книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Спеченные порошковые керамико-металлические материалы (твердые сплавы, карбидостали) имеют высокую износостойкость в различных условиях изнашивания, их широко применяют в каче­ стве инструментальных материалов (режущие пластаны, волоки, фильеры, штампы и т. д.). Преимущества карбидосталей перед твердыми сплавами, в особенности перед карбидовольфрамовы­ ми, заключаются в их относительно невысокой цене и термообра­ батываемости. ЭЛН порошковых покрытий [76] в значительной сте­ пени снимает ограничения относительно формы и размеров на­ плавляемых деталей и резко расширяет возможности разработки новых порошковых компози­ ций, при наплавке которых формируются покрытия со структурой кермета: твер­ дые частицы упрочняющей фазы, наприм ер карбида, окруженные более мягкой и пластичной металлической матрицей. Для обеспечения большей однородности хи­ мического состава по объе­ м у металлической связки при приготовлении порошко­ вой шихты для наплавки це­ лесообразно использовать лигатуры и сплавы, а не чи­ стые металлы, тем более, что промышленностью СНГ ос­

воен вы пуск	ш ирокой но­
м енкл атуры	порош ковы х

сплавов для спекания, напы­ ления, наплавки. ЭЛН позво­ ляет сохранить шихтовой гранулометрический состав и объемную долю карбида титана в покрытии, обеспечи­ вает одновременную с на­ плавкой закалку стальной связки и формирует благо­ приятный профиль переход­ ной зоны.

технологические процессы

231

Технологический процесс электронно-лучевой наплавки в ва­ кууме реализуют на соответствующих сварочных установках, до ­ полненных лишь устройством подачи присадочного материала.

Ниже описан пример эффективного применения наплавки ме­ таллических порошков в кольцевую канавку (рис. 103). Объектом наплавки являлся опорный уступ стальной лапы бурового долота (рис. 104). Поскольку опорный уступ представляет собой плоскость трения, то для повышения его износостойкости на нем выполнили кольцевую канавку, которую наплавили специальными материа­ лами. Ранее для этого применяли наплавку дорогостоящим стел­ литом дуговыми методами. Использование электронно-лучевой наплавки позволило перейти на порошки на железо-никелевой ос­ нове. Наплавляемые электронным пучком композиционные порош­ ковые материалы с размером частиц 100-140 мкм обеспечивают двухфазную мелкодисперсную структуру с твердостью 930 HV . Твердость матрицы после наплавки составляет 349-360 HV005. Глуби­ на проплавления основного металла заключена в пределах 0,2-0,5 мм. Затраты на механическую обработку после наплавки электронным пучком меньше в пять раз, чем при ранее применявшейся на­ плавке. Срок службы бурового долота увеличился в три раза. Испытания долот проведены в 1993 г. в ОАО «Волгабурмаш»

232

Смежные

(С амара, Российская Федерация) на стенде для партии долот из 200 шт.

При наплавке электронным пучком использовали ряд специ­ альных технологических приемов (локальный предварительный по­ догрев, высокочастотная развертка электронного пучка, про­ граммно-управляемое тепловложение) и специально разработан­ ный дозатор металлического порошка. При этом удалось полнос­ тью исключить взрывное вскипание таких порошков в вакууме под воздействием электронного пучка.

Н аплавка алю м иниевы х порш ней двигателей внутреннего сгорания . Ресурс работы автомобильных, тракторных, судовых и авиационных двигателей внутреннего сгорания в значительной мере определяет долговечность поршней из литейных алюминие­ вых сплавов системы AL-Siтипа АЛ4, АЛ9, АЛЮ, АЛ25, АЛ26, АЛЗО, эксплуатирующихся в условиях трения скольжения, при знакопе­ ременных динамических нагрузках и высоких температурах. Ос­ новной причиной выхода поршней из строя является износ в зоне сопряжения канавки с первым компрессионным кольцом.

Рассмотрим электронно-лучевую наплавку проволокой Св-АМгб поршней из силумина АЛ25 [23]. Наплавку выполняли при ускоря­ ющем напряжении 28 кВ, силе тока электронного пучка 40 мА и линейной скорости перемещения поршня 5 мм/с.

Химический состав силумина АЛ25 и проволоки Св-АМгб при­ веден в табл. 41. Материал наплавочной проволоки выбран ис­ ходя из того, что сплав АМгб отличается высокой прочностью.

Структуру и механические свойства материалов поршня иссле­ довали в исходном состоянии, после электронно-лучевого оплав­ ления его поверхности и электронно-лучевой наплавки проволо­ кой С в-А М гб на образцах, вырезанных из поршня, с помощью оп­ тического микроскопа М И М -9 при увеличении 20-1800 и микро­ твердомера ПМ Т -3 при нагрузке 0,2 и 2Н. Механические испытания на растяжение плоских образцов сечением 3x5 мм с наплавкой, оплавлением поверхности и в исходном состоянии (рис. 105) про­ изводили на разрывной машине «Instron» по ГОСТ 6996-66 при скорости нагружения 0,1 мм/мин.

Результаты прочностных испытаний структуры сплавов пос­ ле электронно-лучевой обработки приведены в табл. 42 и на

рис. 106.

Результаты структурных исследований показали, что в исход­ ном состоянии материал поршня представляет собой твердый

технологические процессы

233

раствор на основе алюми­ ния а^-фазы с избыточными кристаллам и кре м ни сто й фазы psj и вы сокодисперс­ ной эвтектикой а+р. Выделе­ ния а^-фазы — это крупные светлые зерна сложной и ден­ дритоподобной формы разме­ ром 20-300 мкм. Кристаллы pgj-фазы серого цвета имеют форму сложных неправиль­ ных многогранников и пласти­ нок размером 1 0 -4 0 м км ; аА- и psj — фазы разделены четкими границами. Эвтекти­ ка а+р представлена в сече­ нии шлифов в виде остро­ вков, расположенных м еж ­ ду зернами а А- и р3-ф аз. Кремнистые выделения в эв­ тектике имеют вид изогнутых скобок длиной 4 -6 м км и толщиной 2 -3 м км и класси­ фицируются ка к верм ику-

лярные [6]. Объемная доля структурных составляющих приведе­ на в табл. 43. Структура сплава является сильно неоднородной по объему. Эта неоднородность, а также наличие крупных огра­ ненных и стержневидных первичных кристаллов хрупкой р3-фазы вызывают снижение прочности силуминового сплава.

Поверхностное оплавление сплава АЛ25 электронным пучком приводит к модифицированию структуры силумина за счет высо-

Таблица 41. Химический состав алюминиевого сплава АЛ25 и проволоки Св-АМгб

Материал		Содержание химических элементов, %
	Si	Си	Мд	Мп	Fe	Ni	Ti
Сплав АЛ25	11,0-13,0	1,5	—	0,3-0,6	0,5	0,6-1,3	0,1
		-3 ,0					-0 ,2
Проволока Св-АМгб	<0,4	-	6,3	0,6	0,4	-	-0,006
Примечание. Остальное-Al.

234

Смежные

ких температур и скоростей

	нагрева и последующего ох­		Нр. МПа.
	лаждения. Происходит ра­		1300
	створение первичных фаз и
	образование непрерывной		1250
	эвтектики а+р. При большом		--------------------------------------2
	градиенте температур необ­	1
			Т Ж Г
	ходимое для образования и
	роста кремнистой р&-фазы		1 1SO-
	охлаждение сильно возрас­
	тает и практически формиру­		1100-
	ется преимущественно тон­	- 4 0 0	' - 2 0 0 ' (0 ' 2 0 0	400
	косложенная мелкокристал­
			Расстояние от линии сплавления, мм
	лическая эвтектика (а+Р) с	Рис.	106. Микротвердость (средняя)
	избыточной ра-фазой, крис­
	таллизующейся в виде мел­	сплава А П 25 в исходном состоянии (1),
		после оплавления поверхности (2) и
	ких округлых частиц, мало
		наплавки проволокой Св-АМгб (3)

отличающихся от дисперс­ ной кремнистой составляю­

щей в эвтектике. В результате такого модифицирования происхо­ дит значительное измельчение структуры и резкое повышение ее однородности, сопровождающиеся увеличением плотности, твер­ дости (рис. 106) и прочности материала (табл. 42).

Применение электронно-лучевой наплавки проволокой Св-АМгб позволяет сформировать новый практически беспористый слой ма­ териала. Структура наплавленного металла сильно отличается от основного высокой степенью дисперсности и однородности. Она со­ стоит из светлых зерен твердого раствора на основе М размером 4 -7 мкм и упрочняющей фазы Mg2Si в виде округлых темных зерен размером 2 -4 мкм. В зоне сплавления с материалом основы в ре­ зультате протекания интенсивных турбулентных процессов, вызван­ ных действием мощных гидродинамических сил, и высоких темпе­ ратурных градиентов происходит механическое перемешивание ма­ териала формируемого покрытия с основой, растворение кремни­ стой рз .-ф азы силум ина и формируется структура сплава, состоящая из смеси материалов проволоки и силумина, главным образом из твердого раствора на основе А1 и Мд28нфазы.

Твердость такого сплава и его прочность значительно выше аналогич­ ных показателей силумина в исходном состоянии (см. табл. 42 ирис. 106).

При электронно-лучевом оплавлении силумина АЛ25 происхо­ дит модифицирование его структуры за счет скоростного высоко-

технологические процессы

235

Таблица 42. Прочностные характеристики сплава АЛ25 после наплавки

Сплав	Предел	Предел	Относительное	Коэффициент
	текучести прочности		удлинение 6, %	упрочнения
	а0 2, МПа	ав,М Па
Исходный	88	167	2,5	1
Оплавленный	107	208	2,0	1,24
Наплавленный	170	270	1.5	1,62
проволокой Св-АМгб
Таблица 43. Структура сплава АЛ25, %
Структурная		Исходное	После	После
составляющая		состояние	оплавления	наплавки
				проволокой
				Св -АМ гб
а*		80	-	70
р*		5	~10	-
Эвтектика а+р		15	~90	-
Упрочняющая фаза Mg 2Si		-	-	30

температурного нагрева и последующего развития неравновесной эвтектической кристаллизации в условиях сильно пониженных тем ­ ператур при большой скорости переохлаждения расплава. В ре­ зультате дисперсность структуры возрастает в 3-10 раз, чему так­ ж е способствует интенсивное перемешивание расплава под дей­ ствием электронного пучка. Это вызывает повышение физико­ м еханических свойств силумина. При электронно -л учевой наплавке проволокой Св-АМ гб формируется обладающее высо­ кой твердостью и прочностью покрытие с мелкозернистой струк­ турой смеси а А- и MggSi-фаз.

Измельчение структуры при оплавлении силумина и дисперс­ ность структуры покрытия при наплавке проволокой являются важ ­ ными факторами повышения эксплуатационных свойств, в частно­ сти, износостойкости и усталостной прочности. Таким образом, электронно-лучевая наплавка присадочной проволокой является эффективным способом упрочнения и восстановления изношен­

236

Смежные

ных поверхностей поршней различных двигателей, а также других деталей машин и механизмов из литейных алюминиевых сплавов.

Таким образом, при электронно-лучевом оплавлении силуми­ на АЛ25 дисперсность структуры увеличивается в 3-10 раз, а проч- ность-более чем на 20%. В то же время электронно-лучевая на­ плавка проволокой Св-АМгб позволяет получать более твердое (больше 7%) и прочное (больше 60%) по сравнению с исходным силумином АЛ25 покрытие с мелкозернистой структурой повышен­ ной износостойкости и усталостной прочности.

Электронно-лучевая резка

Для резки, также как и для сварки, используют высококонцент­ рированные аксиально-симметричные электронные пучки. Одна­ ко при резке требования к геометрии электронного пучка более жесткие, чем при сварке.

Основными характеристиками резки являются ширина Др реза и толщина Дп оплавленной поверхности реза, которые должны быть как можно меньше. Сумма Др+2ДПдолжна быть меньше ширины сварного шва, если бы он формировался электронным пучком той ж е мощности, что и при резке. Только в этом случае достигается высококачественная и промышленно применимая резка металлов.

Таким образом, электронный пучок для резки должен иметь бо­ лее четко очерченную границу и меньший диаметр, чем для свар­ ки. Для использования при резке сварочной электрон­ ной пуш ки нуж но иметь сменный комплект деталей электронно-оптической сис­ темы, обеспечивающий полу­ чение электронных пучков в 1,5-2 раза меньшего диамет­ ра, чем для сварки, и без пе­ риф ерии («ореола»). Для сварочных электронных пу­ ш ек с термокатодами кос­ венного подогрева (разра­ ботки ИЭС им. Е. О. Пато-

на, Киев и ОАО «SELMI», Сумы) разработана и испы­ тан а с о о тв е тс тв ую щ а я электронно-оптическая сис­

технологические процессы

237

Используя выражения (192)—(194), определяем искомое соотно­ шение для необходимой частоты вращения разрезаемой детали:

> J _	ГзсГ	(195)
2 n r	2 p R

Так, для мелкокапельного (г=0,025 см) удаления расплава из зоны резки стального вала радиусом 1 см частота его вращения должна быть

1	13 1800 д и н /с м
п > -	= 7500 об / мин .
’ 2 я • 0,025 см	\ 2 ■7 г /с м 3 • 1 см

Пример резки по описанной выше схеме показан на рис. 108. Ш ирина реза не превышает 2,5 мм. Шероховатость поверхности реза не хуже 160-250 мкм.

Линейная резка. При резке листового металла, а также изде­ лий с переменной толщиной, осуществляют линейное относитель­ ное перемещение электронной пушки и разрезаемого листа или из­ делия (рис. 109). Рез при этом формируется за один проход. Эф­ фективное удаление расплавляемого электронным пучком метал­ ла производится методом «принудительного» переноса в диапазоне частот капельного течения (см. гл. 1)

/=Зу / я 2,

(196)

где а0 — средняя толщина пленки расплава на фронте реза.

Это позволяет достигнуть минимальной ширины реза и высокого качества поверх­ ности реза. С обратной сто­ роны реза образуется не­ большой грат.

Х арактеристики линей­ ной резки представлены в табл. 44 и на рис. 110 и 111.

Если при резке титановых сплавов давление в вакуум­ ной кам ере не превышает 6,7-10-3 Па, то обеспечивает­ ся исходная чистота указан­ ных сплавов в оплавленной зоне поверхностей реза.

технологические процессы

239