ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ ПРИПЕКАНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ

АННОТАЦИЯ

В статье описана методика определения остаточных напряжений, возникающих в зоне соединения при упрочнении рабочих поверхностей композиционными порошками способом электроконтактного припекания. Вычисленные расчетные значения остаточных напряжений уточняются результатами экспериментов. На основе экспериментов установлено, что путем последующей поверхностной пластической деформации и применением сопутствующего охлаждения водным раствором полимера можно существенно снизить величину остаточных напряжений.

ABSTRACT

The article describes a technique for determining the residual stresses arising in the joint zone during the strengthening of working surfaces with composite powders by the method of electric contact sintering. The calculated calculated values of residual stresses are refined by the results of experiments. On the basis of experiments, it was found that by subsequent surface plastic deformation and the use of concomitant cooling with an aqueous polymer solution, the value of residual stresses can be significantly reduced.

Ключевые слова: остаточные напряжения, электроконтактное припекание, композиционные порошки.

Keywords: residual stresses, electrical contact firing, composite powders.

Введение. Важной характеристикой покрытия и зоны соединения при восстановленнии деталей являются остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут появится в результате механической обработки, термического воздействия на деталь в процессе изготовления, при восстановлении и финишной обработке. Для остаточных напряжений рассматривают протяженность силового поля и их физическую сущность. В зависимости от характера и интенсивности физико-механических процессов, сопутствующих обработке детали, остаточные напряжения могут быть напряжения растяжения и напряжения сжатия. Для определения остаточных напряжений используются механические способы, основанные на измерении перемещений, деформаций образца или детали при удалении слоев, рентгеновские методы, метод измерения омического сопротивления или магнитной проницаемости, ультразвуковые и другие методы[1,2].

Состояние вопроса. Анализ величин износа поверхностей соприкасающихся поверхностей показывает, что при износе в пределах 0.1-2.0 мм порядка 80% деталей теряют свои функциональные значения и выбраковываются или восстанавливаются.

Для восстановления размеров применяются различные способы сварки и наплавки, напыления. Наиболее экономичным и производительным среде способов восстановления является электроконтактное припекание (ЭКП), позволяющий нанесение тонких слоев композиционных порошков при сохранении их технологических свойств. Электроконтактное припекание является одним из видов сварки давлением. Электроконтактное припекание происходит при одновременном воздействии температуры и давления и соответственно в зоне соединения могут присутствовать и напряжения сжатия и напряжения растяжения. Статическая прочность в условиях хрупкого разрушения, сопротивление усталости восстановленных или упрочненных деталей в значительной степени зависят от величины и направления остаточных напряжений. Сжимающие остаточные напряжения, возникающие в упрочненном слое покрытия, повышают характеристики сопротивления усталости деталей. Это связано с тем, что рабочие напряжения являются растягивающими, и сжимающие напряжения уменьшают величину рабочих напряжений. В случае растягивающих напряжений в упрочненном слое цикл смещается в область растягивающих средних напряжений, при которых уменьшается предельная амплитуда цикла напряжений детали.

Исследования, проведенные в работе [3], позволяют принимать за исходное состояние, свободное от напряжений в биметаллических соединениях   температуру   Т=923-1200°К. На основании этого можно сделать вывод, что температуры, наблюдаемые в процессе ЭКП и составляющие 1125÷1273°К и меньше, не могут вызвать на поверхности покрытия остаточные напряжения. Вероятно, остаточные напряжения возникают в процессе охлаждения от температуры процесса за счет разности коэффициентов термического расширения металла подложки и покрытия.

Остаточные напряжения на поверхности покрытия определяли на основе уравнений о температурных напряжениях  .

                       (1)

                       (2)

где, 

,  - радиусы с покрытием и без него соответственно, м;

 – радиус в рассматриваемой точке, м;

 – коэффициенты термического расширения материала покрытия и подложки соответственно, 1/°С;

 – приведенный модуль упругости, Н/м²;

T – температура начала образования остаточных напряжений, °К;

 – температура полного охлаждения, °К;

Самофлюсующиеся сплавы, применяемые для упрочняющих покрытий имеют низкие упругопластические свойства и в них отсутствуют фазовые превращения, максимальные остаточные напряжения на поверхности покрытия образуются еще до полного охлаждения металла соединения. Учитывая скорость охлаждения зоны соединения, структурными остаточными напряжениями можно пренебречь.

Эксперимент. Проведенные эксперименты и их результаты показали, что остаточные напряжения имеют наибольшее значение вблизи поверхности и непрерывно убывают в сторону оси симметрии для цилиндрических деталей, для плоских деталей -по толщине металла. Остаточные напряжения при восстановлении или упрочнении цилиндрических деталей способом ЭКП связаны с неоднородной пластической деформацией, механическими и тепловым воздействием процесса, металлофизическими изменениями покрытия и подложки, связанные увеличением температуры в зоне соединения.

При восстановлении или упрочнении деталей ЭКП самофлюсующимися сплавами ПГ-СР1, ПГ-СР4 и другими, остаточные напряжения в зоне соединения возникают в основном из-за неравномерности распределения температуры по сечению детали при охлаждении и из-за аномальных диффузионных процессов, связывающих в жесткую систему покрытие-подложка.

Тангенциальные растягивающие напряжения возникают из-за различия коэффициентов термического расширения покрытия и подложки. Покрытие сжимает подложку, а само растягивается. Радиальные остаточные напряжения – сжимающие, однако из-за незначительной величины они не оказывают существенного влияния при упрочнении.

Величина тангенциальных растягивающих напряжений увеличиваются по мере возрастания толщины покрытия. Это подтверждается результатами экспериментов с покрытиями, предварительно нанесенных плазменным напылением,  где толщина покрытий превышало 2-2.5 мм. При увеличении толщины покрытия появлялись трещины из-за достаточно высоких значений остаточных тангенциальных растягивающих напряжений, вплоть до самопроизвольного отслоения покрытия, рисунок 1.

Рисунок 1. Самоотслоение предварительно нанесенного  плазменным напылением порошкового покрытия

ЭКП является одним из эффективных способ упрочнения термомеханическим воздействием. Охлаждение и деформирование аустенита, при ТМО закаливающихся сталей предложенный М.Х.Шоршоровым, оказывает существенное влияние на формирование тонкой структуры и повышает вязкость разрушения стали за счет полигонизации аустенита. Целью данной серии расчетно-экспериментальных работ являлась исследование влияния роли температурного поля зоны пластической деформации в процессе ЭКП, как один из основных факторов, влияющего на остаточные напряжения.

Для экспериментов были использованы втулки, изготовленные из стали 45. В качестве материала покрытия использовался порошок ПГ-С1. Покрытия предварительно наносили плазменным напылением. Образец, подготовленный для измерения и исследования остаточных напряжений показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Образец для исследования остаточных напряжений

Для определения остаточных напряжений при ЭКП пользовались методом пенетрации, разработанный в ЧИМЭСХ [4]. Метод основан на внедрение стального шарика и конического индентора и на упругопластическом  взаимодействии   нанесенного покрытия и подложки. Сравнение результатов расчетного метода определения остаточных напряжений и экспериментальных замеров показали, что разность составляет 8-12% в зависимости от режимов припекания.

Рисунок 3. Зависимость остаточных напряжений от толщины покрытия после поверхностной пластической деформации

Измерение предела текучести для металла подложки производилось  вдавливанием шарового индентора диаметром 10 мм, при нагрузке 1471,3 Н, для покрытия-  вдавливанием конического индентора с углом при вершине 120°. Для получения среднего показателя величины остаточных напряжений по длине образца измерения проводились в разных сечениях зоны соединения[5].

Припекание порошковых материалов сопровождается образованием на поверхности покрытия и в зоне соединения окружных и осевых растягивающих остаточные напряжений. Остаточные напряжения в покрытиях с использованием порошка ПГ-С1 достигают значений 0.85 предела текучести самого порошка. Поверхность покрытия имеет напряжения сжатия, с увеличением глубины воздействия напряжения. Повторное поверхностная пластическая деформация при пониженных значениях усилия прижатия и величины тока позволяют снизить остаточные напряжения в пределах 60-70%.

Образование остаточных напряжений связано с температурным полем процесса ЭКП и размерами, свойствами упрочняемой детали. Остаточные напряжения появляются в момент охлаждения зоны соединения. В начальный момент процесса образования зоны соединения распределение температурного поля неравномерно. Связано это электрическим сопротивлением между частицами порошка и переходного сопротивления зоны контакта покрытия и поверхности подложки. Учитывая, что толщина покрытия несравненно мала по отношению к размеру упрочняемой детали, можно принимать допущение о равенстве температуры по всему объему покрытия в зоне соединения.

Для металла подложки температурное поле зависит от её размеров в радиальном направлениях, следовательно, можно считать, что возникающие остаточные напряжения объёмные. Технологические характеристики процесса ЭКП- короткое время воздействия высокой скорости тепловложения, большая скорость охлаждения с применением раствора полимера и соответственно большой градиент температуры зоны соединения, дают основания считать, что в зоне соединения образуются окружные и осевые напряжения. Учитывая характер протекания процесса, электроконтактное припекание можно рассматривать как жесткое соединение с деталью, где происходит ограничение движение деформации и увеличение внутренних остаточных деформаций.

Известно, что что процесс ЭКП сопровождается последовательным наложением точек приварки покрытия. При этом появляются растягивающие и осевые напряжения, где значение осевых напряжений могут иметь значения близкие к пределу текучести материала покрытия, а значение растягивающих напряжений незначительны. Наложение последующих точек производится с перекрытием предыдущей точки как по ширине, так и по длине. Перекрытие предыдущей приваренной точки может привести к возрастанию осевых и окружных остаточных напряжений. Последующая поверхностная пластическая деформация способствует уменьшению величины  осевых  и окружных остаточных напряжений, рисунок 4.

Рисунок 4. Зона соединения после поверхностной пластической деформации