению легирующих элементов сплавов. ТВО выравнивает химическую неоднородность. Методом микро-рентгеноспектрального анализа на приборе «Самека» исследовали распределение всех основных элементов в жаропрочных сплавах типа «ЖС». В результате ТВО уменьшился коэффициент химической неоднородности от (5.8) до (1,0.1,4) [5], изменилась морфология включений на границах и в приграничных зонах кристаллитов, уменьшилось количество карбидных и карбидоборидных фаз. Это привело к разрыву (дроблению) эвтектических составляющих (у — у') в приграничных зонах и сужению этих зон [5-7]. Полученный эффект объясняется тем, что тугоплавкие элементы (Mo, W, Nb и Cr) после ТВО в значительной мере сохранены в твердом растворе.
Общим при ТВО соединений является то, что концентрация элементов прослоек в зоне взаимодействия уменьшается. Установлено, что процессы рассасывания, описываемые решением II-ого уравнения диффузии [8, 11] относительно концентрации диффундирующего элемента в направлении, перпендикулярном плоскости соединения, при постоянном значении температур поддаются оценке с помощью температурно-временного параметра Холмона для всего интервала температур гомогенизации. Экспериментальные данные в результате расчета показывают, что в условиях эксперимента эквивалентный с точки зрения рассасывания эффект достигается при повышении температуры гомогенизации на 20 °С или увеличении выдержки в (2-2,5) раза.
Заключение. При диффузионной сварке напряженно-деформированное состояние в объеме соединения и в зонах контактов существенно отличаются. Применение схемы принудительного деформирования позволяет управлять параметрами сварки и контролировать существующие условия деформации.
Торцевые соединения сталь 35Х с прослойкой состава: C(0,6-1,0); В(2,8-4,2); Si(4,0-4,5) ; Fe(34-36); Cr( 15-17); Ni-ост. в ат. % с жаропрочным сплавом ЖС3ДК изготовлено в вакууме 10-3 Па при температуре (1200.1220) °С и давлении (1,5.2,5) МПа.
Установлено, что при диффузионной сварке по схеме принудительного деформирования параметры сварки должны выбираться из условия поддержания в зоне контакта PK > c jj,, где Рк - напряжение точения в зоне контакта, где cjj - предел теку чести материала в зоне контакта.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2015-2020 годы».
Список литературы
1. Чарухина К.Е., Голованенко С.А. Мастеров В.А., Казаков Н.Ф. Биметаллические соединения. М.: Металлургия, 1970. 278 с.
2. Бакши О.А. Шгон Р.З. О расчётной оценки прочности сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство. 1971. № 3. С. 3-5.
3. Харченко Г.К., Игнатенко А.И. Прочность соединений с тонкой мягкой прослойкой // Автоматическая сварка. 1968. № 5. С. 31-33.
4. Макара А.М., Назарчук А.Т. О механизме диффузионной сварки и повышения качества соединений // Автоматическая сварка. 1969. № 4. С. 23-28.
5. Казаков, Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976. 312 с.
6. Мусин Р.А., Анциферов В.П., Квасницкий В.Ф. Диффузионная сварка жаропрочных сплавов. М.: Металлургия, 1979. 208 с.
7. Госгомельский В.С., Каракозов Э.С., Терновский А.П. Роль диффузии и поверхностного натяжения в формировании контакта при диффузионной сварке // Автоматическая сварка. 1980. № 4. С. 28-31.
8. Гришин И.С. Диффузионная сварка жаропрочных сплавов между собой и с конструкционными сталями: конспект лекций. Куйбышев: КуАИ, 1981. 35с.
9. Казаков Н.Ф., Браун А.Г. Диффузионная сварка за рубежом (обзор) // Автоматическая сварка. 1984. № 11. С. 50-54.
10. Нефедова Т.Н., Шевнюк Ю.В. Шевченко Ю.В. Технология изготовления авиационных двигателей методом сверхпластического формообразования, в том числе в сочетании с диффузионной сваркой за рубежом // Технология, оборудование, материалы, процессы. 1990. № 2. С. 4-33.
11. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки / В.А. Бачин, В.Ф. Квасницкий, Д.И. Котельников, В.Г. Новиков, Г.П. Полушкин. М.: Машиностроение, 1991. 352 с.
12. Холина С.И. Усачева И.К. Технология сверхпластического формообразования титана в сочетании с диффузионной сваркой // Авиационная промышленность. 1992. № 6. С. 51-53.
13. Гельман А.А., Зенин В.А. Современные технологические процессы диффузионной сварки // Технология легких сплавов. 1998. № 2. С. 25-32.
14. Патент на изобретение № 2573462 Российская Федерация, МПК В23К 20/16. Способ диффузионной сварки / Г.М. Зеер, Е.Г. Зеленкова, С.М. Жарков, А.А. Михеев. - № 2014120074/02 заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»; заявл. 19.05.2014; опубл. 20.01.2016. Бюл. № 2. 6 с.
15. Петренко В.Р., Киреев Л.С., Пешков В.В. Сварка титана со сталью. Воронеж: ВГТУ, 2004.
173 с.
16. Фролов В.А., Пешков В.В., Коломенский А.Б., Казаков В.А. Сварка. Введение в специальность. Диффузионная сварка М.: Интермет Инжиниринг. 2008. С. 204-212.
17. Емельянов С.Г., Гадалов В.Н., Григорьев С.Б., Гончаров А.Н. Изучение плазменных покрытий из порошковых многокомпонентных композиций на никелевой основе // В сб.: «Материалы и упрочняющие технологии - 2009». Сб. матер. XVI Российской научно-технической конференции с международным участием. Изд-во: КГТУ, 2009. Ч. 1. С. 12-27.
18. Гадалов В.Н., Матвеев А.С., Григорьев С.Б., Ширин И.В. Ресурсосберегающая технология производства слоистых материалов // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. № 10. С. 35-36.
19. Гадалов В.Н., Тутов Н.Д., Абашкин Р.Е., Лыткин А.И. Дендритная ликвация и ее влияние на распределение упрочняющей у' -фазы в жаропрочном литейном сплаве с никелевой матрицей (ЖСН) // Технология металлов. 2009. № 7. С. 30-33.
20. Диффузионная сварка в вакууме сплава на основе у-^А1 с использованием нанослойных прослоек / Г.К. Харченко, А.И. Устинов, Ю.В. Фальченко, А.Н. Муравейник, Т.В. Мельниченко, Л.В. Петрушинец // Автоматическая сварка. 2011. № 3. С. 7-11.
21. Люшинский А.В. Использование нанодисперсных порошков металлов при диффузионной сварке разнородных материалов // Автоматическая сварка. 2011. № 5. С. 31-34.
22. Особенности формирования диффузионного соединения биметаллических изделий из жаропрочных сплавов с промежуточной прослойкой, полученной методом шелкографии / В.Н. Гадалов, Р.В. Бобрышев, В.В.Горецкий и др. // Материалы и технологии XXI века. Пенза: АННОО. Приволжский Дом знаний, 2011. С. 83-85.
23. Диффузионная сварка в вакууме нержавеющей стали через пористые прослойки никеля / А.И. Устинов, Ю.В. Фальченко, Т.В. Мельниченко, Л.П. Петрушинец, К.В. Ляпина, А.Е. Шишкин // Автоматическая сварка. 2015. № 7. С. 5-11.
24. Диффузионная сварка стали с оловянной бронзой через пористые прослойки никеля и меди / А.И. Устинов, Ю.В. Фальченко, Т.В. Мельниченко, Л.В. Петрушинец, К.В. Ляпина, А.Е. Шишкин, В.П. Гуриенко // Автоматическая сварка. 2015. № 9. С. 15-21.
25. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.
26. Гадалов В.Н., Петренко В.Р., Киреев Р.Ю., Романенко Д.Н. Влияние структуры на характер разрушения свариваемых литейных никелевых сплавов // Сварочное производство. 2017. № 12. С. 2632.
27. Диффузионные процессы и их физико-математическое описание при сварке порошковых материалов / В.Н. Гадалов, Е.В. Скрипкина, А.Г. Беседин, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 7. С. 65-77.
28. О возможности получения биметаллического изделия из интерметаллидного сплава на основе №3А1 и деформируемого никелевого сплава, посредством сварки давлением / В.А. Валитов, Э.В. Галиева, Э.Г. Ар-гинбаева и др. // Перспективные жаропрочные никелевые деформируемые сплавы и технологии их переработки. М.: ВИАМ, 2018.С. 10-24.
29. Прогнозирование надежности металлоконструкций методами статистического моделирования / В.Н. Гадалов, И.В. Ворначева, А.В. Филонович, Е.А. Филатов, Д.С. Алымов // Научная жизнь. 2019. Т. 14. № 4 (92). С. 457-462.
30. Исследование структуры, фазового состава и физико-механических свойств модифицированных отливок из жаропрочного сплава ЖС3ДК / В.Н. Гадалов, И.А. Макарова, А.А. Иванов, С.Н. Ку-тепов, А.В. Филонович, А.А. Шатульский, А.Е. Гвоздев // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 10. С. 435-445.
31. Процессы упрочнения и восстановления деталей машин и механизмов электроакустическим напылением смесью самофлюсующихся сплавов на никелевой и железной основах / В.Н. Гадалов, А.Е. Гвоздев, В.Р. Петренко, А.А. Иванов, А.В. Филонович, А.А. Калинин, И.А. Макарова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 5. С. 312-327.
32. Металлография металлов, порошковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко. М.: Изд-во Инфра-М, 2020. 468 с.
33. Гадалов В.Н., Беседин А.Г., Пинаев Б.В. Исследование и анализ напряженно-деформированного состояния металла конструкций с использованием теплового контроля для его диагностики // В сб.: «Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства». Сб. науч. статей Международной научно-практической конференции. Курск: Изд-во ЮЗГУ, 2021. С. 49-59.
34. Основы повышения жаропрочности литейных сложнолегированных сплавов на никелевой основе / В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, А.А. Калинин, И.А. Макарова, Е.А. Филатов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 5. С. 583593.
35. Гадалов В.Н., Скрипкина Ю.В., Петренко В.Р. Изучение напряженно-деформированного состояния интерметаллидной прослойки при диффузионной сварке титано-алюминиевых конструкций // Сварочное производство. 2021. № 9. С. 44-47.
36. Материаловедение и металловедение сварки / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, А.В. Филонович. М.: Инфра-Инженерия, 2021. 308 с.
37. Some evaluations on the technical state of metal products and determination of their safe operation period on the basis of criterial control / V. Gadalov, I. Vornacheva, S. Safonov, D. Nuretdinov, V. Sokolova, I. Ladikov, A. Rzhavtsev // В сб.: «Materials Science Forum». Krasnoyarsk, Russian Federation., 2022. С. 275281.
38. Мониторинг кинетических закономерностей износа внутренних поверхностей оборудования в условиях интенсивной коррозии с применением разных рабочих сред / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, И.А. Макарова // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № 6 (303). С. 48-53.
39. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов и др. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Петренко Владимир Романович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Губанов Олег Михайлович, канд. техн. наук, доцент, руководитель проектов по разработке новых видов продукции группы компаний НЛМК, gubanov_oleg81@mail. ru, Россия, Липецк, ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MONITORING OF OBTAINING A HIGH-QUALITY DIFFUSION CONNECTION OF PRODUCTS MADE OF STEELS AND HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED ALLOYS USING AN INTERMEDIATE LAYER MADE ON
ELEMENTS OF SILKSCREEN TECHNOLOGY
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, V.R. Petrenko, O.M. Gubanov, A.A. Kalinin
The article discusses the features of the formation of a diffusion connection of metal products made of steels and heat-resistant nickel-based alloys with an intermediate layer using the silkscreen method.
Key words: diffusion connection; setting; interlayer; powder paste; steel; heat-resistant nickel alloy; bender; diffusion welding in vacuum; homogenization; phase composition.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Petrenko Vladimir Romanovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Gubanov Oleg Mikhailovich, candidate of technical science, docent, project manager for the development of new types of products of NLMK Group, gubanov_oleg81@mail. ru, Russia, Lipetsk, Novolipetsk metallurgical plant Public joint stock company,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 669.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-695-698
ФАКТОРЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СПЛАВОВ
Г.Г. Бурый
В статье рассматривается актуальность проведения исследований химического состава сплавов. Рассматриваются подготовительные этапы для проведения анализа структуры сплава. Описываются химические реактивы для травления неметаллических структур в сплаве, по которым далее определяется химический состав сплава. Рассматриваются предварительные исследования детали, такие как изучение излома образца, замер его твердости. Описывается алгоритм и факторы исследований химического состава сплава произвольной детали. Приводится сравнительный анализ твердости сплава детали с другими сплавами на основе меди. Рассматривается применение диаграммы состояния сплава медь-цинк для определения химического состава сплава. Осуществляется подбор марки латуни в соответствии с рассмотренными факторами в работе.
Ключевые слова: сплав, химический состав, структура, факторы, травление.
При производстве или ремонте деталей, или других изделий очень важен подбор правильного сплава. Сплав должен иметь достаточные эксплуатационные свойства. Поиск причины поломки изделия или детали начинают с анализа сплава, из которого она произведена. В случае если материал неизвестен, стоит очень сложная задача по его определению. В данной работе рассмотрим каким образом с минимальными затратами возможно определение марки сплава с достаточной точностью.
Процесс определения марки сплава называют микроанализом. Данный процесс, включает в себя несколько этапов, подготовка исследуемой поверхности изделия, травление поверхности, определение марки сплава по диаграммам состояния сплавов. Подготовка исследуемой поверхности заключается в ее выравнивании путем шлифования и полирования. Полирование осуществляется до тех пор, пока на поверхности не будет видно никаких дефектов. С этой целью используется микроскоп в отраженном свете. Поверхность рассматривается под увеличением в 30 и более раз. Далее переходят к процедуре травления исследуемой поверхности. Дело в том, что на поверхности помимо металлических составляющих присутствуют неметаллические, которые представляют собой различные химические соединения такие как карбиды, нитриды и т.д. Процедура травления представляет собой использование кислот для выжигания неметаллических включений. На их месте после травления образуется неровная поверхность, которая в микроскоп видна в виде темных областей определенной формы. По размерам, форме и оттенкам прогоревших структур можно определить марку сплава.
Рассмотрим подробнее виды реактивов для травления различных сплавов. Для травления сплавов на основе железа, таких как углеродистые, низколегированные стали, а также чугуны целесообразно применять реактив, содержащий 4% азотной кислоты HNO3 и 96% этилового спирта. Добавление кислоты придает большую четкость при просмотре строения сплава под микроскопом. Для травления высоколегированных и нержавеющих сталей целесообразно применять реактив, состоящий из 10% HNO3, 30% HCl, 60% этилового спирта. Следует отметить, что после процедуры травления сталей и чугунов продукты травления следует удалить путем промывки в спирте. Содержание кислот также может изменяться в зависимости от конкретной марки. Для травления сплавов на основе алюминия хорошо подходит реактив, состоящий из 10...20% едкого натра NaOH и 80...90% воды. Промывка продуктов травления на алюминиевых сплавах осуществляется концентрированной азотной кислотой. Сплавы на основе меде хорошо протравливаются реактивом, содержащим 5гр. хлорида железа FeCl3, соляной кислоты HCl 30 и 100 мл воды или этилового спирта. После процедуры травления исследуемый образец промывают водой и высушивают [1, 2, 3, 4, 5, 6].
