Помощь студентам в учебе
Исследование процессов формирования и свойств постоянных покрытий литейных металлических форм на основе алюминидов никеля и железа
|
Введение 4
1 Анализ кокильных покрытий 7
1.1 Назначение постоянных кокильных покрытий и их классификация 7
1.2 Способы нанесения постоянных кокильных покрытий и материалы, применяемые в качестве постоянных кокильных покрытий 8
1.2.1 Разновидности способов нанесения постоянных кокильных покрытий 8
1.2.2 Разновидности материалов, применяемых в качестве защитных 41
2 Методика исследования процессов и свойств наплавки постоянных кокильных покрытий интерметаллидными алюминидными соединениями 54
2.1 Методика проведения исследования процессов двухдуговой
наплавки постоянных кокильных покрытий 54
2.2 Методика исследования химического состава наплавленных
интерметаллидных кокильных покрытий 63
2.3 Методика исследования механических и эксплуатационных свойств
наплавленных постоянных кокильных покрытий 65
2.3.1 Методика проведения исследования механических свойств наплавленных постоянных кокильных покрытий 65
2.3.2 Методика исследования эксплуатационных свойств наплавленных
постоянных кокильных покрытий 66
3 Результаты проведенных исследований 71
3.1 Результаты исследований наплавки постоянных кокильных
покрытий интерметаллидными сплавами системы Ni-Al 71
3.1.1 Геометрические параметры наплавленных покрытий 71
3.1.2 Химический состав наплавленных покрытий 74
3.1.3 Результаты определения жаростойкости покрытий 79
3.1.4 Результаты определения термостойкости покрытий 81
3.1.5 Результаты измерений твердости интерметаллидных покрытий
системы никель - алюминий 83
3.1.6 Результаты экспериментов по смачиванию и растеканию припоя по
интерметаллидному покрытию 84
3.2 Результаты проведенных исследований наплавки сплавов системы Fe-Al 85
3.2.1 Геометрические параметры наплавленных покрытий 85
3.2.2 Результаты определения химического состава покрытий 90
3.2.3 Результаты проведения испытаний на жаростойкость 92
3.2.4 Результаты изучения износостойкости наплавленных покрытий
системы Fe-Al 94
3.2.5 Оценка эрозионной стойкости наплавленных покрытий 94
3.2.6 Результаты измерений твердости интерметаллидных покрытий
системы железо - алюминий 95
3.2.7 Результаты экспериментов по определению трещин в
интерметаллидном покрытии 96
3.2.8 Результаты экспериментов по смачиванию и растеканию припоя по
интерметаллидному покрытию 96
3.3 Исследование влиянии хрома на процессы формирования и свойства интерметаллидных покрытий системы Fe-Al 98
3.4 Определение взаимосвязи энергетических характеристик и
сварочных свойств процесса двухдуговой наплавки 103
Заключение 119
Список используемой литературы 121
1 Анализ кокильных покрытий 7
1.1 Назначение постоянных кокильных покрытий и их классификация 7
1.2 Способы нанесения постоянных кокильных покрытий и материалы, применяемые в качестве постоянных кокильных покрытий 8
1.2.1 Разновидности способов нанесения постоянных кокильных покрытий 8
1.2.2 Разновидности материалов, применяемых в качестве защитных 41
2 Методика исследования процессов и свойств наплавки постоянных кокильных покрытий интерметаллидными алюминидными соединениями 54
2.1 Методика проведения исследования процессов двухдуговой
наплавки постоянных кокильных покрытий 54
2.2 Методика исследования химического состава наплавленных
интерметаллидных кокильных покрытий 63
2.3 Методика исследования механических и эксплуатационных свойств
наплавленных постоянных кокильных покрытий 65
2.3.1 Методика проведения исследования механических свойств наплавленных постоянных кокильных покрытий 65
2.3.2 Методика исследования эксплуатационных свойств наплавленных
постоянных кокильных покрытий 66
3 Результаты проведенных исследований 71
3.1 Результаты исследований наплавки постоянных кокильных
покрытий интерметаллидными сплавами системы Ni-Al 71
3.1.1 Геометрические параметры наплавленных покрытий 71
3.1.2 Химический состав наплавленных покрытий 74
3.1.3 Результаты определения жаростойкости покрытий 79
3.1.4 Результаты определения термостойкости покрытий 81
3.1.5 Результаты измерений твердости интерметаллидных покрытий
системы никель - алюминий 83
3.1.6 Результаты экспериментов по смачиванию и растеканию припоя по
интерметаллидному покрытию 84
3.2 Результаты проведенных исследований наплавки сплавов системы Fe-Al 85
3.2.1 Геометрические параметры наплавленных покрытий 85
3.2.2 Результаты определения химического состава покрытий 90
3.2.3 Результаты проведения испытаний на жаростойкость 92
3.2.4 Результаты изучения износостойкости наплавленных покрытий
системы Fe-Al 94
3.2.5 Оценка эрозионной стойкости наплавленных покрытий 94
3.2.6 Результаты измерений твердости интерметаллидных покрытий
системы железо - алюминий 95
3.2.7 Результаты экспериментов по определению трещин в
интерметаллидном покрытии 96
3.2.8 Результаты экспериментов по смачиванию и растеканию припоя по
интерметаллидному покрытию 96
3.3 Исследование влиянии хрома на процессы формирования и свойства интерметаллидных покрытий системы Fe-Al 98
3.4 Определение взаимосвязи энергетических характеристик и
сварочных свойств процесса двухдуговой наплавки 103
Заключение 119
Список используемой литературы 121
Литье в кокиль - это технологический процесс изготовления отливок путем заливания металлического расплава в многооборотные формы, выполненные из металла (сталь, чугун и пр.). Данная технология литья предпочтительнее для сплавов с температурой, плавления не превышающей 1200°С. К таким материалам относятся основные цветные металлы такие ка алюминий, медь, цинк, магний и т.д. Основными материалами для изготовления кокилей применяют в основном дорогие конструкционные материалы, такие как низкоуглеродистые стали марок 10, 20, а также стали, легированные хромом и молибденом, в частности к данным материалам можно отнести, сталь марки 15ХМЛ. Материалы данной группы характеризуются высокой пластичностью, для повышения стойкости поверхности контакта данных устройств к воздействию расплавленного металла в процессе эксплуатации. Так же для производства кокилей применяются чугуны с феррито-перлитной структурой, такие как серые и высокопрочные. [1], [2]
Основной качественной характеристикой кокилей является их стойкость. Стойкость кокилей к высоким температурам ограниченна, в связи с этим применяют технологии нанесения покрытий на основной металл формы с высокими эксплуатационными свойствами различными способами. Принципиальное назначение защитных покрытий при изготовлении и ремонте кокилей - это управление условиями охлаждения, предотвращение образования термического удара и эрозионного воздействия на рабочей поверхности стенки кокиля, управление теплообменом между отливкой и формой (кокилем). [1]
При литье применяют покрытия различающиеся различной долговечностью. Исходя из этого покрытия применяемые для кокилей подразделяют на три группы:
Разовые - покрытия наносимые при каждой заливки металла;
Многоразовые - наносимые несколько раз за рабочую смену;
Постоянные - покрытия, долговечность которых соизмерима с межремонтным интервалом ремонта формы. Существует многообразие технологий для получения данных покрытие такие как напыление, алитирование поверхности кокиля, дуговые способы наплавки, осаждение.[1]
Исходя из этого наиболее целесообразное и рациональное использование постоянных кокильных покрытий.
«В качестве защитного покрытия кокилей применяют следующие покрытия: Al2O3, ZrO2, Ni. Также большой интерес представляют покрытия системы никель-алюминий и железо-алюминий, обладающие достаточно высокой жаростойкостью, 1200 °C для сплавов на основе никель-алюминий и 950 0С для сплавов на основе железо-алюминий [30].
Основными способами нанесения постоянных кокильных покрытий являются плазменное и газопламенное напыление. Но такие покрытия обладают следующими недостатками [30]:
- недостаточная в некоторых случаях прочность сцепления покрытий с основой (5—50 МПа) при испытании на нормальный отрыв;
- наличие пористости (обычно в пределах 5—25 %), которая
препятствует применению покрытий в коррозионных средах без дополнительной обработки;
- маленькая толщина покрытия;
- неравномерный слой нанесения покрытия по сечению.
Поэтому перспективно использовать наплавку. При наплавке достигается высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом, также в процессе наплавки можно наносить достаточно толстый слой покрытия (от 0,5 до 5 мм за один проход), что уменьшает степень износа и термического удара при эксплуатации кокилей. Помимо этого в наплавленном покрытие не имеется пористость. Но применение наплавки покрытий на основе никель-алюминий и железо алюминий затруднено тем, что не выпускаются проволоки фиксированного интерметаллидного состава, поэтому в качестве способа нанесения данных покрытий предложен способ двухдуговой наплавки с применением традиционных электродных проволок который компенсирует недостатки применяемых способов. [30]»
Исходя из перечисленного, целью диссертационной работы является: повышение эксплуатационных характеристик металлических кокильных литейных форм посредствам исследования процессов формирования постоянных металлических покрытий алюминидов никеля и железа полученных способом двухдуговой наплавки.
Основной качественной характеристикой кокилей является их стойкость. Стойкость кокилей к высоким температурам ограниченна, в связи с этим применяют технологии нанесения покрытий на основной металл формы с высокими эксплуатационными свойствами различными способами. Принципиальное назначение защитных покрытий при изготовлении и ремонте кокилей - это управление условиями охлаждения, предотвращение образования термического удара и эрозионного воздействия на рабочей поверхности стенки кокиля, управление теплообменом между отливкой и формой (кокилем). [1]
При литье применяют покрытия различающиеся различной долговечностью. Исходя из этого покрытия применяемые для кокилей подразделяют на три группы:
Разовые - покрытия наносимые при каждой заливки металла;
Многоразовые - наносимые несколько раз за рабочую смену;
Постоянные - покрытия, долговечность которых соизмерима с межремонтным интервалом ремонта формы. Существует многообразие технологий для получения данных покрытие такие как напыление, алитирование поверхности кокиля, дуговые способы наплавки, осаждение.[1]
Исходя из этого наиболее целесообразное и рациональное использование постоянных кокильных покрытий.
«В качестве защитного покрытия кокилей применяют следующие покрытия: Al2O3, ZrO2, Ni. Также большой интерес представляют покрытия системы никель-алюминий и железо-алюминий, обладающие достаточно высокой жаростойкостью, 1200 °C для сплавов на основе никель-алюминий и 950 0С для сплавов на основе железо-алюминий [30].
Основными способами нанесения постоянных кокильных покрытий являются плазменное и газопламенное напыление. Но такие покрытия обладают следующими недостатками [30]:
- недостаточная в некоторых случаях прочность сцепления покрытий с основой (5—50 МПа) при испытании на нормальный отрыв;
- наличие пористости (обычно в пределах 5—25 %), которая
препятствует применению покрытий в коррозионных средах без дополнительной обработки;
- маленькая толщина покрытия;
- неравномерный слой нанесения покрытия по сечению.
Поэтому перспективно использовать наплавку. При наплавке достигается высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом, также в процессе наплавки можно наносить достаточно толстый слой покрытия (от 0,5 до 5 мм за один проход), что уменьшает степень износа и термического удара при эксплуатации кокилей. Помимо этого в наплавленном покрытие не имеется пористость. Но применение наплавки покрытий на основе никель-алюминий и железо алюминий затруднено тем, что не выпускаются проволоки фиксированного интерметаллидного состава, поэтому в качестве способа нанесения данных покрытий предложен способ двухдуговой наплавки с применением традиционных электродных проволок который компенсирует недостатки применяемых способов. [30]»
Исходя из перечисленного, целью диссертационной работы является: повышение эксплуатационных характеристик металлических кокильных литейных форм посредствам исследования процессов формирования постоянных металлических покрытий алюминидов никеля и железа полученных способом двухдуговой наплавки.
Проведя полный цикл исследований по определению возможности применения интерметаллидных сплавов в качестве постоянных кокильных покрытий установили, применение наплавленных двухдуговым способом интерметаллидных сплавов систем Ni-Al и Fe-Al в качестве постоянных покрытий возможно, при изготовлении изделий из алюминиевых сплавов и более легкоплавких металлов.
Механические свойства покрытий такие как твердость варьируется в пределах 10-42HRC в зависимости от режимов наплавки и химического состава покрытия. Интерметаллидные постоянные покрытия характеризуются высокой жаростойкостью и высокой термостойкостью в воздушных средах.
Установлено, что применяемые в промышленности флюсы для пайки и литья, не вступают в контакт (растекание и смачивание поверхности припоем не происходит) с покрытием при температурах технологического процесса литья алюминиевых сплавов.
Установлено, что легирование интерметаллидных соединений хромом повышает пластичность сплавов системы Fe-Al, что приводит к снижению трещинообразования в покрытиях.
При выполнении работы определены режимы однодуговой наплавки стали и алюминия обладающие высокой стабильностью, малым разбрызгиванием и имеющие однородное поле вольтамперной характеристики, и низкие показатели среднеквадратичного отклонения тока и напряжения процесса.
При одинаковых режимах наплавки при двухдуговом процессе по сравнению с однодуговым изменяется характер каплепереноса, при котором улучшается стабильность плавления, снижается разбрызгивание стальной проволоки и ухудшается - алюминиевой.
Математическую оценку сварочных свойств процесса двудуговой наплавки можно выполнить путем определения среднеквадратичного отклонения тока и напряжения, при этом высокой стабильностью и малым разбрызгивание обладают режимы со среднеквадратичного отклонения тока ниже 20% и среднеквадратичного отклонения напряжения ниже 40%, при этом среднеквадратичного отклонения тока обладает более высокой чувствительностью к стабильности процесса.
Для выполнения задач работы были спроектированы и изготовлены установка для автоматической наплавки двухдуговым способом, а также установка для циклических испытаний эрозионной стойкости наплавленных интерметаллидных кокильных покрытий.
Таким образом, цель данной работы - повышение эксплуатационных характеристик металлических кокильных литейных форм, посредствам исследования процессов формирования постоянных металлических покрытий алюминидов никеля и железа, полученных способом двухдуговой наплавки была достигнута.
Механические свойства покрытий такие как твердость варьируется в пределах 10-42HRC в зависимости от режимов наплавки и химического состава покрытия. Интерметаллидные постоянные покрытия характеризуются высокой жаростойкостью и высокой термостойкостью в воздушных средах.
Установлено, что применяемые в промышленности флюсы для пайки и литья, не вступают в контакт (растекание и смачивание поверхности припоем не происходит) с покрытием при температурах технологического процесса литья алюминиевых сплавов.
Установлено, что легирование интерметаллидных соединений хромом повышает пластичность сплавов системы Fe-Al, что приводит к снижению трещинообразования в покрытиях.
При выполнении работы определены режимы однодуговой наплавки стали и алюминия обладающие высокой стабильностью, малым разбрызгиванием и имеющие однородное поле вольтамперной характеристики, и низкие показатели среднеквадратичного отклонения тока и напряжения процесса.
При одинаковых режимах наплавки при двухдуговом процессе по сравнению с однодуговым изменяется характер каплепереноса, при котором улучшается стабильность плавления, снижается разбрызгивание стальной проволоки и ухудшается - алюминиевой.
Математическую оценку сварочных свойств процесса двудуговой наплавки можно выполнить путем определения среднеквадратичного отклонения тока и напряжения, при этом высокой стабильностью и малым разбрызгивание обладают режимы со среднеквадратичного отклонения тока ниже 20% и среднеквадратичного отклонения напряжения ниже 40%, при этом среднеквадратичного отклонения тока обладает более высокой чувствительностью к стабильности процесса.
Для выполнения задач работы были спроектированы и изготовлены установка для автоматической наплавки двухдуговым способом, а также установка для циклических испытаний эрозионной стойкости наплавленных интерметаллидных кокильных покрытий.
Таким образом, цель данной работы - повышение эксплуатационных характеристик металлических кокильных литейных форм, посредствам исследования процессов формирования постоянных металлических покрытий алюминидов никеля и железа, полученных способом двухдуговой наплавки была достигнута.