Введение к работе
Актуальность темы. Восстановление гоношенных деталей различными методами - химико-термической обработкой, пайкой, сваркой, намораживанием, электроискровой обработкой и другими с использованием самых разнообразных материалов приводит к получению разнообразнейшего сочетания необходимых структур и свойств, даже не встречающихся в монометалле.
При восстановлении изношенных деталей на их поверхность наносятся покрытия из расплавленных металлов. Регулированием химического состава и температуры перегрева расплавленного металла, применением различных операций термической активации восстанавливаемой поверхности деталей добиваются высоких механических свойств, обеспечивающих их увеличение срока службы.
Советские ученые Г.Ф.Баландин, АД.Верхотуров, САХолованенко, Д. А Дудко, В.П.Елютин, Н.Ф.Казаков, КХЛ.Красулин, ЛН.Лариков, Ю.В. Найдич, МГ.Окнов, Б.ЕЛатон, Н.Н.Смеляков, МХ.Шоршоров и другие разработали физико-химические основы взаимодействия разных материалов при создании композиционных соединений в условиях равновесия или при некотором отклонении от него.
Однако многие вопросы, связанные с формированием структуры и свойств покрытий на поверхности изношенной детали, недостаточно изучены.
В связи с этим в работе исследовалось влияние различных технологических факторов (температур нагрева подложки - восстанавливаемой детали и перегрева расплава (покрытия), способа раскисления и т.д.) на процесс структурообразования и прочность соединения биметаллов из различных железоуглеродистых сплавов (сталей углеродистых и легированных, чугунов).
Исследование и разработка технологии восстановления и упрочнения вышедших из строя поверхностей деталей, например, штампового инструмента, представляют большой научно-практический интерес и является актуальной проблемой для машиностроения. При исследовании обращалось большое внимание на взаимосвязь состава сплава (покрытия) со структурой, свойствами и технологическими режимами процесса намораживания.
Цель работы. Целью данной работы явилось исследование условий образования прочного соединения подложки (восстанавливаемой детали) с металлами покрытия при восстановлении изношенных деталей из углеродистых и легированных сталей при неравновесном неизотермическом протекании процесса и оптимизация на этой основе технологии их восстановления методом намораживания.
І і>ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
На основании изучения состояния рассматриваемой проблемы и задания завода «Промсвязь» (преемник ООО «Таим») в работе ставились следующие задачи, подлежащие решению:
-
Исследование структуры переходных зон и прочности соединения (сцепления) железоуглеродистых биметаллов.
-
Установление связи между микроструктурой в приконтактных зонах биметалла из различных железоуглеродистых сплавов и температурой нагрева подложки и покрытия.
-
Выявление закономерности изменения прочности соединения от температуры нагрева подложки и покрытия.
-
Исследование диффузионного перераспределения углерода в биметаллических соединениях методом микротермоэдс, выявление некоторых особенностей диффузии и ее связи с прочностью соединения.
-
Исследование влияния технологических факторов на прочность соединения биметаллов.
-
Разработка рекомендации по технологии восстановления штамповой оснастки методом намораживания.
Научная новизна работы.
-
Экспериментально установлен и научно обоснован выбор оптимальных температурных режимов нагрева подложки в биметаллах из железоуглеродистых сплавов, показана их связь с диаграммой состояния железо-цементит и прочностью соединения.
-
На основании металлографического исследования границ раздела биметаллов предложена классификация типов структур и их связь с прочностью соединения.
3. Установлена связь между микротермоэлектродвижущей силой
(мтэдс), структурой и пределом прочности соединения биметаллов:
при оптимальных температурно-временных режимах термической активации подложки наблюдаются равномерное распределение структурных составляющих (уменьшение размаха значений мтэдс) и постоянство ее значений по сечению диффузионной зоны, что обеспечивает высокую прочность соединения биметалла;
критерием неоднородности структуры в биметаллах служит дисперсия мтэдс, отражающая степень гетерогенности и дисперности структурных составляющих в диффузионной зоне;
метод измерения мтэдс можно использовать как критерий неразрушающего контроля качества и прочности соединения биметаллов.
4. Экспериментально установлена зависимость между содержанием
углерода в железоуглеродистых сплавах и величиной мтэдс, позволяющая
использовать данный метод для прогнозирования распределения углерода
по сечениям биметаллов:
- анализирована физическая модель процесса диффузии углерода в
жидкой фазе при направленной кристаллизации, определен эффективный
коэффициент распределения углерода и проведен расчет коэффициента диффузии углерода;
дана количественная оценка ширины диффузионной зоны биметаллов с заданным значением разброса концентрации углерода; с ростом эффективного коэффициента распределения углерода расчетная ширина диффузионной зоны с заданным значением ДС = 10% возрастает;
разработана методика расчета однородности распределения концентрации углерода; установлено, что равномерное распределение углерода вблизи границы раздела при разнице по обе стороны границы до 30% способствует получению высокой прочности соединения биметалла и повышению эффективного коэффициента распределения углерода;
5. Разработан температурно-временной режим получения биметаллов из легированных сталей пар 5ХНМ - 5ХНМ и 5ХНВ - 5ХНМ; установлен характер распределения легирующих элементов в диффузионной зоне.
Практическая значимость работы.
Предложенная технология восстановления штамповой оснастки для холодной (из стали У12) и горячей (из сталей 5ХНМ и 5 ХНВ) штамповки путем намораживания апробирована и внедрена на ООО «Таим». Внедрение данной технологии позволило получить годовой экономический эффект в размере 315230 руб. только за счет экономии дорогостоящей легированной стали.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Технологические основы получения биметаллов из железоуглеродистых сплавов.
-
Классификация типов структур на границе раздела биметаллов.
-
Связь между мтэдс, структурой и прочностью соединения биметаллов; разработка критерия неоднородности структуры в биметаллах на основе анализа дисперсии мтэдс, отражающей степень гетерогенности и дисперсности структурных составляющих в диффузионной зоне.
-
Методики расчета ширины диффузионной зоны, однородности распределения концентрации углерода вблизи границы раздела и определения эффективного коэффициента распределения углерода.
-
Технологические основы получения биметаллов из легированных сталей 5ХНМ и 5ХНВ.
-
Технология восстановления штамповой оснастки для холодной и горячей штамповки путем намораживания.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава (1975 - 1982); на VII краевой научно-технической конференции «Улучшение технологии и повышение точности отливок, поковок, штамповок», 1978; на краевой научно-технической конференции
«Повышение эффективности литейного производства и качества литых заготовок», 1981.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 источниках.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
5 глав, основных выводов, списка литературы. Изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 147 наименований.
