автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование структуры и свойств соединений быстрорежущих сталей с конструкционными, полученного сваркой трением

I 7 * 2 9 81

Государственный комитет РСФСР по делай науки и высшей школы

Сибирский ордена Трудового Красного Знамени Металлургический институт им» С.Орджоникидзе

На таавах рукописи

Фокин Николай Ильич УДК 621.791.14 '

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ООВДИНЕВИ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ С КОНСТРУКЦИОННЫМ е ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк 1990

<-/ Л" Л ( /

г

Работа выполнена в Томской политехническом институте

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Хазанов И.О.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Афанасьев В.К.

кандидат технических наук, с.н.с. Полторацкий Л.И.

Ведущее предприятие: Томский завод режущих инструментов Защита состоится 1990г. в ^[££чао

на заседании специализированного совета K053.99.0I. при Сибирском ордена Трудового Красного Знамени металлургическом институте по адресу: 654053, Кемеровская обл., г.Новокузнецк-53, ул. Кирова, 42, Сибирский металлургический институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " /¿РЯД'/*¿7 1990 года.

Ученый секретарь специализированного совета, каадвдат технических наук, доцент ( _

.Шамец

"^/я.в.

.. ;. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Эффективность ускорения социально- экономического развития общества в значительной мере зависит от машиностроения. Именно в нем материализуются основополагающие научно-технические идеи, создаются новые орудия труда, систе-ш машин, определяющие прогресс в других отраслях народного хозяйства. Здесь закладываются основы широкого выхода на принципиально новые, ресурсосберегающие технологии, повышения производительности труда и качества продукции. Поэтому в качестве главного рычага интенсификации народного хозяйства выдвигается кардинальное ускорение научно-технического прогресса, широкое внедрение техники новых поколений, новейших технологий, обеспечивающих наивысшую производительность и эффективность. Важным направлением интенсивного развития машиностроения является создание и широкое использование новых конструкционных материалов, которые позволяют резко повысить технический уровень п надежность оборудования. Сложность обработки таких материалов вызывает необходимость повышения стойкости и надежности режущих инструментов. В настоящее время одним из основнйх инструментальных материалов являются быстрорежущие стали, нз которых, в целях экономии, обычно выполняется только режущая (рабочая) часть инструмента, а крепежная (хвостовая) часть изготавливается из недорогих конструкционных сталей. Соединение рабочей и хвостовой частей концевого инструмента в основном осуществляется сваркой трением и контактной сваркой, причем на сварку трением приходится более половины от общего выпуска сварного режущего инструмента.

Сварка трением является высокопроизводительным и экономичным процессом соединения деталей из металлов и сплавов. Высокая экономическая эффективность процесса определяется значительной производительностью, малым расходом энергии, небольшими потерями металла, большей гигиеничностью по сравнении с электроконтактной сваркой.

.Трудности получения качественного соединения при сварке трением заготовок металлорежущего инструмента из быстрорежущих и конструкционных сталей связаны с резким различием их химического состава н физико-механических свойств. Одной из основных особенностей такого соединения является наличие дефектов, которые в изломе имеют вид "блестящих колец" на поверхности трения и представляют собой полностью или частично сформированную пленку 1сарбидов расположенную в плоскости стыка. Прочность сварного соединения определяется местом расположения "блестящих колец" и их плопрдью. В связи с этим определение условий образования "блестящих колец" и разработка схемы сварки трением быстрорежущих и конструкционных сталей, предотвращающей их возникновение является актуальной задачей.

Кроме того, до сих пор не исследовались возможности формирования сварного шва при сварке трением в условиях, когда быстрорежущая сталь находится в состоянии сверхпластичности, хотя общепризнано, что'пластическая деформация является основным фактором, определяющим кинетику процесса образования прочного сварного соединения. Выполнение таких исследований способствует расширению знаний о возможностях сварки трением.

. Цель работы - определение возможностей упрочнения сварного шва биметаллического инструмента, полученного сваркой трением быстрорежущих Сталей с конструкционными.

В работе решались следующие задачи:

1. Изучение микроструктуры сварного соединения и определение условий образования "блестящих колец" при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными.

2. Исследование возможности сварки трением в условиях, когда быстрорежущая, сталь находится в состоянии сверхпластичности.

3. Разработка и внедрение в производство технологии сварки трением с использованием эффекта сверхпласт.ичности быстрорежущей стали и исключающей образование карбидных пленок в зоне стыка.

Научная новизна. Выявлен механизм формирования карбидных пленок в зоне стыка при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными.

Предложен способ сварки трением в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали.

Предложен способ управления процессом сварки трением. Практическая пенность. Способ сварки трением в температурном интервале сверхпластичности и способ управления процессом сварки трением реализуется.в производстве заготовок для биметаллического режущего инструмента на Томском инструментальном

заводе. Экономический эффект от внедрения составит в 131 тыс. »

руб.

Апробация работы. Основные, результаты работы были доложены и обсуздены на:

1. Научных семинарах кафедры "Материаловедение и технология металлов" Томского политехнического института, Томск, 1987-1990г.г.

2. Всесоюзный научно-технической конференции "Прогнозирование 1 и управление качеством металлоизделий, полученных обработкой давлением", Абакан, 1988.

3. Зональной научной конференции "Структура и свойства материалов", Новокузнецк, 1988.

4. Научно-техническом семинаре "Сварка трением: достижения и проблемы", Ленинград, 1989.

5. Производственно-техническом семинаре "Сварка треннем-ресур-сосберегающая технология (ошт, перспективы применения)", Челябинск, 1989.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения,- списка литературы и приложения. Материал изложен на 116 страницах машинописного текста, содержит ЗА рисункг», 17 таблиц и список литературы в количестве 118 наименований.

Основные положения диссертации, которые выносятся на защиту.

1. Блестящие кольца в сварном соединении быстрорежущих сталей с конструкционными образуются в результате внутренней перестройки поверхностных слоев пары трения вследствие диссоциации карбидов в поверхностных слоях стыка, диффузии атомов углерода и легирующих элементов в более нагретые участки зоны трения и образования там карбидов, имеющих термодинамически более устойчивую структуру.

2. Сварка трением выполненная в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали, исключает образование блестящих колец, улучшает условия пластического деформирования быстрорежущей стали, повышает качество сварного соединения, исключает необходимость отжига сваренных заготовок.

ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЯ, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ

Основными дефектами заготовок режущего инструмента, сваренных трением, являются непровары в виде блестящих колец, наблюдаемые в изломе, и зона полного обезуглероживания со стороны конструкционной стали, которые являются причиной низкой, практически неудовлетворительной прочности сварного соединения.

Блестящие кольца являются особенностью традиционного способа сварки трением и обнаруживаются практически во всех заготовках биметаллического концевого инструмента. Ферритнал прослойка, пришкающая к стыку со стороны конструкционной стали, образуется при отжиге сваренных заготовок и ее наличие также неизбежно при данном способе сварки.

Необходимо отметить, что авторы работ, посвященных исследованиям структуры и свойств сварного соединения, по-разному оценивают влияние блестящих колец и зоны полного обезуглероживания на механические свойства. Одни исследователи основным разупрочняющим фактором называют блестящие кольца, другие подчеркивают, что именно ферритная зона оказывает решающее влияние на снижение механических свойств соединения. Поскольку при испытаниях на ударный изгиб, растяжение и кручение разрушение образцов в большинстве случаев происходит с вскрытием блестящих колец, можно считать, что основным дефектом сварного соединения являются блестящие кольца.

Согласно работам В.И.Билля, А.И.Попандопуло, Г.Д.Ткачевской в первые моменты сварки быстрорежущая сталь наволакивается на сталь 45 и парой трения становится быстрорежущая сталь с быстрорежущей сталью. При последующей пластической деформации карбидные строчки быстрорежущей стали изгибаются, становятся

параллельными плоскости соединения и сближаются между собой. 1Сарбиды, расположенные в строчках, параллельных стыку, начинают полировать поверхность трения, в результате образуются следы полирования - блестящие кольца.

Н.И.Фоыичев и К.П.Икаешшк в своих работах соглашаются с гипотезой В.И.Билля о влиянии карбидов на образование блестящих колец. Они подчеркивают, что блестящие кольца образуются в местах локализации карбидов и считают, что за счет трения карбиды раскатываются, образуя блестящие кольца.

В работах В.И.Егорова с сотрудниками, а позднее О.Н.Тани-чавой и других предполагается, что блестящие кольца в изломах инструмента, изготовленного сваркой трением, связаны с перегревом быстрорежущей стали при сварке до температур, вызывающих образование эвтектических расплавов в местах скопления карбидов. При осадке жидкость течет в направлении волокон материала и затвердевает, образуя вблизи сварного шва карбидные полосы, расположенные под разными углами к сварному кву. Металл вблизи карбидных полос ослаблен и при изгибе .дает изломы в виде блестящих колец.

Исследования, выполненные В.П.Воиновым, показали, что при сварке трением легированных сплавов в стыке образуются очень тонкие карбидные пленки (около 3 мкм) и разрушение соединения по пленке очень малой толщины создает иллюзию заполированной поверхности, являющейся в действительности фактурой излома по пленке.

Данные работы В.К.Лебедева с сотрудниками посвященной -сварке трением стали Р6М5 и стали 45, согласуются с выводами В.П. Воинова о том, что блестящие кольца являются пленочными включениями карбвдов. В.К.Лебедев указывает, что известные работы

не раскрывают механизма образования блестящих колец, а только выявляют, что представляет собой данные дефекты и поэтому возможен лишь экспериментальный подход к разработке технологии сварки трением.

Таким образом, при сварке заготовок из быстрорежущих и конструкционных сталей, в соне трения образуются непровары которые в изломе имеют вид блестящих колец на поверхности трения и представляют собой полностью или частично сформированную тонкую пленку карбидов, расположенную а плоскости стыка.

Трещина в сварном соединении развивается именно по карбидной пленке. Карбиды, как. твердые, хрупкие включения, служат центрами разрушения. Кроме того карбиды имеют коэффициент линейного расширения, отличающийся от коэффициента линейного расширения металлической основы, что вызывает значительные напряжения на поверхности фаз при термической обработке. И, наконец, твердый раствор вблизи карбидов более легирован, что вызывает дополнительную структурную неоднородность.

Таким образом, предложено две гипотезы, объясняющих механизм образования карбидных пленок: I) сближением карбидных строчек быстрорежущей стали в процессе пластической деформации; 2) образованием эвтектических расплавов на поверхности трения.

Как показал микроструктурный анализ, карбидная пленка обычно располагается в центральной части хорошо продеформированной зоны, причем степень деформации здесь настолько значительна, что полностью отсутствует карбидная неоднородность (строчечность). [ Карбидные строчки действительно изгибаются и уплотняются, приближаясь к сильно продеформированной зоне, по они не являются причиной образования цепочки карбидов, представляющей собой поперечное сечение карбидной пленки. Толщина сильно продефорыи-

рованной зоны составляет в среднем 0,2 мм, а расстояние от карбидной пленки, ш> которой происходит разрушение сварного соединения, до уплотненных карбидных строчок примерно 0,1 мм. Таким образол, ¡лрбидная пленка но может образоваться из кар-бвдных строчек по механизму, изложенному в первой гипотезе.

Согласно второй гипотезе, блестящие кольца являются следствием образования овтектических расплавов п местах скопления карбидов, однако фактических данных подтворя-дающих ото предположение не приводится. Наоборот, Н.И.Фомичев и К.П. Нмленник подчеркивают, что наличие жидкой фазы в зоне трения не подтвердилось экспериментально: в капиллярных отверстиях, предварительно высверленных в заготовках из быстрорежущей стали, леде-буритная эвтектика после сварки отсутствовала. Именно отсутствие ледебурита относится к многократно подчеркнутому преимуществу сварки трением перед другими способами сварки быстроре-;кущ.1Х и конструкционных сталей.

О.Н.Таничева с сотрудниками в своей работе приводит микроструктуры сварного ива отожженных заготовок, в то ке время указывая, что карбидные пленки образуются на последней стадии сварки трением, в процессе проковки при затвердевании эвтектических расплавов. Таким образом не учтены диффузионные процессы, протекающие в сваренных заготовках при охлаждении и последующем отжиге, которые существенно влияют на состояние карбидных пленок. В быстрорежущих сталях при кристаллизации формируется характерная скелетообразная или лучистая, веерообразная эвтектика, приведенные О.Н.Таничевой микрофотографии показывают, что карбиды, образующие пленку, такого строения не тлеют, следовательно, не являются эвтектическими.

Для того, чтобы свести к минимуму диффузионные процессы и с максимальной достоверностью зафиксировать иинроструктуру, присущую высокотемпературному состоянию на последней стадии процесса сварки, заготовки необходимо быстро охладить немедленно после окончания стадии проковки. Охлаждение выполнялось в 10/5 водном растворе ^ а также в воде, в масла и на воздухе. Микрострук-

турный анализ показал, что при быстром охлаждении в плоскости трения образуется очень тонкая карбидная пленка и лишь на отдельных участках успевают выделиться мелкие карбиды. Карбидная пленка препятствует образованию единых: зерен в зоне трения за счет собирательной рекристаллизации и четко разграничивает рекристал-лизованные объемы пары трения. В тех областях зоны трения, где тончайшая карбидная пленка отсутствует, в результате собирательной рекристаллизации образуются общие для пары трения зерна. При охлаждении заготовок от температуры сварки с меньшими скоростями толщина карбидной пленки, за счет явлений диффузии и коагуляции карбидов, возрастает и при охлаждении на воздухе достигает в среднем 3 мкм.

Карбиды, выделяющиеся в зоне трения, являются вторичными и не могут иметь характерного строения эвтектических карбидов.

Важным является тот факт, что карбидные пленки образуются и при относительно низких температурах сварки. В образцах, сваренных при температуре 900-9Ю°С, появление эвтектических расплавов на последних стадиях нагрева полностью исключено, тем не менее карбидные пленки образуются, хотя имеют значительно меньшую толщину (при охлаждении на воздухе I мкм). Таким образом, микроструктурный анализ показал, что карбидные пленки не являются следствием образования в зоне трения эвтектических расплавов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗ'.ЮКНОСТЕЙ УПРОЧНЕНИЯ СВАРНОГО ШВА ЗАГОТОВОК РЕЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

С целью определения возможностей упрочнения сварного соединения, полученного сваркой трением были выполнены следующие работы:

1. Закалка инструмента с погружением сварного шва ниже зеркала ванны.

Шксимальная растворимость карбидной фазы в стали Р6,'.!5 наблюдается при' выдержке 2-3 мин. при температуре 1230°С, по ото),¡у закалка с погружением сварного шва в расплав соли осуществлялась от температуры 1230°С с выдерикой 2,5 мин. в расчете на то, что большая часть карбидов, формирующих пленку, растворится в аустените. Испытания на ударный изгиб показали незначительное (всего на повышение ударной вязкости. Ыикроструктурный анализ показал, что 1ирбидная пленка изменений не претерпела.

2. Двойная закалка па полигонизованную структуру с погружением сварного шва ниже зеркала ванш. Прочностные характеристики инструмента из стали Р6Ы5 с полигонизованной структурой аустенита после окончательной термической обработки на 15-2055 сипе чем для рекристаллизованного состояния. Наибольшая плотность поли-гонизованной структуры в теле рабочей части заготовки (из стали Р6М5) получена при температуре первой закалки 900°С и второй закалки 1220°С. Испытания на ударный изгиб, вопреки ожиданиям, показали резкое, на 35% снижение ударной вязкости образцов по сравнению с ударной вязкостью контрольной партии, закаленной

по обычным режимам. Как показали микроструктурные исследования, причиной резкого падения ударной вязкости является область

в

аномально крупного зерна, возникающая при двойной закалке в зоне термо-деформационного влияния сварного шва. Вследствие структурной наследственности быстрорежущей стали (фазовый наклеп приводит к формированию аномально крупного зерна в зонах прилегающих к плоскости трения, то есть в области где степень деформации оказывается критической. Карбидная пленка располагается как раз в этой области, ее состояние не изменилось. 3. Высокий отпуск зоны сварного шва готог-ого инструмента. Зона сварного соединения является наиболее напряженной зоной режущего инструмента, поскольку в зоне шва быстрорежущая сталь имеет высокую твердость, а конструкционная - низкую. Для повышения прочности необходимо упрочнение металла, но при минимальном градиенте твердости. Отпуск для выравнивания твердости быстрорежущей и конструкционной стали проводился с использованием установки ТВЧ, температура нагрева составила 780 ± 20°С. Устранение значительного градиента твердости в стыке привело к некоторому повышению ударной вязкости (до 17%), но карбидные пленки по-прежнему оказывают существенное влияние на прочность сварного соединения, поскольку образцы разрушаются именно по блестящи.! кольцам.

Выполненные работы показали, что использование ряда технологических приемов не привело к существенно^ упрочнению сварного шва.

Активация контактных поверхностей, необходимая для образования сварного соединения в твердой фазе при сварке трением, осуществляется за счет термодеформационного воздействия сил трения на материал заготовок. Большой вклад в металловедение трения внесен Б.И.Костецким. Им установлено, что при значительной

работе сил трения и преимущественно термической активации в поверхностных слоях пары трения образуются вторичные структуры термического происхождения, являющиеся термодинамэтески устойчивыми в данных и представляющие собой тончайшие пленки химических соединений металлов с активными элементами близкие к стехиометрическим составам. Возникшая новая фаза предотвращает сбл-ташкэ контактирующих металлов на расстояния порядка шн-атошых и таким образом предотвращает схватывание. Структурные изменения развиваются в результате двух основополагающих явлений: активации - увеличения свободной энергии материалов системы трения за счет внешнего нагружения и пассивации - ее уменьшения за счет образования защитных вторичных структур в результате диффузии и химических реакций в поверхностных слоях.

Явление образования специфических структур на поверхностях трения рассмотрено в ряде работ. Так В.В.Чернылов при изучении износостойкости высокоуглеродистой стали обнаружил образование твердого раствора на поверхности образцов в результате процессов растворения цементита и миграции атомов углерода из менее нагретых участков поверхности трения в более нагретые. Ю.Н.Дроздов с сотрудниками обнаружили, что содержание углерода в поверхностном слое изношенных роликов из закаленной и низкоотпущенной стали с 0,43% углерода увеличилось на 22% по сравнению^ исходным, ото связано с диффузией углерода из глубины образца к поверхности.

При сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными в условиях структурно-термической активации происходят процессы растворения карбидов, и диффузия атомов углерода и легирующих элементов в те участки поверхности трения, которые имеют наибольшую температуру. Здесь происходит новое выделение и коагуляц

специальных карбидов, имеющих термодинамически более устойчивую структуру.

Эпюры мощности тепловыделения при сварке трением и экспериментальные данные измерении температур в стыко, приведенные в работах В.И.Билля, Н.И.Фомичева, К.П.Имшенника, показывают, что максимальная температура на поверхности трене.я достигается на кольцевой площадке, ограниченной окружностями с.радиусами от 0,3 й, до 0,7 Д. Именно на оюй кольцоеой площадке еще в процессе сварки начинает образовываться тонкая пленка карбидов, которая окончательно формируется при охлаждении.

Микроструктуркий анализ показал, что после быстрого охлаждения образцов з 10% растворе об?,емнал доля карбидов в зоне трения составляет 2.92$, в том числе объемная доля карбидов, формирующих пленку равна 0,79%, т.о. за очень короткий промежуток времени происходит растворение значительной части карбидов, поскольку в исходном состоянии их объешюл доля составляла почти 2С$. Экспериментально подтвердилось такте явление диффузии атомов углерода и легирующих элементов в наиболее нагретые участки зоны трения, образование здесь тончайшей карбидной пленки и последующая коагуляция карбидов, формирующих пленку, после прекращения относительного вращения заготовок.

Последующая термообработка сваренных заготовок не влияет на состояние пленок, их толщина составляет в среднем 3 мкм, то есть равна толщине пленки, образующейся при охлаждении на воздухе. Объемная доля карбидов после отжига за счет восходящей диффузии углерода из стали 45 существенно возрастает и достигает 38%.

Выполнение пробных закалок от высоких температур подтвердило предварительный вывод о значительной термической устойчивости карбидных плёнок, так после закалки от 1270°С

карбвдная строчка еще.различима, хотя уже наблюдается литая структура. Выдержка при. i = 1230°С в течении 3 час приводит к

распаду отдельных участков пленки на цепочки крупных изолиро-

«

ванных карбидов.

Высокая термическая устойчивость карбидов, формирующих пленки подтверждена также результатами рентгеноспектрального микроанализа, выполнешого на микрозонде MS -46 фирмы "CAI.ECA". Снимки сварного соединения, сделанные в характеристических лучах Fe, W, Мо , V м Ог

позволяют качественно охарактеризовать распределение легирующих элементов в зоне сварного соединения. Карбиды обеднены железом, обогащены вольфрамом, молибденом и ванадием. Хром в карбидах и матрице распределен равномерно. Карбиды по составу близки к ЫЗ и MgC.

MqC - 8% V ; 4% Сг ; 2<3?о Fe. ; Ш Мо; Zó% W;

Ш - 40$ V ; 4% Cr ; l% Pe ; Z% lío; 3 %W\ Карбвды Ш составляют около 50,0% общего количества карбидов пленки, что соответствует данным исследований А.Н.Попандопуло, Г.Д.Ткачевской, Н.И.Фомичева, К.П.Имшенника.

Поскольку увеличение содержания в карбидах ванадия, вольфрама и молибдена повышает их термическую устойчивость, выполненный анализ показывает что карбидные пленки являются устойчивыми структурами.

Электронные фотографии показывают, что внешний вид блестящих колец идентичен рельефу поверхностей трения, образованному пленками вторичных структур.

Таким образом, карбидные пленки, образующиеся в стыке при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными, являются вторичными структурами термохимического происхождения и представляют собой химические соединения металлов с углеродом

стехиометрического состава.

Для того, чтобы при сварив трением быстрорежущих сталей с конструкциоиными предотвратить образование блестящих колец, необходимо исключить условия реализации внутренней перестройки поверхностных слоев, а именно - предотвратить диссоциацию карбидов в околостыковоГ зоне на стадиях нагрева, ведь при температурах сварки в аустпните быстрорежущих сталей растворяется значительное количество карбидов, насыщая твердый- раствор углеродом и легирующими элементами. Растворение карбидов протекает в широком интервале температур выше Ар Температура Aj (г^-**^ превращения) у быстрорежущих сталей составляют 750-820°С в зависимости от состава. Растворимость углерода в ^ -фазо чрезвычайно мала, поэтому выполнение сварки при пониженных температурах, до начала аустенитизации быстрорежущих сталей, исключит диссоциацию карбидов, а, следовательно, и образование блестящих колец.

CBAFIÜV ТРЕНИЕМ С ¡¡^ПОЛЬЗОБАНИЕМ ЭЖКТЛ СЗЕРХПЯАСТИЧНОСТИ БЫСТРОРЗОТф! СТШ

В работах В.II.Виляя, В.П.Воинова и других авторов подчеркивается, что образование прочного сварного соединения невозможно без совместного пластического деформирования мшфообъе-мов приповерхностных слоев металла соединяемых тел. Именно пластическая деформация является.основным фактором, определяющим кинетику образования прочного соединения.

При горячей деформации быстрорежущих сталей возникают трудности обусловленные пониженной пластичностью этих сталей, они относятся к разряду труднодеформируемых. В своих работах Л.П. Гуляев для горячей пластической деформации вццеляет две

температурные области: I) под критической точкой, т.е. около 800°С, когда наблкщается резкое, аномальное повышение пластичности (сверхпластичность), но узок интервал температур деформации; 2) при высокой температуре (П00-1200°С), когда пластичность не максимальна, но температурный интервал деформации достаточно широк. Аномалия пластичности в сталях в интервале температур, -близких к А^, определяется как субкритическая сверхпластичность и увязывается с фазовыми превращениями в стали. В условиях изотермического одноосного сжатия эффект сверхпластичности у быстрорежущих сталей проявляется при оптимальных скоростях деформации (1,15-1,35) х 1(Г3С~* и температурах от А| - (15 - 20)°С до Ар т.о. при максимальных температурах существования -твердого раствора.

Традиционная сварка трением выполняется во второй температурной области.

Выполнение сварки трением в первой температурной области значительно улучшает условия пластического деформирования быстрорежущей стали, предотвращает диссоциацию карбидов, поскольку исключается образованно аустенита, а следовательно ликвидирует условия образования блестящих колец в сварном соединении. Кроме того отпадает необходимость в отжиге заготовок после сварки, так как быстрорежущая ~таль при охлаждении на воздухе не закаливается (исключается образование мартенсита).

Ввиду того, что зона полного обезуглероживания формируется при отжиге сваренных заготовок, данный дефект сварного соединения также устраняется. Для определения параметров режима сварки трением в температурном интервале сверхпластичности были проведены экспериментальные работы на токарно,-винторезном станке модели 1М53, задняя бабка которого была оснащена пневмати-

ческим приводом усилия. Скорость относительного вращения заготовок изменялась посредством коробки скоростей станка. Значе-' ния температуры определялись с помощью хромель-алзомелевой термопары. Заготовки, установленные в патроне шпинделя станка и в патроне задней бабки, сжимались торцами с заданным давлением и заготовка из стали Р6М5 приводилась во вращение с заданной частотой. Определялось время разогрева зоны трения до температуры 800°С. На основании выполненных замеров построены графики зависимостей времени нагрева от скорости относительного перемещения заготовок при заданном давлении нагрева и времени нагрева от давления нагрева при ладанной скорости перемещен™.

Поскольку удовлетворительное .выравнивание температур по поверхности трения происходит в течение 3-4с. после начала процесса сварки, принято постоянное время нагрева 10 е., близкое к задаваемому по существующей технологии сварки.

Результаты эксперимента аналитически представляется сатирической формулой:

\>.= 7137 +85 (км/с); или ,л (с_1)-

У Рн

Формула позволяет для заготовок данного диаметра О определить давление нагрева (Рн) и частоту относительного вращениях ( И чтобы в течении 10 с. достичь в зоне трения температуры-

3 зависимости от качества поверхностей торцев заготовок время нагрева до температуры проявления эффекта сзерхпластич-нэсти мо:.-:ет отличаться от 10 с. при одинаковом дазлении нагре-

ва и скорости относительного перемещения. Это различие достигает 1,5с. для заготовок, полученных разными способами.

Для управления процессом сварки была рассмотрена возможность использования термо з.д.с. естественной термопары, образованной заготовками из быстрорежущей и конструкционной стали. Была изготовлена термопара из стали Р6М5 и стали 45, после оформления рабочего спая и отжига выполнялась градуировка методом сличенм в интервале температур от 700 до 900°С. Полученные данные показывают, что значения т.э.д.с. позволяют определять температуру в зоне трения свариваемых поверхностей, а также формировать управляющий сигнал на прекращение относительного вращения заготовок и осуществление проковки при достижении температуры проявления эффекта сверхпластичности быстрорежущей стали. Изготовлено устройство для осуществления предложенного способа управления процессом сварки трением.

Сварка заготовок осуществлялась на переоборудованной сварочной машине М5-362.

Микрострукчурный анализ зоны сварного шва показал, что в стали 45 под действием пластической деформации происходит измельчение зерна, а та ¡же динамическая сфероидизация пластинчатого цементита.

В стали Р6М5 средний диаметр зерна феррита рядом со стыком 1,2 мкм, на расстоянии 3 мм от стыка - 16 мкм. Таким образом в зоне сварного шва формируется ультрамелкозеренная структура с большой протяженностью границ, которая обеспечивает высокую

;, . 11- сварного соединения. Объемная доля карбидов в зоне стыка ног." -„ь-.гл;« с-осгаышет 19,32%, т.е. равна исходной.

Механические испытания показали значительное увеличение ме-

ханических свойств сварного соединения. Ударная вязкость по сравнению с образцами, сваренными традиционным способом и отсиженными возросла в 3 раза. При испытаниях на растяжение и кручение образцы разрушались по стали 45, т.е. прочность соединения определяется механическими свойствами ст.45.

Для определения оптимальных параметров режима сварки трением стали Р5?,Б со сталью 45 в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали использованы методы планирова-

о

ння эксперимента, выполнен факторный эксперимент 2 .

На основании экспериментальных и расчетных данных разработано техническое задание на проектирование сварочной малины. Проектно-конструкторские работы выполнены Московским специальным конструкторским и технологическим бюро проектирования металлорежущего инструмента и оборудования. Томский завод режущих инструментов приступил к изготовлению малины для сварки трением с использованием эффекта сперхпластичности, которое завершится в I кв. 1991г. '

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

Результаты проведенных исследований показывают, что при сварке трением заготовок- режущего шштрумента из быстрорежущих и конструкционных сталей по традиционной технологии процесс осуществляется при высоких температурах в условиях аустенитно-го состояния свариваемых сталей. Высокие температурки значительные деформации приводят к растворению значительных количеств специальных карбидов быстрорежущей стали в зонах, прилегающих к плоскости трения. Карбиддае пленки, образующиеся в стыке, вследствие диффузии углерода в наиболее нагретые участки поверхности,

являются основным дефектом сварного соединения и существенно сникают его прочность. Для повышения надежности металлорежущего инструмента необходимо избавиться от блестящих колец и зоны полного обезуглероживания в зоне сварного соединения.

На основе анализа выполненных исследований по изучению структуры и свойств соединения, полученного сваркой трением быстрорежущих сталей с конструкционными можно сделать следующие выводы:

1. Карбидные пленки образуются в результате растворения карбидов при аустенитизации быстрорежущей стали, диффузии атомов углерода и легирующих элементов в наиболее нагретые участки поверхности трения и образования здесь новых выделений специальных карбидов, термодинамически чрезвычайно устойчивых.

2. Для предотвращения образования карбидных пленок сварку необходимо выполнять в ферритном состоянии быстрорежущей стали, поскольку растворимость углерода в с(- фазе чрезвычайно мала.

3. Максимальные температуры существования С^-твердого раствора быстрорежущих сталей совпадают с температурным интервалом проявления эффекта сверхпластичности, поэтому выполнение сварки трением заготовок режущего инструмента при указанных температурах не только исключает образование карбидных пленок в стыке и устраняет необходимость отжига, но и существенно улучшает условия пластического деформирования быстрорежущих сталей, что предопределяет высокие механические свойства полученного соединения.

4. Оптимальными параметрами режима сварки трением в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали являются максимально возможные для свариваемых материалов давления нагрева и проковки. Они позволяют получить наибольшие значения

%

механических характеристик сварного соединения. 5. Значения термоэлектродвижущей силы естественной термопары, образованной свариваемыми заготовками из стали Рб'.Б и стали 45, позволяют осуществлять эффективный контроль и управление' процессом сварки в соответствии с температурой в зоне трения.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Хаэанов И.О., Фомин H.H. Исследование структуры роёдинекнл, полученного сваркой трением //Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением: Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции исполнителей программы "Металл"« 26-30 сентября 1938г. - Абакан, 1988.-С.91-92.

2. Казанов И.О., Зомин H.H. Металлографический анализ причин охрупчивания свариого шва бг.металлпчоского ре;кущего инструмента из быстрорежущей стали л стали 45//Струнтура и свойства материалов: Сборник материалов зональной научной конвенции. - Новокузнецк,- 1988.- С.61-62.

3. Хазанов И.О., Фомин H.H. Сварка трением в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали //Сварочное производство. - 1989. - !,« 3. С. 4-5.

4. A.C. I5I2740 СССР, МНИ В 23 К 20/12. Способ сварки трением , Дазанов И.О., Зомин H.H. - »4255063/31-27; заявлено 22.04.87; опубл. 07.10.89. Бюл. » 37.

5. Хазанов И.О., Фомин Н.И. Исследование структуры и свойств сварного соединения, полученного сваркой трением //Сварка трением - ресурсосберегающая технология. Тезисы докладов производственно-технического семинара. - Челябинск, 1939. -с. 27-28.

6. Хазанов И.О., Фомин Н.И. Исследование структуры и свойств соединения стали Р6Ы5 и стали 45, полученного сваркой трением //Металловедение и термическая обработка металлов. - 1990.

- № 6. - с. 59-61.