ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СВАРНОГО ШВА ПОСЛЕ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СВАРНОГО ШВА ПОСЛЕ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Аннотация
Сварка трением представляет собой метод соединения материалов в твердой фазе, при котором зона соединения нагревается за счет работы против сил трения, возникающих на свариваемых поверхностях, находящихся в относительном движении и прижатых друг к другу нормальным усилием
, , .Разрушение и удаление загрязнений обеспечиваются термическим воздействием, механическим износом и пластическим течением металла вдоль поверхности скольжения. После достижения в зоне соединения нужной сварочной температуры и определенной деформации материала относительное движение заготовок практически мгновенно прекращается, и процесс сварки заканчивается естественным охлаждением изделия. Особенности метода связаны с кинетикой тепловыделения и пластического деформирования материалов
, , .В работе в качестве модельной комбинированной композитной детали нами был выбран шнек героторного мотора с рабочей частью из износостойкого МКМ с алюминиевой матрицей и крепежной части из алюминиевого сплава АК4. Состав МКМ АК4 – армирующие элементы SiC и B4C в различном соотношении (5%B4C; 5%B4C+10%SiC; 20%SiC).
Композиционный материал изготавливался введением армирующих частиц методом механического замешивания в расплав и после кристаллизации из слитка экструдировались стержни диаметром 12 мм. Для сварки трением использовались стержни из АК4 и МКМ с различными армирующими наполнителями. Сварка проводилась на машине МСТ-31 на различных режимах. Исследование пластического течения сплава АК4 и АКМ в зоне сварки показало, что объемная доля наполнителя независимо от природы значительно влияет на пластическую деформацию материала при температурах сварки трением. Исследования микроструктуры сварного шва и околошовной зоны показали, что процесс экструзии достаточно сильно влияет как на микроструктуру сплава АК4, так и на микроструктуру МКМ, объемная доля наполнителя независимо от природы значительно влияет на пластическую деформацию материала при температурах сварки трением. Увеличение давления при нагреве с 0,12 до 0,2 МПа и при дальнейшем увеличении давления при проковке с 0,18 до 0,3 МПа привело к образованию трещины в МКМ вблизи линии сварного шва. Замеры микротвердости показали, что твердость в околошовной зоне при использовании сварки трением в сплаве АК4 повысилась на 23%, а геометрическая форма отпечатков говорит о том, что внутренние напряжения в зоне сварки отсутствуют.
1. Введение
Номенклатура свариваемых материалов достаточно широка: малоуглеродистые, углеродистые, инструментальные, высоколегированные стали различных классов, алюминиевые, медные, титановые сплавы, цирконий как в однородном, так и в разнородных сочетаниях, термопласты , .
Для сварных соединений, получаемых этим методом, в большинстве случаев характерны высокие (не ниже основного материала) показатели механических свойств и высокая их стабильность. Разброс показателей прочности и пластичности 5,7-10%. В шве отсутствуют поры, раковины, инородные включения. Структура мелкозернистая, зерно равноосное. Это объясняется спецификой процесса сварки трением, при котором обеспечиваются эвакуация из зоны соединения всякого рода загрязнений, значительная пластическая деформация металла нагретой зоны при малой ее протяженности, а сами соединяемые поверхности изолированы от контакта с воздухом , , , .
Целью нашей работы являлось исследование влияния различных факторов на качество сварного соединения, получаемого методом сварки трением на примере шнека героторного мотора с рабочей частью из износостойкого МКМ с алюминиевой матрицей и крепежной части из алюминиевого сплава АК.
2. Объекты и методы исследования
В качестве матричного сплава был выбран жаропрочный алюминиевых сплав АК4. (см. табл. 1).
Таблица 1 - Химический состав сплава АК4
Состав, % | Cu | Fe | Mg | Ni | Ti | Zn | Mn | Si | Al |
Справочник | 1,9-2,5 | 0,8-1,3 | 1,4-1,8 | 0,8-1,3 | - |
|
| 0,5-1,2 |
|
АК4 | 2,5 | 1,1 | 1,6 | 1,0 | 0,06 | 0,06 | 0,06 | - | Ост. |
Основными фазами, определяющими свойства сплава, являются AlFeSi, Al2CuMg, Al4CuMg5Si4 (увеличение жаропрочности), FeNiAl9 (увеличивает эффект термической обработки, механические свойства и жаропрочность), Cu2FeAl7 (снижает механические свойства сплава) .
Для изучения влияния материала, объемной доли и размеров частиц исследовались композиционные материалы на основе алюминиевого сплава АК4 (табл. 13) с армирующими элементами SiC и B4C в различном соотношении (см. табл. 2).
Таблица 2 - Номера и состав образцов
Номер образца | Количество замешанных частиц |
1 | + 5%B4C |
2 | +5%B4C+10%SiC |
3 | +20%SiC |
Рисунок 1 - Схема получения МКМ методом механического замешивания
Рисунок 2 - Процесс экструзии
Таблица 3 - Физико-механические свойства сплава АК4 и композитов на его основе
| При t=200С | |||
Количество замешанных частиц | σВ, МПа | σ0,2, МПа | σ, % | HB |
АК4 | 433 | 307 | 18,5 | 117 |
+5%B4C | 421 | 365 | 2,8 | 128 |
+5%B4C+10%SiC | 457 | 425 | 2 | 130 |
+20%SiC | 465 | 427 | 2,3 | 136 |
Для исследования были изготовлены образцы, имеющие форму цилиндра с габаритами, длина 60 мм, диаметр 12 мм. Схема и режимы сварки трением представлены в таблице 4 и на рис.3.
Таблица 4 - Режимы сварки машиной МСТ-31
№ | Режим | |||
Частота вращения, мин-1 | Величина осадки при нагреве, мм | Давление при нагреве, МПа | Давление при проковке, МПа | |
1 | 960 | 5 | 0,12 | 0,18 |
2 | 960 | 5 | 0,2 | 0,3 |
3 | 960 | 5 | 0,12 | 0,18 |
Рисунок 3 - Схема сварки трением:
1 - вязкий слой; 2 - сплав АКМ; 3 - АК4; 4 - зона смешивания
Рисунок 4 - Сваренные модельные образцы
Рисунок 5 - Шлифы в продольном направлении модельных образцов
Рисунок 6 - Панорамные снимки микроструктуры образцов:
а - с содержанием 5% B4C; б - с содержанием 20% SiC; в - с содержанием 5% B4C + 10% SiC
Примечание: травление на зерно в смеси кислот
3. Обсуждение полученных результатов
На панорамных снимках хорошо видно пластическое течение металла и линия тока. Следует отметить, что пластическое течение металла во всех образцах идентично и составляет у КМ с содержанием 5% B4C – 8 мм по длине, у КМ с содержанием 20% SiC – 2мм, у КМ с содержанием 5% B4C и 10%SiC – 4 мм, а у сплава АК4, у всех образцов, порядка 14 мм. Отсюда можно сделать вывод, что объемная доля наполнителя независимо от природы значительно влияет на пластическую деформацию материала при температурах сварки трением.
Рисунок 7 - Полосчатая микроструктура АК4
Рисунок 8 - АК4 + (5% B4C+ 10%SiC). Околошовная зона АК4
Рисунок 9 - Экструдированный пруток АК4+5% B4C
Рисунок 10 - Конгломераты частиц глобулярной формы
Рисунок 11 - Структура околошовной зоны МКМ
Рисунок 12 - Зона шва МКМ и АК4
Рисунок 13 - Структура МКМ (5% B4C + 10% SiC)
Рисунок 14 - Околошовная зона КМ (5% B4C)
Рисунок 15 - Шов
Рисунок 16 - Трещина вблизи границы шва
Рисунок 17 - Трещина в зоне шва
Рисунок 18 - Структура МКМ (АК4 + 20% SiC)
Рисунок 19 - Околошовная зона МКМ (АК4 + 20% SiC)
Рисунок 20 - Шов АК4+20%SiC
Рисунок 21 - Шов, периферия
Рисунок 22 - Снимки размеров и геометрической формы отпечатков на образце АК4:
а-и - точки замеров (см. табл. 5)
- вблизи околошовной зоны АК4;
- в околошовной зоне АК4;
- в зоне сварного шва;
- в околошовной зоне КМ.
Результаты замеров представлены в таблице № 5 и сведены в зависимость (см. рис.23).
Таблица 5 - Результаты замеров твердости
Обозначение точки | Позиция X | Позиция Y | Твердость (Сред.) МПа | Диагональ | H min | H max | ||
0 | 1 | 2 | ||||||
а | 0 | 0 | 114 | 0,04041 | 0,0396 | 0,0412 | 70 | 140 |
б | 0,2 | 0 | 103 | 0,04239 | 0,0425 | 0,0423 | 70 | 140 |
в | 0,4 | 0 | 103 | 0,04239 | 0,0435 | 0,0413 | 70 | 140 |
г | 0,6 | 0 | 108 | 0,04134 | 0,0406 | 0,0421 | 70 | 140 |
д | 0,8 | 0 | 112 | 0,04064 | 0,0405 | 0,0408 | 70 | 140 |
е | 1,0 | 0 | 115 | 0,04760 | 0,0484 | 0,0468 | 70 | 140 |
ж | 1,2 | 0 | 115 | 0,04023 | 0,0408 | 0,0396 | 70 | 140 |
з | 1,4 | 0 | 117 | 0,03982 | 0,0398 | 0,0399 | 70 | 140 |
и | 1,6 | 0 | 127 | 0,03818 | 0,0382 | 0,0381 | 70 | 140 |
Рисунок 23 - Результаты замеров твердости
Анализ полученной зависимости позволяет сделать вывод о прочности сварного шва в исследуемых соединениях. Можно заметить, что со стороны сплава АК4 по мере приближения к сварному шву твердость несколько возрастает. Полученные результаты позволяют сказать, что ожидаемая прочность сварного шва будет по крайней мере не ниже прочности исходного сплава АК4 и такой метод изготовления комбинированной детали шнек героторного насоса может быть перспективным.
На основании проведенных исследований был изготовлен натурный образец «шнек героторного насоса» (см. рис.24).
Рисунок 24 - Натурный образец «Шнек героторного насоса»
4. Заключение
Проведенные металлографические исследования показали следующее:
- процесс экструзии достаточно сильно влияет как на микроструктуру сплава АК4, так и на микроструктуру МКМ;
- объемная доля наполнителя независимо от природы значительно влияет на пластическую деформацию материала при температурах сварки трением;
- увеличение давления при нагреве с 0,12 до 0,2 МПа и при дальнейшем увеличении давления при проковке с 0,18 до 0,3 МПа привело к образованию трещины в МКМ вблизи линии сварного шва.
Замеры микротвердости показали, что твердость в околошовной зоне при использовании сварки трением в сплаве АК4 повысилась на 23%, а геометрическая форма отпечатков говорит о том, что внутренние напряжения в зоне сварки отсутствуют.
Метод изготовления комбинированной детали шнека героторного насоса сваркой трением может быть перспективным.