автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Управление процессом сварки трением сталей перлитного и карбидного классов вблизи температур фазового превращения

На правах рукописи

Трущенко Евгений Анатольевич

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ СВАРКИ ТРЕНИЕМ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО И КАРБИДНОГО КЛАССОВ ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУР ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.03.06 -"Технологии и машины сварочного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2004

Работа выполнена на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" Томского политехнического университета.

Научный руководитель.

доктор технических наук, доцент Гнюсов С.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Сизова О.В.

кандидат технических наук Хижняков В.И.

Ведущая организация: Алтайский Государственный

технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул.

Защита состоится « 20 » апреля 2004г. в 14™ часов на заседании диссертационного совета К 003.038.01 в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН

Автореферат разослан « 18 » марта 2004г

И.о. Ученого секретаря диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Князева А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Абсолютное большинство применяемых на практике конструкционных и инструментальных материалов имеют сложное строение. Каждый элемент структуры оказывает влияние на механические свойства материала, определяющие в конечном итоге металлоёмкость, показатели надёжности и долговечности изготовленных из них изделий. Поэтому обоснованное управление структурой металлических материалов имеет важное научное и практическое значение. Это в полной мере относится и к биметаллическому режущему инструменту, основная часть которого изготавливается сваркой трением.

Долговечность такого инструмента в немаловажной степени зависит от качества сварного стыка. Однако его обеспечение связано с большими трудно -стями, обусловленными: значительными различиями в химическом составе и физико-механических свойствах конструкционной и быстрорежущей сталей; высокими температурами в зоне физического контакта, что предопределяет применение обязательного длительного отжига соединений (22...26ч). Это приводит к образованию в сварном соединении ряда дефектов, основными из которых являются "блестящие полосы скольжения" со стороны быстрорежущей стали, и ферритная прослойка со стороны конструкционной стали. При этом механизм образования "блестящих полос скольжения" до сих пор остается дискуссионным.

Избежать образования данных дефектов можно, используя эффект повышенной пластичности быстрорежущей стали вблизи фазового превращения в процессе сварки трением. Это позволит решить проблему свариваемости сталей перлитного и карбидного классов, повысить качество сварных соединений, и их эксплуатационные свойства. Однако существующая технология сварки трением не позволяет обеспечить стабильность свойств сварных соединений при использовании данного эффекта высокой пластичности. Поэтому для осуществления технологического режима сварки вблизи температур фазового превращения требуется строгий контроль температуры в зоне физического контакта, её распределения и давления нагрева.

В связи с этим исследования и разработки, направленные на совершенствование процесса сварки трением, представляются важными и актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники" и в рамках научно-технического сотрудничества между кафедрой ОТСП ТПУ и ОАО ПП "Томский инструмент".

Целью настоящей работы является повышение качества соединений сталей перлитного и карбидного классов за счёт обеспечения управления сваркой трением вблизи температур фазового превращения. Для достижения поставленной цели решались

1. Изучить механизмы образования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при традиционной сварке трением быстрорежущей стали с конструкционной.

2. Создать исследовательский комплекс для сварки трением по предлагаемому технологическому режиму.

3. Разработать алгоритм сварки трением вблизи температур фазового превращения на основе комплексного исследования структуры, фазового состава и свойств сварных стыков на отдельных этапах сварки.

4. Изучить структуру и свойства соединений, выполненных сваркой трением вблизи температур фазового превращения на других сталях, и их влияние на работоспособность соединений.

5. Разработать технологические рекомендации и осуществить практическое применение данной технологии для широкого класса сталей.

Научная новизна работы.

1. На основе исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 в околостыковой зоне при традиционной сварке трением установлен механизм образования дефектов типа "блестящих полос скольжения". Это формирование карбидных строчек и их движение параллельно стыку за счет пластического течения металла и его выдавливания в грат, раскатывание карбидных конгломератов в процессе сварки и их радиальных перемещений; диссоциация карбидов, диффузия углерода и легирующих элементов в более нагретые зоны сварки и выпадение их вновь.

2. На основе систематического исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 при сварке трением вблизи температуры фазового превращения быстрорежущей стали, детального анализа структуры, химического и фазового состава в околостыковой зоне, влияния термической обработки, разработан алгоритм сварки, включающий разделение процесса нагрева свариваемых заготовок на два этапа: предварительный и выравнивающий. Установлена необходимость снижения частоты вращения шпинделя машины до 70... 150 об/мин, увеличения давления нагрева до 150...200 МПа; длительности выравнивающего разогрева, находящейся в пределах 8... 10 с, при продолжительности пауз и импульсов давления нагрева 2... 3 с.

3. Показано, что при сварке по предлагаемому технологическому режиму в околостыковой зоне формируется мелкозернистая композитная структура, с образованием вихревых структурных конгломератов. Данный переходный слой или "третье тело" шириной 1000... 1200 мкм способствует плавному переходу от исходной структуры стали 45 к структуре стали Р6М5. Отсутствие "блестящих полос скольжения" и закалочных структур обеспечивает высокое качество сварным соединениям.

Практическая ценность. 1. Предложен алгоритм сварки трением с регулируемым нагревом вблизи температуры фазового превращения стали Р6М5, обеспечивающий надежное качество сварным стыкам биметаллического режущего инструмента. Выбрана и

обоснована временная диаграмма изменения осевого давления для обеспечения равномерного нагрева по всей поверхности трения.

2. Создан исследовательский комплекс для сварки по предлагаемой технологии, путём модернизации пневматической схемы и привода сварочной машины МФ-327, изготовления блока управления и регистрирующей аппаратуры.

3. Разработанный алгоритм сварки не приводит к образованию "блестящих полос скольжения" и закалочных структур в околостыковой зоне, что исключает операцию длительного отжига после сварки и формирующуюся в результате его проведения ферритную прослойку.

4. Разработанный алгоритм сварки применён для получения биметаллических сверл и метчиков (сталь Р6М5 - сталь 45), пик отбойных молотков (сталь ШХ15 - сталь 50). Это позволило улучшить механические свойства сварных стыков режущего инструмента, производить перезаточку рабочей части и увеличить ресурс работы пики.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Механизм формирования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при традиционной технологии сварки трением, обусловленный изменением исходной структуры быстрорежущей стали в околостыковой зоне.

2. Алгоритм сварки биметаллических заготовок вблизи температур фазового превращения сталей перлитного и карбидного классов, включающий три этапа: предварительный разогрев с постоянным давлением, выравнивающий нагрев с импульсным изменением давления и проковка.

3. Технологический режим сварки трением вблизи температур фазового превращения, обеспечивающий равнопрочность сварного соединения.

4. Комплекс экспериментально полученных данных о фазовом составе и структуре околостыковой зоны биметаллических материалов сталь 45 -сталь Р6М5, сталь 50 - сталь ШХ15, реализующихся в процессе сварки трением и термической обработки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: научных семинарах кафедры "Технология и оборудование

»» т 1ой

сварочного производства Томского политехнического университета; ! областной научно- практической конференции молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям (Томск, 1995г.); 2— областной научно-практической конференции молодежи и студентов "Современные техника и технологии" (Томск, 1996г.); 3е® областной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1997г.); Российской научно- технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97»" (Воронеж, 1997г.); 4— областной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1998г.); Всероссийской молодежной научно- технической конференции "Технология и оборудование современного машиностроения" (Уфа, 1998г.); международной научно- технической конференции "Новые материалы и технологии на рубеже веков" (Пенза,

2000г.); At International Workshop "Mesomechanices: Fundamentals and Applications" (MESO, 2003) and the VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT, 2003). August 18-23, 2003, Tomsk, Russia.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (120 наименований) и приложения. Работа выполнена па 178 страницах, содержит 60 рисунков, 19 таблиц, 5 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена характеристика области исследования, обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе "СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК", имеющей обзорный характер, даны общие представления о производстве режущего инструмента при использовании технологии сварки трением. Рассмотрены причины образования основных дефектов, и рекомендации по повышению качества соединений с использованием эффекта повышенной пластичности стали Р6М5 в близи температуры фазового превращения при сварке трением. Отмечается, что в работах Хазанова И.О., Фомина Н.И. сделаны первые попытки использования данного эффекта при сварке стали Р6М5 и 45. Показана возможность получения соединения вблизи температур фазового превращения быстрорежущей стали при температуре от АС1-(15...25) °С до АС1- Однако отсутствие чёткого контроля температуры и её распределения, давления нагрева приводит к низкой стабильности качества сварных соединений. Сформулированы задачи исследований.

Во второй главе "МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ" обоснован выбор сталей, используемых в работе (стали Р6М5, 45, 50, ШХ15 и 20Н2М), описаны методики исследования структуры и механических свойств. Температуру вблизи зоны физического контакта оценивали по показания хромель- копелевой термопары, закреплённой в заготовку из стали Р6М5. Изготовленная регистрирующая аппаратура позволила производить контроль параметров режима сварки. Параметры режима в процессе формирования соединения регистрировались с использованием шлейфового осциллографа Н-122. Дальнейшая обработка данных осуществлялась на ПЭВМ.

Металлографические исследования структуры проводили на оптическом микроскопе МИМ-7. Фотографирование осуществляли на цифровую камеру Nikon Coolpix 775, при непосредственной съёмке через окуляр.

Рентгеноструктурный анализ (РСА) проводили на приборе ДРОН- 3 с использованием СиКа - излучения, микрорентгеноспектральный анализ (МРСА)

на приборе ТЕ81А. МРСЛ проводился в отдельных точках (анализируемая площадь ~ 10 мкм2) и в режиме сканирования (анализируемая площадь 50x50

2ч

мкм).

Измерение микротвёрдости сварных соединений проводили на ПМТ- 3, при нагрузке 100 г, для закалённых образцов использовали нагрузку 150 г с шагом 50 мкм. На образцах делали две дорожки на расстоянии R и две дорожки на расстоянии 0.5R от поверхности образца. Соседние дорожки располагали друг от друга на расстоянии 50 мкм. Центр отпечатков в исследуемой дорожке смещали относительно центра отпечатков в соседней дорожке на 25 мкм, что позволило построить распределения микротвёрдости в зоне физического контакта с шагом 25 мкм.

Испытания на статическое растяжение проводились на цилиндрических образцах на машине УМЭ- 10 ТМ. Определение ударной вязкости осуществляли с помощью маятникового копра 2010 КМ- 30 на образцах с концентратором напряжений для определения значений KCU.

В третьей главе "РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА СВАРКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ВАРЬИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРАМИ РЕЖИМА" определены основные механизмы формирования "блестящих полос скольжения" при традиционной сварке трением. Представлен исследовательский комплекс на базе сварочной машины МФ-327. Экспериментально определены необходимые для осуществления предлагаемого технологического процесса частота вращения шпинделя машины и давление нагрева. Приведены результаты по выравниванию температуры по поверхности и периметру свариваемых заготовок с использованием импульсного выравнивающего разогрева.

Толщина "блестящих полос скольжения" достигает 4...5 мкм. После отжига, проводимого для снятия остаточных напряжений и во избежание образования закалочных структур, "блестящие полосы скольжения" остаются без видимых изменений. Со стороны стали 45, за счёт восходящей диффузии углерода в сталь Р6М5, формируется ферритная прослойка, толщина которой достигает 0,5...0,8 мм.

Детальный анализ поверхности разрушения по "блестящим полосам скольжения" выявил отдельные участки хрупкого интеркристаллитного и внут-ризёренного транскристаллитного разрушения сколом (рис.1,а). В объёме материала, ограничивающего "блестящими полосами скольжения", развивается большое количество трещин, что хорошо видно при анализе изломов по этим областям. Вторичные трещины, как правило, не распространяются в основной объём материала. При изучении поверхностей разрушения обнаружено объединение карбидов в крупные конгломераты с одновременным их раскатыванием и движением на периферийные участки соединения (рис. 1,6).

Проведены рентгеноструктурные исследования изломов дефектных полос и объёмов материала вне этих зон. Анализ представленных результатов свидетельствует о том, что наряду с а-фазой железа на дифрактограммах присутствуют линии, отвечающие карбидам и МС. Параметр решётки карбида ,

находящегося в области полосы больше, чем параметр решётки одноименного карбида, находящегося в основном объёме быстрорежущей стали зоны сварки, 1.1148 и 1.1048 нм соответственно. Табличные значения параметра решётки карбида М(,С - а = 1.1031 нм.

а (х 400) б (х 400)

Рис.1. Фрактография ичломов соединения стали Р6М5 со сталью 45.

Следовательно, в процессе сварки трением наряду с перемещением и раскатыванием карбидов, происходит их механическая активация, частичное рас-1 ворение и диффузия атомов углерода и легирующих элементов из менее нагретых участков поверхности трения в более нагретые. Этому дополнительно способствует пластическое течение и выдавливание металла в грат, не только стали 45, но и стали Р6М5. Об этом свидетельствует тот факт, что поверхность грата со стороны конструкционной стали оказывается покрытой слоем быстрорежущей стали толщиной 0,5... 1 мм. В более нагретых и пересыщенных углеродом и легирующими элементами участках происходят вновь выделение и коагуляция карбидов. При этом изменяется как размер, так и параметр вновь выпавших карбидов.

Монокарбид вольфрама (\¥С) на дифрактограммах не фиксируется, это подтверждает и цветное травление шлифов на присутствие карбида . При этом происходит окрашивание как локализованной области двойных карбидов , так и отдельных карбидов быстрорежущей стали в красновато-

оранжевый и бурый цвета.

По данным микрорентгеноспектрального анализа с поверхности излома, содержащего "блестящие полосы скольжения", количество вольфрама и молибдена увеличивается в 1,5...2 раза по сравнению с основным объёмом быстрорежущей стали. Исследования по влиянию полной термической обработки свидетельствуют, что каждый последующий нагрев сваренных заготовок приводит

к увеличению объёмной доли двойных карбидов за счет восходящей диффузии углерода из стали 45, и толщины ферритной прослойки. Оба этих дефекта снижают механические свойства сварных соединений.

Полученные результаты позволили определить механизм образования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при традиционной сварке трением быстрорежущей стали с конструкционной.

Для изучения процессов, протекающих при сварке трением вблизи температур фазового превращения, создан исследовательский комплекс путём модернизации машины МФ-327 (изменение привода, пневматической схемы, разработки блока и способа управления) и изготовлена аппаратура для регистрации параметров режима. В схему управления нагревом введён фоюдатчик, находящийся в непосредственной близости от контактируемых поверхностей, по сигналу которого можно осуществить отключение вращения свариваемых заш-товок или провести изменение давления нагрева по заданному закону.

Влияние давления нагрева в интервале 35...210 МПа на изменение температуры в зоне физического контакта оценивали по показаниям термопары, закреплённой на расстоянии 2 мм от торца неподвижной заготовки из стали Р6М5. Данные опытов представлены на рис.2. Определено: требуемое давление нагрева от 150 до 200 МПа для осуществления сварки вблизи температур фаю-вого превращения; температура на расстоянии 2 мм от торца заготовки 695...710°С, соответствующая высокой пластичности стали Р6М5 при температуре 8ОО...825°С в зоне физического контакта. При превышении указанною температурного интервала происходит образование закалочных структур и трещин, при меньших температурах - непровары в зоне физического контакта

Рис 2 Зависимость температуры на расстяоянии 2 мм от стыка от времени трения при различных давлениях нагрева Р.

Данные по оценке неравномерности распределения температуры по периметру заготовок (три термопары) и в зоне физического контакта (три термопары: на глубине R, 0.5R и на поверхности образца) при непрерывном нагреве показали, что к моменту начала проковки в зоне физического контакта и на по-

верхности образцов не обеспечивается выравнивание температуры. Разница температур составляет 5О...7О°С, что не обеспечивает стабильности качества сваренным заготовкам.

Для выравнивания температуры по поверхности образцов и зоне физического контакта решено использовать импульсное изменение давления нагрева.

Рис.3. Временная зависимость момента трения при постоянном давлении нагрева Рн

Для определения начала импульсного изменения давления нагрева производили запись момента сил трения при тех же условиях сварки. Из рис.3 видно, что стабилизация момента сопротивления наблюдается на двух этапах. Первый - соответствует сухому граничному трению. Второй - обусловлен образованием очагов схватывания и их разрушением. Начало второго участка стабилизации момента сил трения соответствует температуре 495...500°С, на которую производили настройку фотодатчика блока управления. Критерием для начала импульсного разогрева предложено использовать скачкообразное увеличение момента сил трения (рис.3).

Экспериментально установлены параметры режима для выравнивающего разогрева и необходимое количество пауз давления нагрева. Результаты опытов представлены на рис.4. Сварку трением вблизи температур фазового превращения можно разделить на три этапа: 1- предварительный нагрев; 2- выравнивающий разогрев; 3- проковка. К началу действия проковки в контрольных точках (рис.4,а,б) обеспечивается выравнивание температуры по периметру заготовок и по контактируемым поверхностям. При введении одной паузы и импульса давления нагрева зоны прогрева и пластического деформирования материалов очень малы, что приводит к низкой стабильности качества сварных соединений. Увеличение количества пауз и импульсов давления нагрева до трех не приводит к расширению зоны прогрева и пластической деформации, и повышается вероятность выдавливания нагретого металла до состояния повышенной пластичности из зоны трения. Начало импульсного изменения давления нагрева определяет фотодатчик блока управления.

б)

Рис.4. Временная диаграмма изменения температуры при импульсном нагреве: а- распределение температуры по поверхности образцов; б- распределение температуры по поверхности трения.

В четвертой главе "СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (СТАЛЬ 45 - СТАЛЬ Р6М5), ПОЛУЧЕННЫХ ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУРЫ ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ" представлены результаты комплекса металлографических исследований на соединениях сталь 45- сталь Р6М5, полученных при сварке вблизи температуры фазового а—+у превращения с регулируемым нагревом, на основании которого разработан алгоритм сварки трением по предлагаемому технологическому режиму.

Проведён комплекс металлографических исследований (изучение структуры, фазового состава и микротвёрдости), позволяющий проследить процесс формирования сварного соединения по шести характерным точкам нагрева, согласно рис.4,а. По достижении определенного этапа выравнивающего разогрева производили остановку шпинделя и вырезку шлифов для исследований.

Развитие пластической деформации, в процессе сварки трением вблизи температуры фазового превращения стали Р6М5, приводит к изменению микротвердости в зоне физического контакта двух материалов. На начальных этапах выравнивающего разогрева происходит значительное упрочнение из-за низкой температуры зоны физического контакта в процессе адгезионного схватывания, отрыва материала и вовлечения его в зону перемешивания. При этом величина микротвердости в зоне сварки достигает значений 2600...3100 МПа. С ростом температуры нагрева стыка и околостыковой зоны в ходе пластической деформации материалов развиваются полигонизация и динамическая рекристаллизация, способствующие активному измельчению зерна и снижению твердости в зоне физического контакта. Непосредственно при окончании процесса нагрева и после проковки микротвёрдость в зоне сварки плавно изменяется от исходного значения стали 45 до исходного значения стали Р6М5.

При пластическом деформировании в зоне сварного стыка формируется переходный слой, представляющий собой структуру слоистого композиционного материала, (рис.5). Максимальная толщина этого слоя по металлографическим данным формируется к началу последнего импульса давления нагрева, а непосредственно перед проковкой уменьшается до 0,2...0,25 мм и далее практически не изменяется в процессе проковки. Уменьшение ширины околостыковой зоны непосредственно перед проковкой связано с одновременным выравниванием температуры по сечению свариваемых заготовок и её росту до температуры максимальной пластичности стали Р6М5. Это приводит к активизации рекристаллизации, снятию наклёпа, и, следовательно, увеличению массы выдавливаемого материала в грат в ходе действия импульса давления нагрева.

а(х130) 6(х450)

Рис.5. Микроструктура в зоне стыка: а- зона физического контакта; б- переходный слои, "третье тело".

По данным МРСА околостыковая зона составляет 1000... 1200 мкм (рис.6), что говорит о значительном объёме перемешивания свариваемых сталей с формированием слоистой мелкокристаллической структуры материала, (рис.5).

По данным рентгеноструктурного анализа околостыковая зона - "третье тело" свариваемых сталей состоит из а - твердого раствора, имеющего

и

объёмно-центрированную кубическую (ОЦК) решётку с параметром 0.287 нм и зёрен карбида М^С, имеющих кубическую решётку с параметром 1.108 нм. Структур закалки при охлаждении соединений па воздухе, присущих традиционной технологии сварки трением, не обнаружено. Это позволяет отказаться от дополнительного отжига биметаллических соединений заготовок режущего инструмента после сварки, который приводит к формированию нежелательной ферритной прослойки.

500 1000 1500 2000 2500 I., мкм

Рис 6 Распределение легирующих элементов в зоне сварного стыка.

На основании комплексного исследования разработана временная диаграмма процесса с регулируемым нагревом (рис.7), включающая этап выравнивающего разогрева, который начинается по сигналу с фотодатчика, настроенного на температуру 495...500°С, и разрешающий ход импульсного изменения ттят?пения нягпт

Р.п

Момент достижения температуры 495...500 "С

"С

ТГ

ТТ

1«7

Рис 7. Временная диаграмма вменения осевою давления при сварке. Р- давление сжатия, п-число оборотов шпинделя; 1и1, время первою и второго импульса соответственно, 1П|, 1„>-время первой и второй пауты соответственно; („р- время проковки; и,- время процесса сварки; Ри- давление нагрева; Р„- давление пауты; Р1ф- давление проковки.

В пятой главе "СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА, ПОЛУЧЕННЫХ ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУР ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ" рассмотрены результаты металлографических исследований при сварке сталей 20Н2М, 50, ШХ15. Показана возможность получения соединения сталь ШХ15- сталь 50 с высокими механическими свойствами и его использования для изготовления биметаллических пик отбойных молотков. Представлены результаты производственных испытаний биметаллических изделий.

Разработанный технологический режим применён для соединения заготовок как одноименных сталей 50, ШХ15, 20Н2М, так и соединения сталь 50 -сталь ШХ15. Известно, что температура Ас1 для стали 50 и стали ШХ15 совпадает и равна 725°С. Это позволяет проводить сварку трением образцов этих сталей, одновременно находящихся в состоянии высокой пластичности. Более того, близкие температуры нагрева под закалку позволили без особых трудностей осуществить термическую обработку готовых изделий совместно со сварным стыком. Исследования показали плавное изменение микротвёрдости от одной заготовки к другой. При этом в зоне физического контакта и зоне пластической деформации образуется композитная структура с ультромелким зерном. Получение качественного сварного соединения объясняется повышенной пластичностью сталей вблизи температур фазового превращения и формированием зерна с размером 2...3 мкм.

Механические испытания сваренных образцов по предлагаемой технологии показали высокие механические свойства соединений, табл.1, табл.2. Разрушение происходит по основному металлу.

Соединение сталь ШХ15 - сталь 50 предложено использовать для изготовления биметаллических пик отбойных молотков. Была изготовлена опытная партия биметаллических пик и проведены испытания в условиях ОАО "Томский электромеханический завод им. В.В.Вахрушева". Внешний вид биметаллических пик после испытаний представлен на рис.8а,б,в.

Производственные испытания показали увеличение стойкости рабочей части пики в 8... 10 раз в условиях многоциклового ударного нагружения. Эффект от внедрения биметаллических пик отбойных молотков в основном будет определяться возможностью многократной перезаточки рабочей части из стали ШХ15, в сравнении с цельной пикой из стали 50.

Результаты, полученные в данной работе на соединениях сталь Р6М5 -сталь 45, используются на ОАО ПП "Томский инструмент" как технологические рекомендации при производстве биметаллического инструмента. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологического процесса сварки с регулируемым нагревом рассчитан на один типоразмер и составит 91818 рублей. В основном он складывается из экономии электроэнергии и трудозатрат при отмене отжига сварных соединений и снижения брака, выявляющегося на конечной стадии изготовления биметаллического инструмента.

Таблица 1

Механические свойства соединений сталь Р6М5 - сталь 45_

Технология сварки Термообработка ♦св, МПа Место разрушения *а„, МДж/м2

Заводская Отжиг после сварки 540-419 463 По сварному стыку 6,25-3,25 4,56

Закалка и 3-кратный отпуск 520-452 472 То же 1,25-1,21 1,24

Предлагаемая Без отжига 720-708 714 Основной металл (сталь 45) 22.5-20.1 21,4

Закалка и З^крат-ный отпуск 720-678 697 То же 6.25-5.75 6,05

* В числителе представлены максимальные и минимальные значения предела прочности и ударной вязкости из 5 испытаний, в знаменателе их средние значения.

Таблица 2

Сварной стык Ств, МПа 5,% Место разрушения

Сталь 20Н2М - сталь 20Н2М 504 19 Основной металл

Сталь 50-сталь ШХ15 595 18 Сталь ШХ15

СтальШХ15-стальШХ15 584 23 Основной металл

Общий экономический эффект от внедрения данной технологии будет увеличиваться в зависимости от программы выпуска и номенклатуры режущего инструмента.

в) г)

Рис.8. Биметаллические изделия : а- пика без разрушения; б- разрушение по телу пики; в-разрушение по хвостовой части пики; г- заготовки сверла и метчика.

По данной технологии сварки на ОАО ГШ "Томский инструмент" работают две машины, использующиеся при производстве биметаллического инструмента - метчиков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с поставленной задачей в диссертации показано, что основным условием получения бездефектных сварных стыков биметаллических заготовок из стали Р6М5 и стали 45 является использование сварки вблизи температуры фазового превращения. Разработан алгоритм сварки и обоснованы его основные параметры: частота вращения шпинделя машины 70... 150 об/мин, давление нагрева 150...200 МПа; продолжительность выравнивающего разогрева 8... 10 с, с длительностью пауз и импульсов давления нагрева 2...3 с. Для изучения процесса создан исследовательский комплекс для сварки трением по предлагаемой технологии. Проведённые в работе исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Экспериментально установлено, что основной причиной образования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при сварке трением биметаллических заготовок являются следующие процессы, действующие одновременно:

• формирование карбидных строчек и их движение параллельно стыку за счет пластического течения металла и его выдавливания в грат;

• раскатывание карбидных конгломератов в процессе их радиальных перемещений;

• диссоциация карбидов, диффузия углерода и легирующих элементов в более нагретые зоны сварки и выпадения их вновь.

2. На основе комплексного исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 при сварке трением вблизи температуры фазового превращения быстрорежущей стали, детального анализа структуры, химического и фазового состава в околостыковой зоне, разработан алгоритм сварки, включающий этапы предварительного нагрева, выравнивающего нагрева и проковки соединения. Критерием для определения этапа выравнивающего разогрева наиболее целесообразно использовать скачкообразное изменение момента сил трения, что соответствует температуре 495.. .500°С.

3. Предложенный алгоритм управления нагревом вблизи температур фазового превращения позволяет затянуть процесс для обеспечения плавного подхода к указанному диапазону температур, обеспечить её равномерное распределение по поверхности трения свариваемых заготовок. Установлено, что толщина зоны перемешивания и значительной пластической деформации составляет 1000... 1200 мкм и представляет собой слоистый композиционный материал, матрица которого имеет дисперсную структуру. Фазовый состав переходной зоны состоит из а- твердого раствора на основе ОЦК железа, карбидов МС и МбС.

4. На основе анализа структуры и свойств сварных стыков сталь 20Н2М - сталь 20Н2М, сталь 50 - сталь ШХ15, сталь ШХ15 - сталь ШХ15, сталь 45 - сталь Р6М5 показано, что предложенный способ управления нагревом позволяет индивидуально подойти к формированию качественного сварного соединения сталей перлитного и карбидного классов, отличающихся содержанием углерода и

и легирующих элементов. Данный алгоритм сварки позволяет исключить образование дефектов типа "блестящих полос скольжения" и ферритной прослойки, формирующейся в процессе длительного отжига, и обеспечить сварному стыку равную прочность с основным объёмом материала.

5. Разработанный технологический процесс сварки трением вблизи температур фазового превращения применён для получения биметаллического режущего инструмента сталь 45 - сталь Р6М5 и пик отбойных молотков сталь 50 — сталь ШХ15. Экономический эффект при производстве биметаллического режущего инструмента сталь 45 - сталь Р6М5 складывается из исключения операции длительного отжига заготовок и снижения процента брака и составит 91818 рублей на один типоразмер сверл (в ценах и объёмах декабря 2003 г). В случае изготовления биметаллических пик сталь 50 - сталь ШХ15 экономический эффект будет складываться из увеличения стойкости рабочей части в десять раз по сравнению с пиками, изготовленными из стали 50.

Основные публикации по теме диссертации

1. Хазанов И.О., Советченко Б.Ф., Лзаров Н.А., Трущенко Е.А. Структуро-образование соединений из сталей перлитного класса при сварке трением в интервале сверхпластичности // Сварочное производство. - 1998. - №11. - С. 12-15

2. Трущенко Е.А., Николаев А.В. Биметаллические пики отбойных молотков / Тезисы докладов 2 — областной научно-практической конференции молодежи и студентов, (г. Томск, 1996 г.) // Томск: изд. ТПУ, - 1996. - С. 67

3. Трущенко Е.А Сварка штанг глубинных насосов / Современная техника и технологии. Труды 3 — областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, (г. Томск, 1997 г.). // Томск: изд. ТПУ, -1997.-С. 118

4. Хазанов И.О., Азаров НА, Советченко Б.Ф., Трущенко Е.А. Особенности формирования структуры соединений из стали перлитного класса, полученных сваркой трением в режиме сверхпластичности / Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка 97», материалы Российской научно-технической конференции (г. Воронеж, 1997г.) // Воронеж: - 1997. - С. 147-148

5. Багреев A.M., Трущенко Е.А. Структурные особенности формирования свойств сварного соединения сталей перлитного класса, полученного сваркой трением в температурном интервале сверхпластичности / Технология и оборудование современного машиностроения, тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции (г. Уфа, 24-25 ноября 1998 г.) // Уфа: -1998.-С. 102

6. Хазанов И.О., Азаров Н.А., Советченко Б.Ф., Трущенко Е.А., Фомин Н.И. Структура и свойства соединений, полученных сваркой трением в условиях сверхпластичности стали Р6М5 // Сварочное производство. - 1996. - №7. -С.П-13

7. Трущенко Е.А., Корняков В.О., Олейников В.В. Металлография соединений, полученных сваркой трением в режиме сверхпластичности быстрорежущей стали / Тезисы докладов областной научно-практической конференции молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. (г.Томск, 1995 г.) //Томск: изд. ТПУ, - 1995. - С. 52-53

8. Трущенко Е.А Механизм образования блестящих полос скольжения при сварке трением легированных сталей / Тезисы докладов 2:00 областной научно-практической конференции молодежи и студентов (г. Томск, 1996 г.) // Томск: изд. ТПУ,-1996.-С. 67-68

9. Советченко Б.Ф., Азаров НА, Киселёв А.С., Трущенко Е.А. Машина для сварки трением в температурном интервале сверхпластичности / Новые материалы и технологии на рубеже веков: Сб. материалов, ч.2. Международной научно- технической конференции (г. Пенза, 2000г.). // Пенза. 2000. - С. 97-99

10. Трущенко Е.А., Хазанов И.О., Советченко Б.Ф., Азаров Н.А. Экспериментальное обеспечение исследований сварки трением в интервале сверхпластичности материалов / В кн. Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка 97»: Материалы Российской научно-технической конференции (г.Воронеж, 1997 г.)// Воронеж. 1997. - С. 190-191

11. Трущенко Е.А., Азаров НА, Хазанов И.О., Советченко Б.Ф., Киселёв А.С. Установка для исследования процессов, протекающих при сварке трением // В кн. Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: сборник научных трудов, - Томск: изд. ТПУ. -1997. - С. 133-135

12. Gnusov S.F., Trushchenko E.A., Sovetchenko B.F. Formation of structure, phase-composition and properties of bimetallic parts during friction welding // Book , of Abstracts of the International Workshop "Mesomechanices: Fundamentals and Applications" (MESO, 2003) and the VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT, 2003). August 18-23, 2003, Tomsk, Russia - P. 138-139

13. Гнюсов С.Ф., Трущенко Е.А Сварка трением стали Р6М5 в режиме сверхпластичности. 1.ч. Механизмы образования структурных несовершенств и пути их устранения // Сварочное производство. - 2003. - №12. - С. 26-30

14. Гнюсов С.Ф., Трущенко Е.А Сварка трением стали Р6М5 в режиме сверхпластичности. 1.ч. Механизмы образования структурных несовершенств и пути их устранения // Технология машиностроения. - 2003. - №4. - С. 20-24

15. Гнюсов С.Ф., Трущенко ЕА, Азаров НА, Советченко Б.Ф. Сварка трением стали Р6М5 в режиме сверхпластичности. И.ч. Разработка алгоритма сварки и определение пределов варьирования параметрами режима сварки // Сварочное производство. - 2004. - №4. - С. 48-52

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ 10 СВАРКИ ТРЕНИЕМ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК (литературный обзор)

1.1. Общие представления о биметаллическом инструменте

1.2. Технология изготовления режущего инструмента с использова- 14 нием сварки трением

1.3. Анализ качества и основные дефекты сварных биметалличе- 22 ских соединений

1.4. Пути повышения качества соединений при сварке трением

1.5. Сверхпластичность. Применение эффекта сверхпластичности в 35 инструментальном производстве

1.6. Постановка задач исследования

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА СВАРКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ 61 ПРЕДЕЛОВ ВАРЬИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРАМИ РЕЖИМА

3.1. Механизм образования дефекта типа "блестящих полос сколь- 61 жения" в процессе традиционной сварки трением

3.2. Выбор параметров, влияющих на качество сварного соедине- 71 ния, и возможность их контроля

3.3. Установка для исследования процессов, протекающих при 75 сварке трением

3.4. Исследование распределения температуры по сечению стыкуе- 87 мых поверхностей

Выводы

4. СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ 109 СВОЙСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (СТАЛЬ 45 - СТАЛЬ Р6М5), ПОЛУЧЕННЫХ ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУРЫ ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

4.1. Изменение структуры и фазового состава в околостыковой зоне 110 в ходе сварки трением

4.2. Структура, фазовый состав и механизм формирования 123 околостыковой зоны

Выводы

5. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 132 СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА, ПОЛУЧЕННЫХ ВБЛИЗИ ТЕМПЕРАТУР ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

5.1. Структура, фазовый состав и изменения микротвёрдости в 133 околостыковой зоне после сварки трением сталей перлитного класса

5.2. Результаты механических испытаний биметаллических образ- 143 цов

5.3. Практическое использование биметаллических изделий изго- 146 товленных из сталей перлитного и карбидного классов

5.4. Оценка ожидаемой экономической эффективности при замене 149 традиционной сварки трением на сварку с регулируемым нагревом вблизи температур фазового превращения

Выводы

Абсолютное большинство применяемых на практике конструкционных и инструментальных материалов имеют сложное строение. Каждый элемент структуры оказывает влияние на механические свойства материала, определяющие в конечном итоге металлоёмкость, показатели надёжности и долговечности изготовленных из них изделий. Поэтому обоснованное управление структурой металлических материалов имеет важное как научное, так и практическое значение. Это в полной мере относится и к биметаллическому режущему инструменту, основная часть которого изготавливается сваркой трением.

В настоящее время одним из основных инструментальных материалов является быстрорежущая сталь. Её доля составляет 68 %, 20 % приходится на твердые сплавы, 8 % - на углеродистую сталь, 4 % - на минералокерамиче-ские и сверхтвердые материалы [1,2]. На изготовление крупногабаритного режущего инструмента (метчиков, разверток, свёрл, зенкеров, фрез) диаметром 20.60 мм расходуется свыше 60% общего расхода быстрорежущей стали [3].

Режущий инструмент в настоящее время изготовляется по различным технологиям. Мелкоразмерный (диаметром до 8 мм) - производят цельным по ГОСТ 25751-83. При производстве средне- и крупноразмерного инструмента этот способ становится крайне невыгодным, из-за большого количества отходов быстрорежущей стали в стружку и на его хвостовую часть. Поэтому средне- и крупноразмерный режущий инструмент производят биметаллическим - составным из двух частей - режущей части из быстрорежущей стали, и хвостовой части из углеродистой стали 45 или стали 40Х.

Долговечность такого биметаллического инструмента в большой степени зависит от качества сварного стыка. Однако его обеспечение связано с большими трудностями, обусловленными сильными различиями в химическом составе конструкционной и быстрорежущей сталей и их физико-механическими свойствами. Это приводит к образованию в сварном соединении ряда дефектов, основными из которых являются "блестящие кольца" или "блестящие полосы скольжения" со стороны быстрорежущей стали, и ферритная прослойка со стороны конструкционной стали. Толщина этих дефектов в поперечном сечении сварного шва может изменяться от 1.2 до нескольких десятков и даже сотен микрон. "Блестящие кольца" в поперечном сечении могут выглядеть как в виде прямых, так и в виде волнистых линий, приближаясь или удаляясь от сварного стыка. Оба дефекта оказывают отрицательное влияние на свойства сварного соединения.

В последнее время в литературе обсуждается точка зрения, что избежать образования дефектов типа "блестящие кольца" можно за счет использования эффекта сверхпластичности быстрорежущей стали в процессе сварки трением. Данный эффект проявляется в условиях изотермического одноосного сжатия при температуре на 15.25°С ниже температуры АС| [4]. В работах [5-7] приводятся первые результаты исследований сварных стыков биметаллических заготовок, сваренных в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали. Анализ микроструктур сварного стыка показал, что в стали 45 под действием пластической деформации происходит измельчение зерна, сфероидезация пластинчатого цементита, доля карбидов в зоне стыка составляет 19 % и близка к исходной, "блестящих колец" не обнаруживается. Однако сварка в температурном интервале сверхпластичности требует строгого контроля температуры, её распределения, давления, качества поверхности и т.д. [4,8]. В противном случае наблюдается увеличение брака в сварных соединениях.

Исходя из сказанного, целью настоящей работы является повышение качества соединений сталей перлитного и карбидного классов за счёт обеспечения управления сваркой трением вблизи температур фазового превращения.

Научная новизна

1. На основе исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 в околостыковой зоне при традиционной сварке трением установлен механизм образования дефектов типа "блестящих полос скольжения". Это формирование карбидных строчек и их движение параллельно стыку за счёт пластического течения металла и его выдавливания в грат, раскатывание карбидных конгломератов в процессе сварки и их радиальных перемещений, диссоциация карбидов, диффузия углерода и легирующих элементов в более нагретые зоны сварки и выпадение их вновь.

2. На основе систематического исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 при сварке трением вблизи температуры фазового превращения быстрорежущей стали, детального анализа структуры, химического и фазового состава в околостыковой зоне, влияния термической обработки, разработан алгоритм сварки, включающий разделение процесса нагрева свариваемых заготовок на два этапа: предварительный и выравнивающий. Установлена необходимость снижения частоты вращения шпинделя машины до 70. 150 об/мин, увеличения давления нагрева до 150.200 МПа; длительности выравнивающего разогрева, находящейся в пределах 8. 10 с, при продолжительности пауз и импульсов давления нагрева 2.3 с.

3. Показано, что при сварке по предлагаемому технологическому режиму в околостыковой зоне формируется мелкозернистая композитная структура, с образованием вихревых структурных конгломератов. Данный переходный слой или "третье тело" шириной 1000. 1200 мкм способствует плавному переходу от исходной структуры стали 45 к структуре стали Р6М5. Отсутствие "блестящих полос скольжения" и закалочных структур обеспечивает высокое качество сварным соединениям.

Практическая значимость 1. Предложен алгоритм сварки трением с регулируемым нагревом вблизи температуры фазового превращения стали Р6М5, обеспечивающий надежное качество сварным стыкам биметаллического режущего инструмента. Выбрана и обоснована временная диаграмма изменения осевого давления для обеспечения равномерного нагрева по всей поверхности трения.

2. Создан исследовательский комплекс для сварки по предлагаемой технологии, путём модернизации пневматической схемы и привода сварочной машины МФ-327, изготовления блока управления и регистрирующей аппаратуры.

3. Разработанный алгоритм сварки не приводит к образованию "блестящих А полос скольжения" и закалочных структур в околостыковой зоне, что исключает операцию длительного отжига после сварки и формирующуюся феррит-ную прослойку в результате его проведения.

4. Разработанный алгоритм сварки применён для получения биметаллических свёрл и метчиков (сталь Р6М5 - сталь 45), пик отбойных молотков (сталь ШХ15 - сталь 50). Это позволило улучшить механические свойства сварных стыков режущего инструмента, производить перезаточку рабочей части и увеличить ресурс работы пики.

Автор выносит на защиту

1. Механизм формирования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при традиционной технологии сварки трением, обусловленный изменением исходной структуры быстрорежущей стали в околостыковой зоне.

2. Алгоритм сварки биметаллических заготовок вблизи температур фазового превращения сталей перлитного и карбидного классов, включающий три этапа: предварительный разогрев с постоянным давлением, выравнивающий нагрев с импульсным изменением давления и проковка. Я

3. Технологический режим сварки трением в близи температур фазового превращения, обеспечивающий равнопрочность сварного соединения.

4. Комплекс экспериментально полученных данных о фазовом составе и структуре околостыковой зоны биметаллических материалов сталь 45 Ф сталь Р6М5, сталь 50 - сталь ШХ15Ь реализующихся в процессе сварки трением и термической обработки.

Результаты представленные в диссертации, докладывались на:

• научных семинарах кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" Томского политехнического университета (19952003г.);

• 1— областной научно- практической конференции молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям (Томск, 1995г.);

• 2— областной научно- практической конференции молодежи и студентов "Современные техника и технологии" (Томск, 1996г.);

• 3— областной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1997г.);

• Российской научно- технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97»" (Воронеж, 1997г.);

• 4— областной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 1998г.);

• Всероссийской молодежной научно- технической конференции "Технология и оборудование современного машиностроения" (Уфа, 1998г.);

• Международной научно- технической конференции "Новые материалы и технологии на рубеже веков" (Пенза, 2000г.);

• At International Workshop "Mesomechanies: Fundamentals and Applications" (MESO, 2003) and the VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT, 2003). August 18-23, 2003, Tomsk, Russia.

Работа выполнялась в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники", в рамках хозяйственных договоров и научно-технического сотрудничества между кафедрой ОТСП ТПУ и ПП "Томский инструмент".

Выражаю глубокую признательность и благодарность своим коллегам и соавторам по научной работе доктору технических наук, профессору Хазано-ву И.О.; доцентам Азарову H.A., Киселёву A.C., Советченко Б.Ф. за плодотворное сотрудничество; научному руководителю, доктору технических наук, доценту Гнюсову С.Ф. за большую помощь в организации исследований, ф ценные обсуждения результатов в процессе их получения и при написании работы. k

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В соответствии с поставленной задачей в диссертации показано, что основным условием получения бездефектных сварных стыков биметаллических заготовок из стали Р6М5 и стали 45 является использование сварки трением с регулируемым нагревом вблизи температуры фазового превращения быстрорежущей стали. Разработан алгоритм сварки и обоснованы его основные параметры: частота вращения шпинделя машины 70. 150 об/мин, давление нагрева 150.200 МПа; длительность выравнивающего разогрева 8. 10 с, при продолжительности пауз и импульсов давления нагрева 2.3 с. Для обеспечения регулирования данных параметров создан исследовательский комплекс для сварки трением по предлагаемой технологии, путём модернизации пневматической схемы и привода сварочной машины МФ-327, позволяющий осуществлять заданный цикл сварки.

Проведённые в работе исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Экспериментально установлено, что основной причиной образования дефекта типа "блестящих полос скольжения" при сварке трением биметаллических заготовок являются следующие процессы, действующие одновременно:

• формирование карбидных строчек и их движение параллельно стыку за счет пластического течения металла и его выдавливания в грат;

• раскатывание карбидных конгломератов в процессе их радиальных перемещений;

• диссоциация карбидов, диффузия углерода и легирующих элементов в более нагретые зоны сварки и выпадения их вновь.

2. На основе комплексного исследования взаимодействия стали Р6М5 и стали 45 при сварке трением вблизи температуры фазового превращения быстрорежущей стали, детального анализа структуры, химического и фазового состава в околостыковой зоне, разработан алгоритм сварки, включающий этапы предварительного нагрева, выравнивающего нагрева и проковки соединения. Критерием для определения этапа выравнивающего разогрева наиболее целесообразно использовать скачкообразное изменение момента сил трения, что соответствует температуре 495. .500°С.

3. Предложенный алгоритм управления нагревом вблизи температур фазовых превращений позволяет затянуть процесс для обеспечения плавного подхода к температуре повышенной пластичности, обеспечить равномерное распределение температуры по поверхности трения свариваемых заготовок. Установлено, что толщина зоны перемешивания и интенсивной пластической деформации составляет 1000. 1200 мкм и представляет собой слоистый композиционный материал, матрица которого имеет дисперсную структуру. Фазовый состав переходной зоны состоит из а - твердого раствора на основе ОЦК железа, карбидов МС и М6С.

4. На основе анализа структуры и свойств сварных стыков сталь 20Н2М -сталь 20Н2М, сталь 50 - сталь ШХ15, сталь ШХ15 - сталь ШХ15, сталь 45 -сталь Р6М5 показано, что предложенный способ управления нагревом позволяет индивидуально подойти к формированию качественного сварного соединения сталей перлитного и карбидного классов, отличающихся содержанием углерода и легирующих элементов. Данный алгоритм сварки позволяет исключить образование дефектов типа "блестящих полос скольжения" и фер-ритной прослойки, формирующейся в процессе длительного отжига, и обеспечить сварному стыку равную прочность с основным объёмом материала.

5. Разработанный технологический процесс сварки трением вблизи температур фазовых превращений применен для получения биметаллического режущего инструмента сталь 45 - сталь Р6М5 и пик отбойных молотков сталь 50 - сталь ШХ15. Экономический эффект при производстве биметаллического режущего инструмента сталь 45 — сталь Р6М5 складывается из исключения операции длительного отжига заготовок и снижения процента брака и составит 91818 рублей на один типоразмер сверл (в ценах и объемах выпуска декабря 2003 г). В случае изготовления биметаллических пик сталь 50 — сталь ШХ15 экономический эффект будет складываться из увеличения стойкости рабочей части в десять раз по сравнению с пиками, изготовленными из стали 50.

1. Гвоздев А.Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. - М.: Машиностроение, 1992. - 176 с.

2. Базык A.C., Пустовгар A.C., Казаков М.В., Гвоздев А.Е. Влияние деформации в условиях сверхпластичности на структуру и свойства быстрорежущих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1981. -№3.-С. 21-25

3. Хазанов И.О., Фомин Н.И. Сварка трением в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали // Сварочное производство. 1989. - №3. - С. 4-5

4. Хазанов И.О., Фомин Н.И. Структура и свойства соединений сталей Р6М5 и стали 45, полученного сваркой трением // Металловедение и термическая обработка металлов. 1990. - № 6. - С. 59-61

5. Фомин Н.И. Исследование структуры и свойств соединения быстрорежущих сталей с конструкционными, полученного сваркой трением // Авто-реф. дис. канд. тех. наук. Новокузнецк, 1990. - 24 с.

6. Гуляев А.П. Сверхпластичность стали. М.: Металлургия, 1982. - 56 с.

7. Жигалко Н.И., Киселев B.B. Проектирование и производство режущих инструментов. Минск: Высшая школа, 1975. - 400 с.

8. Справочник инструментальщика / под ред. И.А.Ординарцева. JL: Машиностроение, 1987. - 846 с.

9. Филипов Г.В. Режущий инструмент. JL: Машиностроение, 1981. - 392с.

10. Гельман A.C. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. -312 с.

11. Христофоров А.И. Сварка трением заготовок режущего инструмента // Сварочное производство. 1965. - №5. - С. 32-33

12. Христофоров А.И., Нога H.A. Влияние параметров сварки трением на качество сварного соединения // Сварочное производство. 1966. - №3. - С. 30-32

13. Середин-Сабатин П.П. О прочности сварного соединения концевого режущего инструмента // Металловедение и термическая обработка металлов. -1985.-№11.-С. 36-37

14. Сварка трением. Справочник / В.К.Лебедев, И.А.Черненко, В.И.Вилль и др. Л.: Машиностроение, 1987. - 236 с.

15. Каракозов Э.С., Мустафаев Р.И., Мельникова Н.В. Современное состояние сварки трением (часть I) // Сварочное производство. 1989. - №8. - С. 2-5

16. Каракозов Э.С., Мустафаев Р.И., Мельникова Н.В. Современное состояние сварки трением (часть И) // Сварочное производство. 1989. - №9, - С. 1-4

17. Зяхор И.В. Особенности сварки трением разнородных металлов и сплавов (Обзор) // Автоматическая сварка. 2000. - №5. - С. 37-46

18. Вилль В.И. Мощность при сварке трением стальных стержней // Сварочное производство. 1959. - №10. - С. 12-15

19. Фомичев Н.И. Технология сварки трением новых быстрорежущих сталей // Сварочное производство. 1980. - №4. - С. 26-28

20. Вилль В.И. Сварка металлов трением. Л.: Машиностроение, 1959. - 87с.

21. Билль В.И. Сварка металлов трением. Л.: Машиностроение, 1970. -175с.

22. Егоров В.И., Иванайский В.В., Козлов А.Е., Ахмедзянов Р.К., Цветков В.В. Инерционная сварка трением быстрорежущих сталей с конструкционными // Сварочное производство. 1983. - №8, С. 11-13

23. Лебедев В.К., Безпрозванный И.А., Миргород Ю.А., Широковский P.M., Сахацкий Г.П., Иванов Л.И. Контактная стыковая сварка сопротивлением и инерционная сварка трением заготовок металлорежущего инструмента // Автоматическая сварка. 1988. - №8. - С. 39-43

24. Черненко И.А., Миргород Ю.А., Иванов Л.И. Инерционная сварка трением стали Р6М5 со сталью 45 // Автоматическая сварка. 1984. - №6. - С. 53-55

25. Вавилов А.Ф., Воинов В.П. Сварка трением. М.: Машиностроение, 1964.- 156 с.

26. Лебедев В.К., Миргород Ю.А., Гордонная A.A. Причины образования дефектов типа "блестящие кольца" при сварке трением // Автоматическая сварка. 1988. - №12. - С. 12-15

27. Вилль В.И., Попандапуло А.Н., Ткачевская Г.Д. Сварка трением быстрорежущей стали Р6Ф2К8М5 со сталью 45 // Сварочное производство. 1970. -№8. - С. 20-25

28. Вилль В.И., Попандапуло А.Н., Ткачевская Г.Д. Природа образования "блестящих колец" при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными // Электротехническая промышленность. Сер. Электросварка. -1970.-Вып. 1.-С. 40-42

29. Патент № 2103131 Россия, опубл. 27.01.98, Бюл. № 3 Способ сварки трением Хазанов И.О., Азаров H.A., Киселев A.C., Советченко Б.Ф.

30. Заксон Р.И., Вознесенский В.Д. Энергетические и тепловые параметры сварки трением // Сварочное производство. 1959. - №10. - С. 21-22

31. Фомичев Н.И., Имшенник К.П. Влияние промежуточного слоя, образующегося при сварке трением быстрорежущих сталей с конструкционными на прочность соединения // Сварочное производство. 1981. - №2. - С. 21-22

32. Технология сварки, пайки и контроля заготовок режущего инструмента. Руководящие материалы / Под ред. К.П. Имшенника. М.: НИИ информации по машиностроению, - 1976. - 108 с.

33. Добровидов А.Н., Кориков A.M., Евтюшкин Ю.А., Егоров В.И. Сварка трением и термическая обработка режущего инструмента // Томск: изд. ТГУ,- 1980.- 174 с.

34. Кориков A.M., Евтюшкин Ю.А., Егоров В.И. и др. О блестящих полосах скольжения в сварном соединении, полученном сваркой трением // Прочность, пластичность и контактное взаимодействие твердых тел. Томск: изд. ТГУ, 1976. - С. 22-24

35. Гаркунов Д.Н. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения. М.: Машиностроение, 1982. - 207 с.

36. Добровидов А.Н., Евтюшкин Ю.А., Егоров В.И., Кориков A.M., Чекас-ский А.И. Структура и свойства сварных заготовок инструмента из новых быстрорежущих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1976. - №11. - С. 22-26

37. Составной режущий инструмент / К.П. Имшенник, Ю.В.Коротков, И.Н.Иванов, Н.И.Фомичев; под ред. К.П. Имшенника. М.: Машиностроение, 1995.-208 с.

38. Cernenko I.A., Mirgorod J.A. Schwungradreibschweißen von Schnellar-beitsstählen mit Konstruktionstählen // Schweisstechnik. 1988. - №3. S. 120-123

39. Хазанов И.О Егоров Ю.П. Термомеханическая обработка сварного шва биметаллического инструмента // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. - №5. - С. 46-48

40. Советченко П.Б., Гнюсов С.Ф., Советченко Б.Ф. Структура сварного соединения биметаллического сверла после пластической деформации // Сварочное производство. 2002. - №11. - С.32-34

41. Советченко П.Б., Гнюсов С.Ф., Советченко Б.Ф. Оптимизация технологии изготовления сварных биметаллических сверл // Сварочное производство. 2003. - №3. - С. 42-45

42. Патент №2173624, Россия, опубл. 20.09.2001. Бюл. №26 Способ изготовления крупноразмерного биметаллического концевого режущего инструмента Советченко П.Б., Хазанов И.О., Советченко Б.Ф.

43. Белошапкин Г.В. Новые направления в технологии и конструкции машин для сварки трением / Сварка трением ресурсосберегающая технология: Сб. тез. докл. (г. Челябинск, 1989 г.) //Челябинск: 1989. С. 28-30

44. Бочвар A.A., Свидерская З.А. Сверхпластичность сплава Zn-22% Al // Изв. АН СССР ОНТ. 1945. № 9. - С. 821-824

45. Pearson С.Е. The viscous properties of extruded eutectic alloys of lead teen and bismuth-tin // Journ.Inst.of Metalls, 1934, №54. P. 111-123

46. Гуляев А.П., Сарманова JI.M. Технологическая пластичность быстрорежущих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1969. -№7. - С. 2-9

47. Дегтяренко Е.А., Хазанов И.О., Егоров Ю.П. О субкритической сверхпластичности быстрорежущей стали Р6М5 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1990. - №8. - С. 51-53

48. Кайбышев O.A. Научные основы, достижения и перспективы сверхпластической деформации. Уфа: Гилем. 2000. - 149 с.

49. Утяшев Ф.З. Локальное формообразование деталей в условиях сверхпластичности // Тр. Междунар. Научной конф. Современное состояние Теории и практики сверхпластичности материалов.- Уфа: Гилем.- 2001.- С. 75-82

50. Кайбышев O.A., Валиев Р.З., Кузнецова Р.И. Низкотемпературная сверхпластичность металлических материалов // ДАН СССР. 1988. - Т. 304. - № 4. - С. 864-866

51. Гвоздев А.Е., Афанаскин A.B., Гвоздев Е.А. Закономерности проявления сверхпластичности сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП // Металловедение и термическая обработка металлов.- 2002. №6. - С. 32-36

52. Доронин В.М., Виноградов Ю.В. Влияние состава и степени деформации на карбидную неоднородность быстрорежущей стали // Металловедение и термическая обработка металлов. 1967. - №7. - С. 12-17

53. Металловедение и термическая обработка стали / Справочник под ред. М.Л.Бернштейна, А.Г.Рахштадта. М.: Металлургия, 1983. - Т.2. - 368 с.

54. Грабский М.В. Структурная сверхпластичность. М.: Металлургия, 1975.-270 с.

55. Хазанов И.О. Термомеханическая обработка быстрорежущей стали и инструмента из нее // Дисс. доктора техн. наук. Томск: ТПИ, 1983. - 397 с.

56. Дегтяренко Е.А. Структурно- фазовые особенности проявления сверхпластичности в быстрорежущей стали // Дисс. канд. техн. наук. Томск: ТПИ, 1991.- 143 с.

57. Чернышова Т.А., Гвоздев А.Е., Базык A.C., Болотова Л.К. Влияние сверхпластической деформации на структуру быстрорежущих сталей разнойметаллургической природы // Металловедение и термическая обработка металлов. 1988.-№11. - С. 53-56

58. Суровцев А.П., Суханов В.Е. Сварка сталей с использованием сверхпластичности, проявляющейся в процессе осадки и прокатки // Автоматическая сварка. 1986. - №8. - С. 23-27

59. A.c. № 1512740, СССР, опубл. 7.10.89, Бюл. № 37 Способ сварки трением Хазанов И.О., Фомин Н.И.

60. Имшенник К.П., Крагельский И.В. О нагреве при сварке трением // Сварочной производство. 1973. - №10. - С. 44-46

61. Воинов В.П., Болдырев Р.Н., Муляков К.И. и др. Импульсная сварка трением сплава ЖС6-К и стали 40Г // Сварочное производство. 1976. - №3. -С. 28-30

62. Муха И.М. Твердые сплавы в мелкосерийном производстве. Киев: Наук. Думка, 1981.- 168 с.

63. Хазанов И.О., Фомин Н.И. Определение параметров режима сварки трением в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали // Сварочное производство. 1991. - №6, - С. 5-7

64. Хазанов И.О., Фомин Н.И. Устройство для управления процессом сварки трением в температурном интервале сверхпластичности быстрорежущей стали // Сварочное производство. 1993. - №2. - С. 21-22

65. Гнюсов С.Ф., Трущенко Е.А. Сварка трением стали Р6М5 в режиме сверхпластичности. I. Механизмы образования структурных несовершенств и пути их устранения // Технология машиностроения. 2003. - №4. - С. 20-24

66. Лахтин Ю.Н., Леонтьева В.П. Металловедение. М.: Машиностроение, 1990.-528 с.

67. Металловедение и термическая обработка стали // Справочник, изд. 2 — под ред. M.JI. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1983. - Т.2. -368 с.

68. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. - 527с.

69. Львов Н.С. Автоматизация контроля и регулирование сварочных процессов. М.: Машиностроение, 1973. - 127 с.

70. Лаборатория металлографии / Е.В. Панченко, Ю.А. Скаков, К.В.Попов, Б.И. Кример, П.П. Арсентьев, Я.Д. Хорин; под ред. Б.Г. Лившица. М.: Государственное научно- техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1957. - 695 с.

71. Дегтяренко Е.А. Выявление ферритного зерна в быстрорежущей стали // Заводская лаборатория. 1986. Т 52. - №11. - С. 57

72. Трущенко Е.А., Хазанов И.О., Советченко Б.Ф., Азаров Н.А. Экспериментальное обеспечение исследований сварки трением в интервале сверхпластичности материалов / Современные проблемы сварочной науки и техники

73. Сварка 97»: Материалы Российской науч. техн. конф. (г. Воронеж, 1997 г.) // Воронеж. 1997. С. 190-191

74. Трущенко Е.А. Механизм образования блестящих полос скольжения при сварке трением легированных сталей / Тез. докл. 2 — науч.практ. конф. молодежи и студентов, (г. Томск, 1996 г.) // Томск: изд. ТПУ, 1996. - С. 67-68

75. Гнюсов С.Ф., Кульков С.Н. Фазовые превращения в стали Г13 при добавлении карбида вольфрама // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - №8. -С. 61-63

76. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1975. - 248 с.

77. Бабич М.М. Неоднородность твердых сплавов по содержанию углерода и ее устранение. Киев: Наук. Думка, 1975. - 175 с.

78. Чернышева Т.А., Гвоздев А.Е., Базык A.C. Особенности разрушения быстрорежущих сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП при сверхпластическом деформировании // Порошковая металлургия. 1987. - №7. - С. 89-95

79. Гольдштейн М.И., Грачёв C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

80. Trepte M. Prozeßsteuerung beim Reibschweißen // Schweisstechnik. 1988. -№4.-S. 150-152

81. Trepte M. Schweißteilverkürzung beim Reibschweißen // Schweisstechnik. -1988.-№7.-S. 294-296

82. Рыкалин H.H., Пугин A.H., Васильева B.A. Нагрев и охлаждение стержней при стыковой сварке трением // Сварочное производство. 1959. - №10. -С. 15-18

83. Schuler V. Der Reibschweißprozeß // Schweisstechnik. 1988. - №8. - S. 350-352

84. Хазанов И.О., Азаров H.A., Советченко Б.Ф., Трущенко Е.А., Фомин Н.И. Структура и свойства соединений, полученных сваркой трением в условиях сверхпластичности стали Р6М5 // Сварочное производство. 1996. - №7. -С. 11-13

85. Петров Б.А., Строкатов Р.Д., Суховаров В.Ф. Механические свойства хром-никель-алюминиевого сплава с микродуплексной структурой // ФММ. -1985. Т.59. №1. - С. 202-205

86. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1967.-403 с.

87. Бернштейн M.JL, Займовский В.А., Капуткина J1.M. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

88. Григорьев А.К., Коджаспиров Г.Е. Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве. Д.: 1985. - 143 с.

89. Kodjaspirov G., Kim I. Thermomechanical processing of steels // St. Petersburg,- 1998. S. 228

90. Кайбышев O.A. Сверхпластичность промышленных сплавов. M.: Металлургия, 1984. - 286 с.

91. Кайбышев O.A., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. М.: Наука, 2002. - 438 с.

92. Пресняков A.A. Сверхпластичность металлов и сплавов. Алма-Ата: Наука, 1969. - 203 с.

93. Backofen W.A., Turner I.R., Avery D.H. Superplasticity in an Al-Zn Alloy // Trans. ASM. 1964. - V.57. - P. 980-990

94. Morrison W. // Trans. Met. Soc. AIME. 1968. - V. 242. - P. 2221

95. Кайбышев O.A. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975. 280 с.

96. Edington J.W., Melton K.L., Cutler C.P. // Progr. Mat. Sci. 1976. - V.21. -№2. -P. 61-158

97. Шоршоров M.X., Тихонов A.C., Булат С.И., Гурков К.П., Надирашвили Н.И., Антипов В.И. Сверхпластичность металлических материалов. М.: Наука, 1973.-217 с.

98. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. - 168 с.

99. Langdon T.G. Mechanism of Superplastic Flow // Superplasticity: 60 Years after Pearson / Ed. by N. Ridley. The Institute of Materials, London, England, -1995.-P. 9-24

100. Mukherjee A.K. Superplasticity in Metals, Ceramic and Intermetallic // Plastic Deformation and fracture of Materials / Ed. by Maghrabi H. Materials Science and Technology. V.6. VCR Verlagsgesellschaft mbH, Germany 1993

101. Padmanabhan K.A., Davies J.J. Superplasticity. Berlin: Springer Verlag. -1980.-314 s.

102. Смирнов O.M. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. - 184 с.

103. Sherby O.D., Wadworth J. Superplasticity. Resent-Advances and Futue Directions // Progr. In Mat. Sci / Ed. by F. Neely. V.33 (Plenum, New-York 1989). -P. 169-221

104. Тихонов A.C., Осипов В.Г., Булат С.И. Деформируемость металлов и сплавов. М.: Наука, 1971. - 132 с.

105. ИЗ. Смирнов О.М. Особенности сверхпластической деформации железоуглеродистых сплавов // Известия вузов. Черная металлургия. 2003. -№5.-С. 36-41

106. Трущенко Е.А. Сварка штанг глубинных насосов / Современная техника и технологии. Труды 3 — областной науч. практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, (г. Томск, 1997 г.). // Томск: изд. ТПУ, 1997. - С. 118

107. Трущенко Е.А., Николаев A.B. Биметаллические пики отбойных молотков / Тез. докл. 2 ~ областная науч. практ. конф. молодежи и студентов, (г. Томск, 1996 г.) // Томск: изд. ТПУ, 1996. - С. 67

108. Хазанов И.О., Советченко Б.Ф., Азаров H.A., Трущенко Е.А. Структуро-образование соединений из сталей перлитного класса при сварке трением в интервале сверхпластичности // Сварочное производство. 1998. - №11. - С. 12-15

109. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

110. Rigney D.A. Transfer, mixing and associated chemical and mechanical processed during the sliding of duchile materials // Wear. 2000. - 245 p.