Нові напрями вдосконалення властивостей металевих виробів методами вибухової обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нові напрями вдосконалення властивостей металевих виробів методами вибухової обробки

Драгобецький В.В.

С.н.с., к.т.н.

Кременчуцький державний політехнічний університет

Надійність тих чи інших агрегатів і всієї машини в цілому закладається в основному при проектуванні. При цьому є дві сторони цього питання: технічна та організаційна. Технічна - це підвищення рівня надійності. Вона зводиться до використання таких конструктивних рішень, котрі при їх практичні реалізації вели до найбільш раціонального запобігання відмовам. Організаційні питання великою мірою залежать від виробництва заготовок, матеріалів і високоефективних методів удосконалення їх властивостей та методів їх обробки, не тільки підвищують експлуатаційну надійність деталей та агрегатів, але і стимулюють розвиток конструкторських рішень.

Особливі можливості для розробки нових матеріалів та придання їм нових властивостей відкривають технології вибухової обробки. Особливі умови навантаження: високий тиск, швидкодіючість та швидкоплинність, хвильовий характер приводять до модифікації властивостей сировини та матеріалів, підвищенню міцності заготовок та деталей, до забезпечення високої якості та точності тощо. Крім того вибухове навантаження відбраковує не якісні матеріали та ливарні заготовки, контроль яких важко здійснити. Крім традиційних методів вибухової обробки матеріалів: штампування, зварювання, зміцнення, синтез тощо можливі нові напрями використання енергії вибуху. До цього слід додати, що не всі можливості обробки вибухом вивчені та не використані. Розглянемо деякі з них.

В останні роки найбільший інтерес виявлять до процесів швидкої кристалізації. Сутність її полягає у охолодженні розплавленого металу зі швидкістю приблизно мільйон градусів за секунду. Швидко охолоджені сплави порівняно гомогенні, поскільки для утворення великих зерен не вистачає часу. Матеріали, які мають гомогенну структуру, міцні та мають високу температуру плавлення. Швидка кристалізація може викликати утворення метастабільних фаз. Ці фази мають не тривіальні властивості. Наприклад, алюмінієві сплави, що швидко кристалізуються, мають питому міцність, яка дорівнює, або перевищує міцність титанових сплавів. Вони також корозійностійкі. Швидкоохолоджені алюмінієві сплави здатні замінювати титан у деталях компресорів газотрубних двигунів, чавун у гальмових дисках автомобільних коліс, чавунні корпуси букс залізничних вагонів.

Використовуються наступні методи отримання швидкоохолоджених сплавів. Це - надтверда закалка. При цьому краплини рідкого металу викладаються на охолоджену поверхню. Другий метод - це розпилення дрібних крапель, які охолоджуються інертним газом.

Зроблено намагання здійснення динамічної закалки для отримання дробу, швидкозакаленого металу. Для цього порошок або пластина металу кидалася з високою швидкістю зарядом вибухової речовини на міцну поверхню, охолоджену рідким азотом. При зіткненні рухомого тіла з найбільш високою швидкістю, відповідній переходу від розгону до гальмування, з охолоджуючим середовищем також виникає швидке охолодження з утворенням метастабільних фаз. При цьому вибухову речовину і матеріал, що обробляється розміщують у порожнині з високоміцного сплаву. Найбільший тиск при зіткненні тіла, що кидають з твердою поверхнею можливо оцінити за формулою 1

(1)

де _о, С_о - густина рухомого тіла та її швидкість звуку; V - швидкість частин тіла, що кидають (середовища); К - показник, який характеризує збільшення швидкості хвилі при ударному стисканні. Тиск, необхідний для утворення метастабільної фази, відповідає сотням килобар і досягається при швидкостях зіткнення які перевищують швидкість звуку у повітрі. Досягнуте цього можливо при використанні імпульсних джерел енергії. Задача про кидання тіл у спрощеному поставленні вирішена у примірниках [2,3]. Швидкість тіла, що кидають V₁ складається

(2)

де k- показник продуктів вибуху; D - швидкість детонації; r=_{0 0} / _{1 1}; _{0 1} - густини вибухової речовини та тіла, що кидають; _{0 1} - геометричні параметри вибухової речовини та тіла, що кидають. Залежно від виду вибухової речовини та тіла, що кидають швидкість V₁ досягає 2500 мс^-1.

Швидкість падіння температури при зіткненні тіла, що кидають з поверхнею іншого матеріалу при швидкостях зіткнення до 1000 мс^-1 в інтервалі температур 350-700⁰ складає 3,510⁶ град с^-1 [4].

При таких градієнтах температур виникають аморфні матеріали з розплавів. Такі параметри зіткнення характерні для процесів зварювання вибухом, і деякі дослідники [4] які вивчають структурну зварюваних поверхонь, знайшли у зварюваному шві включення аморфного металу. Можливо, утворення аморфних структур виникає з розплавленого металу. Зіткнення рухомого тіла з твердою поверхнею повинно приводити до розплавлення зони контакту, що підлягає навантаженню. На деяких режимах зварювання вибухом виникають литі включення. Вони знижують якість та міцність зварного шва і їх присутність не бажана. Для утворення шару з аморфного матеріалу або маючого велику кількість аморфних складаючих, режими зіткнення повинні забезпечувати розплавлення шарів на зварюваній поверхні та високу швидкість охолодження. Кількість литих включень зростає при підвищенні швидкості детонації D, а також швидкості точки контакту. Структура зони зіткнення повинна бути хвилеподібною. Параметри зварювання повинні відповідати найбільшій швидкості зіткнення. Як правило, при таких режимах зварювання не виникає, а утворюється аморфний шар, який має унікальні властивості. Таким чином, на межі процесів зварювання вибухом і зміцнення вибухом для деяких матеріалів має можливість виникнути процес швидкої кристалізації. Цей процес, ймовірно, дає змогу отримання монометалів з поверхневою структурою та властивостями, характерними для біметалів. Отримання таких метастабільних структур можливе у процесах саморозповсюджуючогося високо-температурного синтезу (СВС). Відомо, що фіксація продуктів синтезу у хвилі СВС вирішується при швидкостях охолодження 10⁴10⁵ град с^-1 близьких до швидкостей швидкісної закалки. Необхідну швидкість охолодження можливо отримати при використанні високошвидкісного струму води, спрямованого перпендикулярно фронту хвилі синтезу.

Вибухової технології можливо використовувати для отримання тонких металевих покрить. Це поширює технологічні можливості зварювання вибухом і дає змогу для отримання тонких покрить найбільш високої міцності з'єднання. Перш за все тому, що покриття, які отримують зварюванням вибухом, мають найбільшу міцність зчіплювання. Це дає змогу використовувати отримані таким чином біметалічні вироби в умовах динамічних навантажень.

Певні труднощі виникають при нанесенні покрить товщиною менш за один міліметр. У цьому випадку виникає деформація, короблення, розриви тощо плакуючого шару. Особливо суттєво те, що потрібний заряд вибухової речовини за своєю геометрією менш критичного діаметра детонації. Для вирішення цієї проблеми зварювання використовують допоміжні пластини-спутники, до яких приклеюють фольгу з плакуючого матеріалу. Після зварювання через хвилі розтягнення виникає відрив пластини-супутника. Якість плакуючого шару визначається якістю склеювання та параметрами зварювання. Крім склеювання покриття, на пластину-супутник можливо наносити іншими методами хімічним, напиленням. При зіткненні із заготовкою виникає перенесення матеріалу покриття на останню. Міцність з'єднання при цьому перевершує початкову міцність з пластиною супутником.

Наступним напрямом утворення тонким металевим покрить є зварювання вибухом порошків з монолітними металами. Для нанесення порошків ударними хвилями використовують схеми, аналогічні односторонньому пресуванню. Порошкові покриття ударно-хвильовою обробкою можливо отримати як у твердому, так і у рідкому стані. Зміна механізмів утворення шарів від твердо - до рідкофазного визначаються значеннями швидкості зіткнення порошку із заготовкою та швидкістю ковзання ударної хвилі вздовж заготовки. Для процесу в твердій фазі шар покриття складається зі спресованих, деформованих та зварених між собою частин порошку, а міцність його з'єднання близька до міцності моноліту. Зіткнення порошку зі швидкістю, яка перевищуює критичну приводить до утворення шарів з рідкої фази з формоутворенням литих структур і міцністю зчеплення на рівні моноліту. Товщина шару може досягти 200-300 мкм.

Монолітна металічна заготовка при імпульсному навантаженні залишається холодною. Рідкофазне формування поверхневих шарів можливо розглядати як динамічну закалку з рідкого стану.

При зварюванні вибухом, коли параметр зварювання перевищує межі зварювання, з'єднання не виникає, але на поверхні однієї з ударяющихся заготовок виникає тонкий шар іншого матеріалу. Механізм утворення цього покриття пов'язаний з фрикційною взаємодією зварюваних поверхонь. Коли параметр зварювання перевищую найбільш можливий тиск 2_т (_т - межа текучості), виникає безліч відколів від поверхні рухомої пластини. У результаті чого виникає зіткнення та зварювання відколотої частини з поверхнею нерухомої заготовки, а після цього допоміжне зачеканювання відколотих частин у поверхню ударом рухомої заготовки та відскік останньої. З'єднання не виникає у тому випадку, коли отримане з'єднання руйнується хвилями розвантаження. Тобто при руху точки контакту зона високого тиску змінюється зоною розтягуючих напружень. Коли розплавлена ділянка металу не встигає затвердіти, виникає руйнування зони з'єднання. Зона перемішування розплавлених при зіткненні металів залишається на одній з поверхонь. Стабільне отримання покрить товщиною 200300 мкм найбільш доцільно виконувати при параметрі зварювання, меншому за мінімальний. Це досягається завдяки забезпеченню ковзання плакуючого шару по заготовці. Для цього заряд розміщують на торцевій поверхні заготовки, або плакуючу поверхню заготовки виконують у формі клина 5. За своєю сутністю процес нагадує фрикційне міднення, латунування, бронзування то що.

Нанесення тонких металевих покрить можливо виконувати з порошків наступним чином: на пластину-супутник наноситься клейовий состав, наприклад, силікатний клей або рідке скло, на клей наноситься плакуючий шар порошку необхідного составу. При зіткненні заготовки з пластиною-супутником шар порошку переноситься на заготовку. Процеси вибухового навантаження металевих заготовок впливають на подальші процеси обробки. Відомо, що імпульсно-хвильові навантаження викривляють доскональну кришталеву структуру металів і сплавів. При дії вибухових хвиль на метали у останніх виникають дефекти типу вакансій та дислокацій, які пов'язані з трьома механізмами: швидкісною деформацією; ковзання, подвоєння та зсув по атомних поверхнях. Це певною мірою впливає на процеси дифузії. У цілому параметри процесу дифузії, або спрямованого потоку речовини описують першим рівнянням Фіка у вигляді.

(3)

де - швидкість переносу маси дифундуючої речовини; D_с, D_т, D, D_Е - коефіцієнти дифузії, що обумовлені відповідно градієнтами концентрації, температури, напруження, напруженість електричного поля.

У нашому випадку найбільший інтерес наводять градієнти напружень і температури. При проходженні ударних хвиль крізь метали градієнт напружень має величину до сотень тисяч атмосфер на декілька мікронів, і, очевидно, у цьому випадку роль D значно зростає. Оцінка коефіцієнта дифузії при ударно-хвильовому навантаженні пов'язана з великими труднощами, які полягають у тому, що дія процесу в часі дуже мала і дуже важко виділити цей ефект у чистому вигляді. Проходження ударної хвилі також пов'язано з підвищенням і температури та зміною дефектності кристалічної структури, дією температурного поля після розвантаження, концентраційною неоднорідністю та іншими факторами.

Суттєво впливає на коефіцієнт самодифузії швидкість пластичної деформації. Підвищення швидкості деформації від 10^-4 до 2 10^-6 с^-1 при температурі 750⁰С підвищує коефіцієнт у 2500 разів. Аномальне підвищення дифузії у різноманітних сполук металів спостерігали при імпульсному навантаженні зі швидкістю 20 с^-1, а також при зварюванні вибухом зі швидкістю 10² с^-1. Отримані значення D для самодифузії перевищують коефіцієнт дифузії заліза у рідкому стані. У діапазоні швидкостей від 10^-2 до 10² с^-1 також спостерігається підвищення коефіцієнта дифузії, яке пов'язане з підвищенням середньої концентрації вакансій, кількість яких оцінюється за залежністю

вибуховий металевий швидкоохолоджений пластичний

(4)

де К - коефіцієнт, який ураховує кількості виникаючих порогів дислокації, котрі можуть переміщуватися конвективно; l_p - відстань, на яку переміщується кожна дислокація; в - вектор Бюргерса; d - відстань між дислокаційними диполями на фронті ударної хвилі.

Отже, одною з галузей використання вибухової обробки може бути модіфікуюча дія ударних хвиль та швидкісної деформації на матеріал, який далі буде оброблятися хіміко-термічними методами. Після вибухового навантаження більшість металів переходять у активірований стан і процеси хіміко-термічної обробки та нанесення захисних покрить (цементація, борінування, алітування, азотування тощо) протікають у 35 разів швидкіше.

Нові напрями вибухових методів обробки пов'язані також з розробкою комбінованих технологій зварювання + штампування вибухом, вибуховотермічна обробка, вибух + саморозповсюджуючийся високотемпературний синтез тощо. Нові технологічні ефекти відкриває використання ефекту відколу, особливо у роздільних операціях та дроблення металевих виробів. Цей ефект вдало використовується при розробці конструктивних рішень для захисту верстатів та технологічного оснащення, що працює в умовах вибухового, динамічного та імпульсного навантаження.

Одним з напрямків досліджень у галузі пластичного деформування є пошук можливості зниження роботи пластичного деформування, та зниження навантажень на технологічне оснащення і устаткування. Пластична течія - це послідовність малих періодичних зсувів. Пластична деформація розривається стрибкоподібно та обумовлена її хвильовою природою деформація - це сукупність протікаючих актів релаксації напруженого стану, який полягає у матеріалі заготовки. При цьому поблизу центрів концентраторів напружень виникають резонансні явища. Знання оптимальної частоти прикладання деформуючого хвильового навантаження дозволяє суттєво знизити його величину.

У процесах штампування вибухом резонансні явища виникають у тому випадку якщо заготовці попереднього надати кінетичної енергії, котра перетворюється у енергію згину заготовки. Початок згину здійснюється з кутовою швидкістю w, а деформація розповсюджується від периферії до центра заготовки. Використання допоміжного рівномірно розподіленою навантаження q по заготовці протягом малого проміжку часу , за який остання не встигає, в силу своєї інерційністі, почати деформуватися під дією імпульсу q .

Імпульс q накладає на заготовку гнучкий осісиметричний момент імпульсу

(5)

де q - навантаження; -- проміжок часу; R - радіус заготовки; r - радіус текучого шару.

Момент імпульсу урівнюється моментом кількість руху.

(6)

де R - радіус заготовки; r - радіус текучого шару; W_B, w - кутові швидкості; -- питома вага заготовки.

В результаті на заготовку накладається вимушена частота згинаючих коливань збігання модулів кутових швидкостей у будь якому шарі r сприяє виникненню автоколивань. У перетині r виникає пластичний шарнір, який забезпечує впорядковане деформування. У цьому випадку запобігається утворення складок, а робота, пов'язана з їх виникненням, переутворюється на формування.

Таким чином, розглянуті вибухові технології спрямовані на отримання нових якісних властивостей деталей та матеріалів і в цілому впливають на експлуатаційні показники машин та агрегатів.

Література

Импульсная обработка металлов давлением. Сб. статей под ред. В.К. Борисевича М.: Машиностроение, 1977, 144 с.

Физика взрыва. Монография, под редакцией К.П. Станюковича, Изд. 2-е перераб. М.: Наука, 1975. - 704 с.

Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск.: Наука, 1980, 220 с.

Беляев В.И., Ковалевский В.Н., и др. Высокоскоростная деформация металлов. Минск.: Наука и техника, 1975, 224 с.

Драгобецкий В.В. и др. А.С. №№ 739825, 780365, от 21.08.78. и 16.04.79.

Размещено на Allbest.ru