CC BY
40
УДК 669.713
Е. Н. Левая, А. А. Кузовников
СТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
Электрические переходные соединения сталъ-алюминий применяются в электролизерах для получения алюминия. Возможно их применение в аэрокосмической отрасли. Работа посвящена изучению электрических характеристик и структуры биметаллических сварных соединений с исполъзованием промежуточных слоев никеля, титана и нержавеющей стали.
Технология получения алюминия основывается на электролизе расплавленных солей в электролизных ваннах. По виду применяемого угольного анода технология производства делится на два типа [1]. Первый этап - это процесс Содерберга, или процесс непрерывного анода. Здесь анод формируется из нефтяного пека непосредственно в ходе электролиза. Подвод электроэнергии к аноду осуществляется с помощью специальных сталь- алюминиевых или сталь-медных штырей, которые сверху или сбоку вводятся в анодную массу. Второй тип включает электролиз с использованием уже готовых анодных блоков - это технология предварительно обожженного анода. Конструкция ано-додержателя для технологии с обожженными анодами состоит из алюминиевой штанги и стального кронштейна. Алюминиевая штанга служит для подключения анододер-жателя к токоподводящим цепям, тогда как кронштейн опускается в электролизную ванну [2].
В настоящее время предпочтение отдается последнему процессу как экологически более чистому и технологически более эффективному.
Существует значительная потребность алюминиевой промышленности в биметаллических переходниках. Наиболее перспективным подходом к изготовлению биметаллических переходников является сварка взрывом. Данный вид сварки позволяет минимизировать толщину образующейся интерметаллидной прослойки, и поэтому из всех видов сварки является наиболее предпочтительным.
Одним из главных показателей качества биметалла является величина переходного электросопротивления. Знание этой величины и кинетики ее изменения в процессе эксплуатации позволит оценить потери электроэнергии в токоподводящем узле, а также прогнозировать работоспособность биметаллического элемента и токоподводящего узла в целом.
В зависимости от конструкции электролизера и технологических операций биметаллические переходники работают в области температур от 200 °С до 500 °С, а иногда и выше. Со временем эти температурные условия могут оказывать существенное вредное влияние на прочность соединения сталь-алюминиевого переходника, приводя в результате к разрушению.
Исследуемые биметаллические переходники сталь - алюминий с толщиной алюминия 10 мм и толщиной стали (38...40) мм изготавливались сваркой взрывом. Из вставок размерами 195x195 мм толщиной (46...48) мм для проведения электрических измерений вырезались прямоугольные образцы сечением 1,2 см2.
Исследовались образцы следующих видов: соединения алюминий-сталь с плоской границей; соединения с границей типа «ласточкин хвост» (рис. 1), а также эти соединения с промежуточным слоем титана толщиной 0,3...0,8 мм; образцы с барьерным слоем никеля и барьерным слоем нержавеющей стали; образцы соединений медь-алюминий и медь-титан-алюминий. Кроме того, эти же образцы исследовались после термообработки в муфельной печи при различных временах отжига [3].
Изр,єрєн0я в паза хвоста
Изр,єрєн0я в вєрш0нє хвоста
Рис. 1. Биметаллический переходник с границей сварного соединения типа «ласточкин хвост»
Для определения падения напряжения непосредственно на контактной границе по причине его малой величины была разработана специальная методика. На поверхности стали и алюминия вдоль прямой наносились 4 реперные точки. С помощью инструментального микроскопа марки ИМЦ 150 х 50, Б, с погрешностью менее 10 мкм измерялось расстояние между реперами и от них до контактной границы. Определялось падение напряжения в реперных точках. По полученным данным рассчитывалось удельное электросопротивление стали. Падение напряжения на контактной границе получалось путем линейной экстраполяции измеренных значений до контактной границы со стороны стали и алюминия (рис. 2).
г, мм
Рис. 2. Характерный вид зависимости падения напряжения в реперных точках от расстояния между реперами
Были проведены специальные опыты по измерению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Измерения проводились при температуре 400 °С. Для предотвращения окисления контакты были изолированы от воздуха. Установлено, что ТЭДС влияет на уровне 0,01 мВ. Влияние ТЭДС на уровне 0,1 мВ наблюдалось в случае, когда после отжига с поверхности образца не были убраны окислы. В ходе проведения измерений учитывалось влияние ТЭДС при изменении направления тока, при перемене мест потенциальных контактов.
Измерения на одном и том же образце проводились несколько раз без изменения условий.
Было определено, что погрешность измерений падения напряжения на переходной зоне составляет ~0,1 мВ. Основной вклад в величину данной погрешности вносит погрешность установки измерительных контактов. Так как измеряемые величины в некоторых случаях малы, для них эта погрешность составляет достаточно большую величину. Ее вклад меняется для разных образцов в зависимости от состояния зоны соединения от 50 до 2 %.
Измерялись падения напряжения исходных биметаллических образцов А1-Ре с титаном и без него и тех же образцов после отжига при 600 °С в течение 24, 96, 168 и 216ч. По полученным данным были построены графики зависимости электросопротивления переходной зоны от времени отжига (рис. 3, 4).
Л!-Ре
время отжига, час
Рис. 3. Зависимость электросопротивления переходной зоны от времени отжига для образцов А1^е с плоской границей соединения с титаном и без него
время отжига, час
Рис. 4. Зависимость электросопротивления переходной зоны от времени отжига для образца с границей сварного соединения типа «ласточкин хвост» с промежуточным слоем титана на вершине и в пазу хвоста
Установлено, что основной вклад - до 90% - в величину падения напряжения на образцах дает стальная часть.
Величина электросопротивления на контактной границе для образцов алюминий-сталь (плоская граница), независимо от наличия барьерного слоя, в исходном состоянии мала. Это указывает на хороший электрический контакт материалов по границе. Аналогичная картина наблюдается для сталь-алюминиевых образцов с границей сварного соединения типа «ласточкин хвост» на вершинах выступов. В тоже время для образца с такой же границей и промежуточным слоем титана толщиной
0,3 мм величина электросопротивления в пазу немного выше, а для образца с толщиной титана 0,8 мм электросопротивление в пазу превосходит электросопротивление в вершине хвоста в 8 раз. Это объясняется плохим качеством сварки в пазу хвоста.
В процессе отжига при воздействии повышенных температур у поверхности раздела соединения формируется диффузионный слой. В результате величина электросопротивления для образца с плоской границей без титана начинает резко расти, тогда как для биметаллического соединения с барьерным слоем титана электросопротивление меняется слабо.
Слабое увеличение электросопротивления наблюдается и для образцов с границей сварного соединения типа «ласточкин хвост» на вершинах выступов. Вместе с тем в пазу хвоста образца с тонким слоем титана величина электросопротивления после отжига в течение 216ч при 600 °С увеличивается в 5 раз. Для образца с титаном толщиной 0,8 мм величина электросопротивления, изначально большая из-за плохого качества сварки, после отжига меняется слабо.
Электросопротивление на переходной зоне для образца с промежуточным слоем никеля в исходном состоянии велико. После отжига в течение 1 сут при 600 °С величина электросопротивления увеличилась в 2 раза, а после 72 ч отжига образец разрушился.
Для образца с барьерным слоем нержавеющей стали электросопротивление после первого отжига увеличилось в 3 раза. После отжига в течение72 ч образец начал разрушаться, об этом говорит то, что электросопротивление образца резко возросло - больше чем в 100 раз.
Были исследованы микроструктурные изменения в зоне соединения при тепловом воздействии, для чего из полученных образцов изготавливались микрошлифы, фотографирование которых производилось на компьютеризированном оптическом микроскопе отраженного света для научных исследований «JENAVERT».
В ходе исследования микроструктурных изменений на границе раздела биметаллических сталь-алюминиевых соединений при тепловом воздействии для образцов с плоской границей (рис. 5) было установлено, что граница раздела прочная, без трещин и включений (рис. 5, а).
Аналогичная картина наблюдалась и для образцов с границей сварного соединения типа «ласточкин хвост» на вершинах выступов (рис. 6). В тоже время на дне паза слой титана утрачивает сплошность и разрывается по боковой грани паза (рис. 6, а).
В результате отжига на границе соединения образуется диффузионный слой. Причем для плоских образ-
цов без титана ширина диффузионного слоя намного больше, чем для соединения с барьерным слоем. Это связано с тем, что соединения А1-Т начинают образовываться при более высоких температурах, чем соединения системы А1-Бе. После отжига в течение 168 ч при 600 °С по границе А1-Бе наблюдаются трещины (рис. 6, б), образец разрушается, тогда как соединение А1-^-Бе начинает разрушаться после отжига в течение 216 ч по границе А1-Т1
У сталь-алюминиевых переходников с границей типа «ласточкин хвост» с промежуточным слоем титана толщиной 0,3 и 0,8 мм величина диффузионной прослойки мала по сравнению с образцами с традиционной плоской границей соединения. Интересно, что на вершине хвоста диффузионные слои растут гораздо медленнее, чем в пазу. Отжиг в течение 216ч при температуре 600 °С не привел к разрушению образцов. Это говорит о видимом преимуществе биметаллических переходников с границей соединения типа «ласточкин хвост» перед переходниками с плоской границей (рис. 7, 8).
В результате исследования структурных изменений при тепловом воздействии соединения сталь-алюминий с промежуточным слоем нержавеющей стали обнаружено, что после отжига при 600 °С в течение 72 ч по границе соединения алюминий-нержавеющая сталь образуются трещины, образец начинает разрушаться. Вместе с тем биметаллическое соединение А1-Бе с промежуточ-
ным слоем никеля после 72 ч отжига полностью разрушилось по границе А1-№.
Рис. 7. Зависимость ширины диффузионного слоя от времени отжига для плоских образцов с титаном и без него
В катодном узле используются медно-алюминиевые переходники. Температура катода составляет 220 °С, соединения А1-Си работают при температурах 220...250 °С. При использовании промежуточного слоя титана, диапазон температур увеличивается до 350...400 °С. Исследовались соединения А1-Си и А1-^-Си в исходном состоянии и после отжига при 400 °С в течение 1, 3 и 27ч.
В исходном состоянии граница раздела у обоих соединений прочная, диффузионные слои отсутствуют.
а б
Рис. 5. Микрошлиф №1: а - в исходном образце; б - после отжига 168 ч при 600 °С.
Микрошлиф №2 1 выполнен из образца А1-Бе с плоской границей соединения без барьерного слоя (масштаб 1 : 63)
А!
А1 •• . • .. ,
Рис. 6. Микрошлиф № 2 после отжига 24 ч при 600 °С: а - дно паза, А1-Ті-Ре; 6- вершина хвоста, А1-Ті-Ре. Микрошлиф №2 2 выполнен из образца сврного соединения типа «ласточкин хвост» с барьерным слоем титана,
толщиной 0,3 мм (масштаб 1 : 40)
После 1 ч отжига на границах сварного соединения образуются небольшие диффузионные слои (рис. 9, 10), которые при дальнейшем отжиге начинают расти достаточно быстро для соединения А1-Си и гораздо медленнее для соединения А1-Си с барьерным слоем титана. Исследование поведения медно-алюминиевых переходных соединений выявило лучшую работоспособность и термостойкость переходников с барьерным слоем титана, в отличие
от соединения А1-Си без промежуточного слоя.
2 в пазу
Рис. 8. Зависимость ширины диффузионного слоя от времени отжига для образца с границей «ласточкин хвост» в вершине и в пазу хвоста
Таким образом, установлено, что образующаяся при отжиге диффузионная прослойка на границе А1-ТІ рас-
тет значительно медленнее, чем на границах А1^е, А1-№ и алюминий-нержавеющая сталь. В сварном соединении с границей типа «ласточкин хвост» диффузионные слои в пазу растут быстрее, чем на вершине, что свидетельствует о неоднородности качества сварки. Выявлено, что в процессе отжига величина переходного электросопротивления увеличивается. Наименьший рост электросопротивления наблюдается для образцов с барьерным слоем титана. Вместе с тем вклад переходного сопротивления в общее сопротивление вставки остается несущественным вплоть до ее разрушения. Биметаллические вставки с барьерным слоем титана характеризуются по-
квадратный корень из времени
Рис. 11. Зависимость ширины диффузионного слоя от времени отжига для образцов с титаном и без него
а б
Рис. 9. Микрошлиф № 3: а - отжиг 1 ч, 400 °С; б - отжиг 27 ч, 400 °С. Микрошлиф N° 3 выполнен из медно-алюминиевого образца с плоской границей соединения без барьерного слоя титана (масштаб 1 : 63)
а б
Рис. 10. Микрошлиф № 4: а - отжиг 1 ч, 400 °С; б - отжиг 27 ч, 400 °С: Микрошлиф № 4 выполнен из медно-алюминиевого образца с плоской границей соединения с барьерным слоем титана, толщиной 0,3 мм (масштаб 1 : 63)
вышенной термостойкостью и могут эксплуатироваться при температурах до 600 °С.
Библиографический список
1. Николаев, И. В. Металлургия легких металлов /
И. В. Николаев, В. И. Москвитин, Б. А. Фомин. М. : Металлургия, 1997.
E.N. Levaya, A. A. Kuzovnikov
STRUCTURE AND ELECTRIC CHARACTERISTICS OF THE BIMETALLIC CONNECTIONS WITH RAISED THERMOSTABILITY RECEIVED BY WELDING BY EXPLOSION
Steel-aluminum electric transition connections are applied in electrolytic cells to manufacture of aluminum. Their application in aerospace branch is possible. The work is devoted to studying of electric characteristics and structure of bimetallic welded connections with use of intermediate layers of nickel, titan and stainless steel.
2. Разработка и совершенствование контактных соединений / А. З. Богунов, О. А. Трескин, А. А. Кузовников и др.; ИТЦ «Русал». Красноярск, 2004. 61 с.
УДК 621.924.079(088.8)
В. А. Левко, Е. Б. Пшенко
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА РАБОЧЕЙ СРЕДЫ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Приведена сравнительная характеристика контактных взаимодействий при различных методах финишной обработки, рассмотрены составы вязкоупругих рабочих сред для различных видов абразивно-экструзионной обработки и рекомендации по выбору состава.
Финишная обработка (ФО) сложнопрофильных криволинейных поверхностей и каналов деталей традиционными способами обработки практически не применяется из-за затрудненного доступа инструмента к обрабатываемой поверхности. Технически сложно реализовать перемещение и вращение абразивного инструмента с постоянной формой (круги, притиры, ленты) в профильном канале.
При ФО для использования профильного инструмента постоянной формы необходимо применять специальное оборудование, обеспечивающее сложное перемещение инструмента по обрабатываемой поверхности. Для каждой номенклатуры или типоразмера профильных деталей, как правило, приходится изготавливать специальный инструмент, что значительно увеличивает затраты на производство.
Более эффективным техническим решением является использование специальных технологий ФО, в которых в качестве режущего инструмента применяется поток рабочей среды, наполненный твердыми абразивными частицами и принимающий при течении через обрабатываемый канал его форму. При этом поток среды должен обеспечить равные условия контактирования активных зерен со всей обрабатываемой поверхностью.
Расходно-напорные характеристики потока определяют скорость и давление среды в обрабатываемом канале. Вязкие свойства среды влияют на ее текучесть (жесткость),
а также на степень закрепления и характер движения абразива в потоке и его контакта с обрабатываемой поверхностью. Выбор состава рабочей среды во многом определяет производительность и равномерность финишной обработки.
Для ФО, где в качестве основы применяется ньютоновская жидкость или псевдоожиженный слой, основное значение имеют расходно-напорные характеристики. Основной съем металла реализуется за счет соударений абразивных зерен. Основной технологической характеристикой является скорость потока, содержание и величина абразива в потоке, а также угол контакта зерна с поверхностью. Для интенсификации процесса абразивной обработки дополнительно накладывают воздействие поверхностно-активных сред, электромагнитных полей, вибраций с различной частотой и амплитудой. При этом механизм удаления материала при обработке принципиально не меняется. К таким видам ФО относится абразивножидкостная, магнитно-абразивная, виброабразивная и турбоабразивная обработки.
При использовании в качестве основы рабочей среды неньютоновской жидкости в процессе абразивной обработки возникает ряд особенностей, обусловленных их реологическими свойствами. Такой процесс получил название Abrasive Flow Machine Process [1]. До настоящего времени в нашей стране у данной технологии нет общепринятого названия. В научной литературе разные
