ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

БАКЛАНСЬКИЙ ВАЛЕНТИН МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.9.02

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ І ОБЛАДНАННЯ ЗВАРЮВАННЯ СТИСНЕННЯМ У ВАКУУМІ АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНИХ

ПЛАСТИН І КІБОРІТУ

Спеціальність: 05.03.06. Зварювання і споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь – 2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Роянов Вґячеслав Олександрович,

Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедрою “Обладнання і технологія зварювального виробництва”.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Чигарьов Валерій Васильович

Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедрою “Металургія і технологія зварювального виробництва”

– кандидат технічних наук, доцент кафедри зварювального виробництва Кассов Валерій Дмитрович, Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ).

Провідне підприємство:

Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться 20.10.2006 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, вул. Університетська, 7, м. Маріуполь, Донецької області, Україна.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 05.09. 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У розвитку вітчизняного машинобудування основною тенденцією науково-технічного прогресу є технологічне вдосконалення виробництва машин та їх технічне переозброєння. Зростає кількість оброблюваних різальним інструментом деталей, у зв'язку із чим високу актуальність і значення набуває розробка високоефективного швидкорізального інструмента, оснащеного полікристалічними надтвердими матеріалами (ПНТМ) з метою підвищення продуктивності і якості його виготовлення.

Актуальність теми. Недостатня міцність кріплення ПНТМ до державки у корпусі інструмента методом пайки, токсичність при його проведенні, використання дефіцитних срібновміщаючих припоїв (ПСр-72, ПСр-45, ПСр-40), багатоопераційність і інші фактори стримують серійне, а тим більше масове виробництво лезійного та бурового інструмента. Одним з нових способів з'єднання ПНТМ є застосування технології дифузійного зварювання стисненням у вакуумі. Перевагами цього способу є: відсутність розплавлення та пов'язаного з ним утворення структурної, хімічної й фізичної неоднорідності в зоні з'єднання; можливість збереження вихідних властивостей матеріалів, проведення зварювання з високою точністю, відсутність необхідності застосування флюсів, електродів, припоїв; висока екологічна чистота процесу зварювання. Однак питання дифузійного зварювання надтвердих матеріалів, зокрема кіборіту, залишаються невирішеними. Тому актуальним є подальше вдосконалювання процесу дифузійного зварювання стисненням у вакуумі.

Справжня робота спрямована на розробку технології зварювання надтвердих матеріалів зі сталевою підкладкою і твердим сплавом ВК (вольфрамокобальтовий) для одержання різального інструменту, розробку модулів термомеханічного стиснення (МТМС) для підвищення продуктивності й забезпечення високої якості різального інструменту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладені результати науково-дослідних робіт, у яких автор брав безпосередню участь: держ. рег. № 01.8.90067024 “Розробка й удосконалювання в дослідно-промислових умовах технології дифузійного з'єднання елементів різального інструменту з надтвердих матеріалів у вакуумі при температурах до 700 С, держ. рег. № 01.9.00037476 “Розробка технології термодифузійного закріплення АТП на вставках для токарських прохідних різців”, держ. рег. № 0193U041649 “Розробка хімічних складів покриттів, що активують, і методів їхнього нанесення для одержання нероз'ємного з'єднання у вакуумі полікристалічних надтвердих матеріалів зі сталями й твердими сплавами при виробництві різального інструменту”.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка способу, обладнання й технології для дифузійного зварювання стисненням у вакуумі алмазно-твердосплавних пластин (АТП) і бипластин кіборіту (БПК) до сталевих та вольфрамокобальтовим підкладкам з метою забезпечення міцного зварного з'єднання за рахунок установлених оптимальних термомеханічних параметрів зварювання, що дозволяє зберегти вихідні експлуатаційні характеристики ріжучого надтвердого матеріалу.

Задачі дослідження:

- розробка установки й конструкції МТМС, розрахунок технологічних параметрів процесу зварювання стисненням у вакуумі;

- дослідження основних параметрів процесу зварювання й розробка методу напилювання у вакуумі хімічних елементів ( адгезійно-активних і інактівних) для випадку зварювання кубічного нітриду бору;

- дослідження міцності і якості зони зварного з'єднання ПНТМ зі сталлю та твердим сплавом;

- виготовлення різального інструменту і проведення випробувань у виробничих умовах.

Об'єкт дослідження – технологія зварювання стисненням при температурах до 0,5Тпл матеріалів, що зварюються, зокрема АТП, БПК і кіборіту до сталевим і твердосплавним підкладкам. Конструювання напівпромислової установки й модуля термомеханічного стиску для проведення процесу дифузійного зварювання у вакуумі.

Предмет дослідження – процес утворення міцного безперервного з'єднання в результаті пластичної течії сталевої підкладки і дифузійних процесів, що протікають у зоні з'єднання, структура й міцність з'єднання.

Методи дослідження – металографічні: макро- і мікроаналіз структури; механічних властивостей: визначення міцності при розтяганні на зріз із застосуванням спеціального пристосування; математичне моделювання; статистична обробка даних з використанням комп'ютерних програмних пакетів MathCAD 2000 Professional і Excel 2003.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На підставі проведених досліджень установлена можливість дифузійного зварювання ПНТМ зі сталевою підкладкою (сталі 40, 40Х, 35ХГСА) для швидкорізального інструмента та визначені оптимальні технологічні параметри (температура, ступінь вакууму, зусилля стиску, час ізотермічної витримки), що забезпечують високу міцність і якість зварного з'єднання.

2. Для ПНТМ розроблена математична модель, що дозволяє встановити оптимальні параметри технологічного процесу дифузійного зварювання стисненням, які забезпечують максимальну міцність їхнього з'єднання. Результати розрахунків підтверджені промисловим випробуванням.

3. Розроблено нову конструкцію МТМС, що забезпечує високу продуктивність і якість з'єднання ріжучих елементів зі сталевою й твердосплавною основами. Запропоновано та випробуване удосконалений технологічний процес дифузійного зварювання у вакуумі.

Практичне значення отриманих результатів.

За результатами проведених досліджень розроблено: технологія дифузійного зварювання стисненням АТП і БПК, що мають підкладку зі сплавів ВК8...ВК15 зі сталлю 40, 40Х и 35ХГСА й зварювання кіборіту з покриттям (Ti-Al)+( Fe-Ni) і ( Al-Si)+( Fe-Ni) із цими ж марками сталей. Розроблено, розраховані й виготовлені модулі термомеханічного стиску для проведення зварювання. Розроблена технологія характеризується високою екологічною чистотою, не вимагає використання дефіцитних і дорогих срібновміщаючих припоїв і забезпечує задовільну міцність з'єднання кіборіту до 207 МПа та високу міцність з'єднання БПК і АТП до 500 МПа.

Створено комплекс обладнання та приладів, що дозволяє виготовляти дрібносерійні партії різального інструменту для потреб промисловості України. Проведено випробування різального інструменту в ОВО заводу технологічного обладнання (м. Маріуполь), ІНМ АН України (м. Київ), БЗПМ (м. Бровари), НВО “Азовмаш” (м. Маріуполь). Отримано позитивні результати, підтверджені відповідними актами.

Очікуваний економічний ефект - 483200 грн.

Особистий внесок здобувача.

Автор сформулював мету й розробив програму досліджень. Експериментальні роботи зі зварювання стисненням у вакуумі ПНТМ проводилися при його особистій участі.

Дослідження впливу основних параметрів дифузійного зварювання стисненням елементів, що з'єднуються, АТП і БПК зі сталлю 40, 40Х, 35ХГСА та твердим сплавом ВК6...ВК15 на міцність зварного з'єднання й зварювання кіборіту із цими ж марками сталі проводилися при особистій участі автора. Виконано розрахунок основних параметрів технологічного процесу для інтервалу температур і тисків, раніше не досліджених іншими авторами.

Автор брав участь у розробці та реалізації рекомендацій з вибору технологічних вимог до зварюваних матеріалів і оптимізації режимів зварювання для конкретних пар різнорідних сплавів і металів. У всіх дослідницьких роботах його участь була визначальною.

Наукові й практичні результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, отримані автором самостійно або в співавторстві відповідно до публікацій, наведеними в авторефераті.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на II Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні наукові досягнення”, 20-28 лютого 2006 р. Т.14. Технічні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006. Міжнародної науково-технічної конференції “Розвиток наукових досліджень 2005”, 7-9 листопада 2005 р. Т.8. - Полтава: Інтер Графіка, 2005. ХII регіональної науково-технічної конференції “Університет місту”, присвяченої 75-річчу університету, квітень 2005. - Маріуполь: ПДТУ. VII регіональної науково-технічної конференції, присвяченої 70-річчу університету, квітень 2000. - Маріуполь: ПДТУ. II міжнародної науково-практичної конференції. “Теорія й практика рішень екологічних проблем у гірничодобувній і металургійній промисловості”, 28-25 листопада 1995. - Дніпропетровськ: ДМетІ, 1995. III регіональної науково-технічної конференції, квітень 1995 р. Т.1 - “Металургія”. - Маріуполь: МО України, ММІ.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 5 статтях наукових журналів і представлені в 12 тезах наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із введення, 5 розділів, виводів, списку використаних джерел з 116 найменувань, 2 додатків і містить 151 сторінку машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У загальній характеристиці роботи обґрунтована актуальність теми, її наукова новизна, дана характеристика сучасного стану проблеми, сформульовані мети досліджень, основні положення, які виносяться на захист, наведені дані про практичну значимість роботи, кількості публікацій і структурі дисертаційної роботи.

У першому розділі виконано аналіз опублікованих робіт, що дозволяє виділити основні контрольовані технологічні параметри дифузійного зварювання стисненням у вакуумі. Проаналізовано їхні достоїнства та недоліки. Зроблені виводи про можливість одержання якісного міцного з'єднання АТП і БПК зі сталлю та твердим сплавом методом дифузійного зварювання стисненням у вакуумі.

У другому розділі для раніше не досліджених основних параметрів дифузійного зварювання стисненням наведені теоретичні розрахунки.

Результати обчислень показали, що для зразків діаметром 8 мм (БПК) і 13,5 мм (АТП), приварених до сталі марки 40Х (границя текучості 127 МПа при 700 С), мінімальне зусилля стиску становить відповідно 6,4 і 18,2 кН при шорсткості поверхні зразків Rz = 510–6 м, що зварюються.

Розрахунок часу утворення щільного контакту між поверхнями, що зварюються, показав, що час його формування в інтервалі температур 500...650 С и тисків 42...262 МПа при шорсткості поверхні 5 мкм становить відповідно 15,04...4,56 мкс.

Час активації технологічного процесу для досліджуваних матеріалів в інтервалі температур 600...900 С и діапазоні тисків 100...800 МПа змінюється від 1 до 4 годин і підтверджується експериментальними даними їхніх механічних випробувань із урахуванням мікрозондового аналізу зони з'єднання на мікроскопі Can Scan 4DV.

Обчислені величини коефіцієнтів гетеродифузії при температурах 600…900 С для основних хімічних елементів сталевих і твердосплавних зразків дуже малі й становлять порядку 10–15…10–16 см2/с.

Розподіл концентрації хімічних елементів по поздовжньому перетині зварених зразків на відстані 1...8 мкм від осі з'єднання (твердий сплав ВК15 + сталь 40Х) при температурі 600 С у залежності від тривалості технологічного процесу (1,11...4,44 години) становить, наприклад для Fe, відповідно 16,08...3,16 %.

Для нанесення адгезійно-активного покриття методом осадження з газової фази шляхом термічного випару різних хімічних елементів використовувалася промислова вакуумна піч типу СШВЛ. Тиск залишкових газів у робочій камері 1,3310–2 Па.

Теоретичні величини товщини покриття: для алюмінію - 0,0117 мм, титану - 0,007 мм, нікелю 0,004 мм, кремнію 0,014 мм, заліза 0,004 мм.

У третьому розділі наведені характеристики розробленої конструкції лабораторної установки для проведення зварювання стисненням у вакуумі порядку 1,3310–2 Па з максимальним зусиллям стиску до 30 кН і результати випробувань зварених зразків на зріз (табл. 1).

Таблиця 1

Результати механічних випробувань міцності на зріз дифузійних з'єднань ТД 8 мм з підкладками зі сталі 40Х и 35ХГСА, при різних удільних тисках стисненням й температурі 700 С

Удільний тиск, МПа | Підкладка зі сталі 40Х | Підкладка зі сталі 35ХГСА

Зусилля на зріз*, Н | Середня межа міцності, МПа | Зусилля на зріз*, Н | Середня межа міцності, МПа

мін. зн. | макс. зн. | мін. зн. | макс. зн.

50 | 0 | 605 | 6 | 0 | 0 | 0

60 | 505 | 705 | 12 | 405 | 455 | 8,5

80 | 1510 | 2415 | 39 | 755 | 1260 | 25,0

100 | 3115 | 3570 | 66,5 | 2615 | 2920 | 55,0

120 | 4925 | 5440 | 103,0 | 3525 | 4075 | 75,5

140 | 5140 | 6240 | 113,0 | 4525 | 5340 | 94,0

160 | 4730 | 6740 | 114,0 | 4625 | 5140 | 97,0

180 | 4830 | 6900 | 116,5 | 4625 | 5300 | 98,5

* - мінімальне й максимальне значення зусилля на зріз узяті за результатами (тут і в таблицях 2-4) 57 випробувань

Візуальний контроль сталевих підкладок після випробувань на зріз показав, що при удільних тисках стисненням до 140 МПа на їхніх контактних поверхнях виділяються ділянки у вигляді безперервної або переривчастої світлої облямівки по краях зразка шириною від 0,5 до 1,5 мм, на яких контакт з підкладкою був відсутній або був дуже слабкий (мал.1), що підтверджує необхідність ретельної підготовки зразків по показниках площинності та паралельності поверхонь, що зварюються.

Рис. 1. Вид поверхні твердосплавних пластин ВК15 після проведення механічних випробувань на зріз

Для визначення оптимальної тривалості ізотермічної витримки при зварюванні була проведена друга серія експериментів, результати яких показані в табл. 2.

Таблиця 2

Результати механічних випробувань зразків на зріз зварених з'єднань ТД 8 мм із підкладками зі сталі 40Х и 35ХГСА, отриманих при різному часі зварювання та постійній температурі 700 С

Витримка, година | Підкладка зі сталі 40Х | Підкладка зі сталі 35ХГСА

Зусилля на зріз*, Н | Середня межа міцності, МПа | Зусилля на зріз*, Н | Середня межа міцності, МПа

мін. значення | макс. значення | мін. значення | макс. значення

1 | 1105 | 1910 | 40 | 555 | 1255 | 17,5

1,5 | 2813 | 3770 | 65,5 | 1455 | 3065 | 45,0

2 | 4925 | 5440 | 113,0 | 4525 | 5340 | 94,0

2,5 | 8175 | 8900 | 170,0 | 6140 | 7440 | 135,0

3 | 11300 | 13820 | 250,0 | 10800 | 12060 | 227,5

3,5 | 13220 | 13820 | 269,0 | 13480 | 14680 | 280,0

4 | 14030 | 15340 | 292,0 | 14080 | 15600 | 295,0

4,5 | 15050 | 15400 | 302,0 | 15290 | 15980 | 311,0

5 | 14850 | 15840 | 305,0 | 14870 | 16070 | 308,0

Із представлених у табл.2 даних випливає, що зі збільшенням ізотермічної витримки від 1 до 5 годин міцність зварного з'єднання сталі 40Х с твердим сплавом ВК6 збільшується від 40 до 305 МПа відповідно; збільшення ізотермічної витримки понад 4 годин слабко впливає на міцність зварного з'єднання незалежно від матеріалу підкладки.

Метою експерименту третьої серії (табл.3) було знаходження величини вакууму, оптимального для одержання якісного зварного з'єднання зразків з низьколегованої сталі при температурах 700 С, беручи до уваги відсутність зазначеної інформації.

Таблиця 3

Результати механічних випробувань міцності зразків на зріз дифузійних з'єднань ТД 8 мм з підкладками зі сталі 40Х и 35ХГСА, отриманих при різних значеннях вакууму й постійній температурі 700 С

Величина вакууму, Па | Підкладка зі сталі 40Х | Підкладка зі сталі 35ХГСА

Зусилля на зріз*, Н | Середня межа міцності, МПа | Зусилля на зріз*, Н | Середня межа міцності, МПа

мін. значення | макс. значення | мін. значення | макс. значення

133 | 3540 | 5430 | 89 | 1005 | 2550 | 35

13,3 | 5730 | 11220 | 181 | 5230 | 6640 | 118

1,33 | 14030 | 15340 | 292 | 14080 | 15600 | 295

1,3310–1 | 13580 | 17600 | 310 | 16590 | 17400 | 338

1,3310–2 | 16000 | 16700 | 325 | 17100 | 17700 | 346

За даними таблиці 3 випливає, що збільшення ступеня вакууму робить більше сильний вплив на міцність зварного з'єднання твердого сплаву ВК6 зі сталлю 35ХГСА, що володіє більше високою газонасиченістю, чим сталь 40Х, і тому для її дегазації необхідний більш високий вакуум. При цьому вакуум нижче 1,3310–2 Па не забезпечує достатньої міцності з'єднання ВК6 з підкладкою зі сталі 35ХГСА, очевидно, через утворення оксидної плівки на сталевій підкладки й поганій дегазації границі розділу зварного з'єднання.

Для встановлення нижньої температурної границі дифузійного зварювання була проведена четверта серія експериментів, у якій використовувалися підкладки зі сталі 40Х. З огляду на зменшення ступеня дифузійних процесів зі зниженням температури, тривалість зварювання збільшили до 5 годин. Результати досліджень цієї серії представлені в таблиці 4.

Таблиця 4

Результати механічних випробувань міцності на зріз зварних з'єднань зразків сплаву ВК6 з підкладками зі сталі 40Х, отриманих при різних температурах у вакуумі 1,3310–2 Па при зусиллі стиску 140 МПа й часу ізотермічної витримки 5 годин

Температура нагрівання при зварюванні, С | Зусилля зрізу*, Н | Середня міцність на зріз, МПа

675 | 14900…15800 | 304

650 | 14200…15600 | 296

625 | 8140…10970 | 190

600 | 1160…3370 | 45

Результати досліджень свідчать про можливість одержання досить міцного з'єднання при температурі 650 С. Нижче цієї температури необхідне збільшення удільного тиску стисненням до величини границі текучості сталі та збільшення часу ізотермічної витримки.

Для перевірки ефективності застосування нікелевих прокладок при дифузійному зварюванні різнорідних сплавів при температурах до 700 С проведені експерименти на сплаві ВК6 і підкладки зі сталі 40Х.

Результати експериментів показали, що у вакуумі 1,3310–2 Па, температурі зварювання 700 С, часу ізотермічної витримки 3 години міцність зварених з'єднань на зріз у зразків з нікелевою прокладкою Н2 товщиною 0,1 мм у середньому досягала 250 МПа, що свідчить про прояв властивостей прокладок, що активують, з більше чистого нікелю.

У четвертому розділі розроблено спосіб дифузійного зварювання із застосуванням методу термомеханічного стиску.

Для рішення поставленого завдання була розроблена методика розрахунку величин зусиль стиску та довжин сталевих штовхачів для МТМС. Ця методика дозволяє визначити максимальну довжину штовхача, при якій досягається напруження т без пластичних деформацій.

По проведених обчисленнях складені графіки залежності мінімального зусилля стиску від висоти сталевого штовхача та температури, що дозволило оцінити величину сили, що розвивається модулем при різних температурах, і вибрати матеріал штовхача та його довжину для проведення дифузійного зварювання стисненням.

Виконано теоретичні дослідження процесу впровадження мікронерівностей у сполучених поверхонь, що до різних по твердості й модулях пружності матеріалів, що зварюються: сталеві підкладки зі сталі 40, 40Х, 30ХГСА до твердих сплавів карбіду вольфраму, типу ВК6...ВК25. Розроблено методику розрахунку визначення залежності між глибиною заповнення шорсткості, її геометрією й величиною зусилля стиску, що забезпечує безперервність з'єднання зварених зразків.

Результати розрахунку показали, що залежно від величини кута мікронерівностей = 30; 45 і 60 максимально можливий ступінь заповнення L / H = 0,46; 0,367 і 0,250 відповідно.

На мал.2 представлена нова конструкція МТМС, розроблена в ПДТУ й виготовлена в ІНМ НАН України.

1 - рама; 2 - верхній клин; 3 - нижній клин; 4 - спеціальний болт; 5 - куля; 6 - “плаваюча” платформа; 7 - сталева пластина; 8 - сталевий штовхач; 9 - твердий сплав ВК; 10 - сталева підкладка; 11 - зона з'єднання; 12 - графітова підкладка

Рис. 2. Модуль термомеханічного стиску для проведення зварювання стисненням у вакуумі.

Розрахунок конструкції модуля ТМС виконували для максимальних режимів процесу. Вихідні дані для розрахунку показані в таблиці 5.

Таблиця 5

Вихідні дані для розрахунку конструкції МТМС

Параметри технологічного процесу | Умовні позначки, одиниця виміру | Величина

Температура ізотермічної витримки (максимальна) | Т, C | 900

Границя текучості штовхача зі сталі 40Х при 900 С | т, МПа | 180

Шорсткість поверхні зразків, що зварюються | Rz, мкм | 5...7

Максимальний радіус зразка, що зварюється | R, мм | 12,5

Границя текучості матеріалу рами із твердого сплаву ВК6 при 900 C | т, МПа | 1700

На підстави проведених раніше лабораторних досліджень із застосуванням роз'ємних і нероз'ємних конструкцій МТМС можна зробити наступні виводи:

- більше раціональне застосування нероз'ємного виду конструкції МТМС у вигляді прямокутної рами з металу з низьким КТР, зокрема шляхом гарячого ізостатичного пресування із твердого сплаву ВК6...ВК15, із застосуванням додаткових вузлів зі середньо вуглецевої сталі;

- з метою попереднього закріплення й центрування деталей, що зварюються, необхідно передбачити спеціальне пристосування, найбільш простим є клиновий пристрій, що приводиться в рух болтом;

- для збільшення продуктивності, шляхом одноразової приварки декількох зразків в “стовпчик”, необхідне пристосування, що дозволяє “само встановлюватися” всім елементам, у зв'язку з більшою кількістю поверхонь розділу і їхнім відхиленням від паралельності для забезпечення щільного контакту по всій поверхні розділу;

- доцільно при зварюванні ріжучих елементів, установлених послідовно в “стовпчик” до сталевих підкладок, використовувати їх як штовхачі з таким розрахунком, щоб сумарна їхня висота забезпечила створення необхідного зусилля стиску;

- з метою збільшення продуктивності, економії дорогих і дефіцитних матеріалів необхідно виготовляти МТМС із декількома робочими просторами (осередками);

У главі п'ятої виконане дослідження зварених з'єднань на електронному сканующому мікроскопі-мікроаналізаторі Can Scan 4DV із системою рентгеновско-дисперсійного аналізу Link–860 (ІНМ НАН України, м. Київ). При проведенні досліджень застосовували стандартні програми матеріального забезпечення системи Link-860. Для дослідження дифузійної зони в тонких шарах застосовувалися програми DIGIMAP і Line Scan.

На мал. 3 наведені концентраційні ділянки розподілу заліза, вольфраму й кобальту уздовж лінії сканування, перпендикулярної площини зварного з'єднання в зразку.

а б в

а, б, в – ділянки зварювання в променях Co , WK , Fe , відповідно

Рис. 3. Концентраційні ділянки розподілу Co, W, Fe у дифузійній зоні з'єднання уздовж лінії сканування.

Проведений мікрорентгеноструктурний аналіз підтверджує можливість проведення дифузійного зварювання стисненням при температурах до 700 С твердого сплаву із низьколегованою сталлю з одержанням міцного з'єднання.

Для одержання зварених з'єднань високої міцності була виготовлена партія зразків у МТМС удосконаленій конструкції, показаної на мал.2.

Було досліджено 40 зразків зі сталей 40Х и 35ХГСА. Критерієм якості зварених з'єднань була їхня механічна міцність на зріз, визначеної на універсальній іспитовій машині УІМ-5 із застосуванням спеціального пристосування, показаного на малюнку 4.

1 - хвостовик з рифленою поверхнею; 2 - сталь 40Х; 3 - зона з'єднання; 4 - твердий сплав ВК; 5 - регулювальний гвинт для сполучення лінії зони з'єднання елементів з осьовою лінією зрізу; 6 - напрямна обойма; 7 - напівбочка

Рис. 4. Пристосування для механічних випробувань зразків на зріз.

Для проведення виробничих випробувань було виготовлено 50 АТЗ на основі твердого сплаву ВК25 до сталевих державок зі сталі 40Х методом дифузійного зварювання у вакуумі.

Зварювання стисненням проводили при наступних технологічних параметрах:

зусилля стиску, кН 25

тиск, МПа 196

діаметр АТП, мм 13,5

температура ізотермічної витримки, С 620…650

вакуум у камері печі СШВЛ, Па 1,3310–2

час ізотермічної витримки, година 4

швидкість нагрівання, С/с 0,24...0…0,35

швидкість охолодження, С/с 0,08...0…0,15

При проведенні зварювання для одержання алмазно-твердосплавних заготівель (АТЗ) використовували схеми закріплення АТП, показані на мал.5. Подібні схеми приварки дозволяють одержати після електроіскровий порізки дві АТЗ для правого та лівого прохідного різця (мал.5 - 2) або чотири АТЗ для відрізного різця (мал.5 - 3) з однієї пластини АТП.

1 - АТЗ для прохідного різця, що закріплюється механічно в оправленні різця;

2 - АТЗ для прохідних правих і лівих різців, одержаних після електроіскрової порізки по осьовому перерізу;

3 - АТЗ для відрізного різця.

Рис. 5. Схема приварки АТП до сталевих підкладок

Виробничі випробування різального інструменту (разом з ІНМ НАН України), оснащеного АТП і БПК вироблялися на БЗПМ (м. Бровари) і заводі медичного технологічного обладнання (м. Маріуполь). На БЗПМ досліджувався інструмент при відрізці деталей з композиційних прес-матеріалів типу П–5–2 і П–5–7 ЛДП на токарно-гвинтовому верстаті моделі 1658 С1 відрізними різцями з наступними геометричними параметрами ріжучої частини: передній кут = 10; задній кут = 12; кут нахилу ріжучої частини = 0. Швидкості різання змінювалися від 2 до 5 м/с, подача від 0,3 до 0,6 мм/оборот, глибина різання від 2 до 5 мм.

Критерієм затуплення ріжучої пластини АТП служило погіршення шорсткості обробленої поверхні понад значення Rz 40 мкм, збільшення вібрацій деталі при відрізці, підвищення теплонапруженісті процесу різання, погіршення сходу стружки.

У процесі випробування різців не виявлено відшаровування алмазного шару від твердосплавної підкладки, а також порушень цілісності зварного шва. Випробування показали, що працездатність ріжучої пластини АТП, закріпленої на сталевий державці дифузійним зварюванням стисненням, перебуває на рівні пластин, що закріплюються в корпусі інструмента механічно без застосування пайки. Результати випробувань наведені в таблиці 6.

Таблиця 6

Результати випробувань, отримані при відрізці різцями, оснащеними АТП при швидкості різання = 240 м/хв., подачі S = 0,45 мм/оберт при величині зношування hз = 0,3 мм

Досліджувані параметри | Оброблюваний матеріал

П–5–2 | П–5–7

Інструментальний матеріал

ВК6 | АТП | ВК6 | АТП

Стійкість, Т, хв. | 25 | 400 | 18 | 350

Шорсткість, Р, мкм | 60 | 40 | 60 | 40

Позитивні результати випробувань у дослідно-промислових умовах партії різців з ріжучими елементами з АТП, закріпленої на сталевій підкладки методом термомеханічного стиску у вакуумі при 700 С, підтверджуються протоколами дослідно-промислової перевірки.

ВИВОДИ

1. У дисертаційній роботі наведені теоретичні узагальнення й нові рішення науково-практичного завдання одержання міцного з'єднання полікристалічних надтвердих матеріалів зі сталлю й твердим сплавом шляхом дифузійного зварювання стисненням у вакуумі із застосуванням модулів термомеханічного стиснення. Це дозволяє підвищити міцність з'єднання ріжучих елементів металообробного інструмента за рахунок розробленої методики розрахунку й вибору технологічних параметрів зварювання та дослідження їхніх експлуатаційних властивостей - міцності з'єднання, стійкості, шорсткості.

2. Встановлено основні параметри процесу зварювання: зусилля та часу утворення щільного контакту, енергії активації та коефіцієнтів дифузії хімічних елементів, які забезпечують одержання якісного зварного з'єднання при температурах 0,5 Тпл матеріалів, що з'єднуються.

3. Розроблено вдосконалений спосіб дифузійного зварювання стисненням у вакуумі АТП, БПК і кіборіту із твердим сплавом ВК6…ВК15 і вуглецевою сталлю 40, 40Х, 35ХГСА при температурах до 0,5 Тпл, що підтверджується авторським посвідченням № 1608996.

4. На підставі дослідження параметрів роботи різних видів конструкцій МТМС розроблені нові конструкції, що дозволяють проводити дифузійне зварювання стисненням у вакуумі, що підтверджується авторськими посвідченнями №№ 1651453, 1704989, 1738556.

5. Удосконалено конструкцію лабораторної установки для проведення досліджень параметрів зварювання стисненням при температурах 600...700 С при зварюванні твердих сплавів ВК6...ВК25 з низьколегованими сталями типу 40Х и 35ХГСА.

6. Розроблений технологічний процес зварювання стисненням і конструкції МТМС дозволяють одержувати міцне з'єднання (при випробуванні на зріз не менш 450 МПа, а для сталі 35ХГСА до 500 МПа), що перевищує в 2 рази міцність паяного припоєм ПСР-45 з'єднання.

7. Встановлено, що застосування термовакуумного методу напилювання на підігріту поверхню ПНТМ у промислових вакуумних печах типу СШВ дозволяє одержувати хімічні багатошарові покриття (Ti-Al)+(Fe-Ni) і (Al-Si)+(Fe-Ni) для активації зварювання не адгезионно-активного кіборіту. Отримані з'єднання кіборіту зі сталлю 30ХГСА з максимальною міцністю зчеплення 184 і 156 МПа для відповідних покриттів.

8. За розробленою технологією виготовлені ріжучі елементи, оснащені АТП і БПК, які пройшли виробничі випробування при металообробці силумінових сплавів АЛ25 і АЛ30, а також загартованих сталей 30ХН3А, 30ХГСН2А и 35ХГСА, відрізними й прохідними різцями. Застосування їх забезпечує підвищення продуктивності обробки металу в порівнянні з паяним з'єднанням в 2 рази.

9. Впровадження розробленої технології дифузійного зварювання для одержання лезійного інструмента дозволить одержати економічний ефект за рахунок збільшення продуктивності, якості й зниження витрат на виготовлення партії 100000 елементів у порівнянні з паяним з'єднанням припоєм ПСр-45 у розмірі 483200 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Диффузионная сварка под давлением сверхтвердых материалов в вакууме / Харлашин П.С., Роянов В.А., Бакланский В.М., Новиков Н.В., Девин Л.Н. // Сверхтвердые материалы. – №3. – 2002. – С. 79–85.

Постановка завдання, планування експерименту, аналіз і узагальнення результатів дослідження залежності межі міцності зварного з'єднання від параметрів технологічного процесу, аналіз мікроструктури зони з'єднання.

2. Харлашин П.С., Роянов В.А., Бакланский В.М. Конструкция модуля термомеханического сдавливания для проведения сварки давлением // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сборник научных трудов. Вып.9.- Мариуполь, 2000. - С.147–149.

Розробка конструкції модуля ТМС, його розрахунок і визначення залежності мінімального зусилля стиснення від границі текучості більше пластичного матеріалу, що зварюється.

3. Бакланский В.М., Роянов В.А., Харлашин П.С., Определение зависимости глубины заполнения шероховатости от ее геометрии при сварке давлением // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сборник научных трудов. Вып.8.- Мариуполь, 1999. - С.124–126.

Виконано розрахунок залежності глибини заповнення шорсткості від її геометрії при зварюванні стисненням.

4. Бакланский В.М., Воронкин М.А., Роянов В.А., Харлашин П.С. Некоторые особенности сварки давлением методом термомеханического сдавливания // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сборник научных трудов. Вып.2.- Мариуполь, 1996. - С.142–146.

Розроблено методику розрахунку максимальної довжини штовхача для МТМС.

5. Харлашин П.С., Мазан В.И., Бакланский В.М. Нгуен Ван Съем Построение эмпирических формул к определению поверхностного натяжения по форме поверхности раздела жидкость–газ // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сборник научных трудов. №1.- Мариуполь, 1995. - С.30–35.

Алгоритм розрахунку координат лінії меридіонального перетину краплі і її обсягу, реалізація на ПЕОМ.

6. Харлашин П.С., Роянов В.А., Бакланский В.М. Технология металлизации сверхтвердых материалов активными химическими элементами для изготовления режущего инструмента // Тезисы докладов II международной научно-практической конференции “Современные научные исследования – 2006”. Т.14. 20-28 февраля 2006 г. – Днепропетровск: Наука и образование, 2006. – С.76–78.

Проведення експерименту й обробка результатів дослідження.

7. Харлашин П.С., Роянов В.А., Бакланский В.М. Развитие теоретических и технологических основ диффузионной сварки сжатием сверхтвердых материалов в вакууме // Тезисы докладов международной научно-практической конференции “Развитие научных исследований 2005”. Т.8. 7-9 ноября 2005 г. – Полтава: Інтер Графіка, 2005. – С.84–87.

Проведення зварювання стисненням на експериментальній установці й статистична обробка результатів дослідження.

8. Харлашин П.С., Роянов В.А., Бакланский В.М. Эффективность применения никелевых прокладок при диффузионной сварке давлением твердого сплава ВК // Тезисы докладов XII региональной научно-технической конференции “Университет городу”, посвященной 75-летию университета. Том 1 – факультеты: металлургический, транспортных технологий, информационных технологий, инженерно-экономический, апрель 2005. – Мариуполь: ПГТУ, 2005. – С.70.

Проведення експерименту.

9. Харлашин П.С., Роянов В.А., Бакланский В.М. Технологические и конструктивные требования к модулю термомеханического сдавливания для диффузионной сварки давлением // Тезисы докладов ХII региональной научно-технической конференции “Университет городу”, посвященной 75-летию университета. Том 1 – факультеты: металлургический, транспортных технологий, информационных технологий, инженерно-экономический, апрель 2005. – Мариуполь: ПГТУ, 2005. – С.71.

Розробка вимог до підготовки поверхонь деталей, що зварюються.

10. Харлашин П.С., Бакланский В.М. Конструкция оснастки для металлизации поверхности сверхтвердых материалов активными химическими элементами в вакуумной печи СШВЛ // Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции, посвященной 70-летию университета. Том 1 – инженерно-экономический и металлургический факультеты, апрель 2000. – Мариуполь: ПГТУ, 2000. – С.94.

Розробка й виготовлення конструкції оснащення для металізації поверхні ПНТМ у печі СШВЛ.

11. Харлашин П.С., Бакланский В.М. Методика проведения процесса металлизации киборита активными химическими элементами в вакууме // Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции, посвященной 70-летию университета. Том 1 – инженерно-экономический и металлургический факультеты, апрель 2000. – Мариуполь: ПГТУ, 2000. – С.95.

Проведення напилювання кіборіту із застосуванням спеціального оснащення в печі СШВЛ.

12. Харлашин П.С., Нгуен Ван Сьем, Бакланский В.М. Разработка технологии сварки давлением с применением адгезионно-активного покрытия, образующего прочное неразъемное соединение со сверхтвердыми материалами в вакууме при температурах до 900 С для режущего инструмента. Тез. докл.2-й международной науч.-практ. конф. "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности Днепропетровск, 28–29 ноября 1995 г.

Визначення хімічного складу наносимо покриття.

13. Харлашин П.С., Воронкин М.А., Бакланский В.М., Нгуен Ван Сьем. Исследование качества паяного шва при пайке бессеребряными припоями с применением различных флюсов. Тез. докл. III регион. науч. конф. Апрель 1995 г. – Т.1, Металлургия, Мариуполь, С. 20.

Металографічні дослідження якості паяного шва.

14. Бакланский В.М., Харлашин П.С. Разработка метода нанесения адгезионно-активных покрытий заданного химического состава на соединяемые поверхности сверхтвердых материалов в вакууме. Тез. докл. III регион. науч. конф. Апрель 1995 г. – Т.1, Металлургия, Мариуполь, С. 19.

Розробка технологічної схеми методу.

15. Харлашин П.С., Нгуен Ван Съем, Воронкин М.А., Гаврилюк Г.В., Бакланский В.М. Апробация технологии пайки разработанными бессеребряными припоями на опытных партиях режущего инструмента. Тез. докл. III регион. науч. конф. Апрель 1995 г.–Т.1, Металлургия, Мариуполь, С. 16.

Організаційні роботи у виробничих умовах.

16. Харлашин П.С., Нгуен Ван Съем, Рассказова Е.Г. Бакланский В.М. Некоторые особенности метода лежащей капли для определения поверхностного натяжения металлических расплавов. Тез. докл. III регион. науч. конф. Апрель 1995 г. – Т.1, Металлургия, Мариуполь, С. 15.

Проведення експериментальних досліджень.

17. Харлашин П.С., Бакланский В.М. Разработка химического состава адгезионно-активных покрытий образующих прочное неразъемное соединение с сверхтвердыми материалами. Тез. докл. III регион. науч. конф. Апрель 1995 г. – Т.1, Металлургия, Мариуполь, С. 13.

Визначення й обґрунтування послідовності нанесених шарів.

АНОТАЦІЯ

Бакланський В.М. “Розробка технології та обладнання зварювання стисненням у вакуумі алмазно-твердосплавних пластин і кіборіту”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.06 - зварювання і споріднені технології. Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти й науки України, Маріуполь, 2006 р.

Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню технології зварювання стисненням АТП, БПК і кіборіту зі сталями 40, 40Х, 35ХГСА і твердим сплавом ВК8…ВК15 у МТМС у вакуумі при температурах до 0,5Тпл матеріалів, що з'єднуються; вивченню впливу основних параметрів технологічного процесу на механічну міцність з'єднання для різнорідних сплавів і металів (ВК + сталь, КНБ + сталь) без застосування прокладок, що активують, а для однорідних сплавів (ВК + ВК) із застосуванням прокладок, що активують, або напилюваних адгезійно-активних шарів.

Виконано порівняльний аналіз методу пайки срібновмищаючими припоями типу ПСр-45 і дифузійного зварювання стисненням у вакуумі. Показано переваги й недоліки цих методів.

Для раніше не досліджених параметрів зварювання стисненням виконані обчислення, на підставі яких складені графіки функціональних залежностей основних параметрів зварювання, що дозволяє правильно вибрати методики розрахунку при конструюванні лабораторної установки, створити її й відробити основні параметри технологічного процесу.

Розроблено й виготовлена вакуумна лабораторна установка, проведені експериментальні дослідження в результаті яких установлені інтервали значень величин основних параметрів технологічного процесу (питомого тиску, ізотермічної витримки, ступеня вакууму, температури ізотермічної витримки, ефективність застосування прокладок і адгезійно-активних покриттів) і їхній вплив на якість і міцність звареного з'єднання.

У результаті проведення експериментів розроблені вимоги до підготовки поверхні зразків, що з'єднуються. Визначено залежності щільності контакту поверхонь, що з'єднуються, від їхньої шорсткості у інтервалі 40...6,3 мкм і встановлено, що зі зменшенням ступеня шорсткості міцність з'єднання зростає на 20...30 %, що, очевидно, пов'язано зі збільшенням щільності зони з'єднання.

Виконано дослідження механічних властивостей (межі міцності на зріз) зварених з'єднань твердого сплаву ВК8...ВК15 зі сталлю 40Х и 35ХГСА, проведена статистична обробка отриманих результатів.

Сконструйовано й виготовлена нова надійна конструкція МТМС із твердого сплаву ВК8, для якої обчислені величини зусилля стиску залежно від довжини сталевого штовхача для різних температур. Міцність з'єднання твердого сплаву ВК15 зі сталлю 40Х с використанням цього модуля не менш 500 МПа.

Для надійного з'єднання однорідних матеріалів із твердого сплаву ВК6…ВК15 досліджували компенсаційні прокладки з нікелю товщиною від 0,1 до 0,2 мм із одержанням міцності не менш 350 МПа.

Розроблено конструкцію пристосування для промислової печі СШВ, що дозволяє здійснювати процес термічного напилювання у вакуумі на холодну й гарячу поверхню ріжучого елемента.

Для з'єднання кіборіту із твердим сплавом ВК15 на його поверхню напилювали у вакуумі шари хімічних елементів, що активують, Ti, Al, Ni та Si, потім проводили зварювання стиском з одержанням максимальної міцності з'єднання до 205 МПа.

Металографічні дослідження та мікрозондовий аналіз дозволили визначити якісний состав дифузійного шару, його товщину, виявити основні найбільш рухливі хімічні елементи (Fe, Co та Ni), які, імовірно, і визначають високу міцність з'єднання при малій товщині дифузійного шару 5...10 мкм.

Проведені виробничі випробування різального інструменту в ОПО заводу технологічного обладнання (м. Маріуполь), ІНМ АН України (м. Київ), БЗПМ (м. Бровари), НПО “Азовмаш” (м. Маріуполь) підтвердили високу експлуатаційну надійність з'єднання АТП і БПК зі сталлю (до 500 МПа) методом зварювання стиском, збереження фізико-хімічних властивостей алмаза й кіборіту на рівні пластин, що закріплюються механічно, і високі ріжучі властивості інструменту. Очікуваний економічний ефект від впровадження технологічного процесу зварювання стиском замість пайки срібновмищаючими припоєм ПСр-45 складає 483200 грн.

Ключові слова: зварювання, тиск, температура, ізотермічна витримка, дифузія, твердий сплав, кіборіт, компенсаційні прокладки, різальний інструмент.

аннотация

Бакланский В.М. “Разработка технологии и