Том 22, № 4 (2020)
- Год: 2020
- Статей: 10
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/issue/view/261
- DOI: https://doi.org/10.15593/.v22i4
СТАТЬИ
О допустимых токах на вольфрамовый электрод дуги с разнополярными импульсами тока
Аннотация
Проведен анализ работ по допустимым токам на вольфрамовые электроды при дуговой сварке. Информация по этому вопросу носит противоречивый и несистемный характер. Обоснована необходимость решения задачи по расчету допустимых токов на вольфрамовый электрод в аргоновой дуге с разнополярными импульсами тока. Для этого использованы экспериментальные данные по допустимым токам дуг прямой и обратной полярностей и синусоидальному переменному току, по которым проведен анализ по разработанной методике. Показано, что сравнение допустимых токов дуги переменного тока синусоидальной формы с токами дуг постоянного тока следует проводить по их среднему значению. Зависимости средних рекомендованных значений плотности тока от диаметра электрода для всех полярностей хорошо описываются гиперболической функцией. Получены аппроксимирующие коэффициенты зависимости для трех видов полярности. Предположено, что данные о допустимых токах в однофазной дуге могут быть завышены из-за наличия постоянной составляющей. Установлено, что при увеличении диаметра электрода отношение допустимых токов на прямой и обратной полярностях дуги возрастает линейно, и получены коэффициенты такой зависимости. Эта зависимость положена в основу расчетной методики определения допустимых токов на электрод при сварке с РПИ в зависимости от его диаметра и баланса полярностей. Произведено сравнение расчетной методики с экспериментальными данными и получена их удовлетворительная сходимость. Допустимые токи на электрод в дуге с РПИ резко уменьшаются при увеличении доли обратной полярности свыше 30 %, однако такой баланс обеспечивает качественное разрушение окисной пленки при сварке алюминиевых сплавов.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):5-12
![]() | ![]() |
Влияние циркония на удельную теплоемкость и изменение термодинамических функций цинкового сплава Zn55Al
Аннотация
Теплоемкость представляет собой одно из важнейших физических свойств твердых тел, характеризующее изменение состояния вещества с температурой. Изучение теплоемкости является одним из основных методов исследования структурных и фазовых превращений в сплавах. Из температурной зависимости теплоемкости можно определить другие физические характеристики твердого тела: температуру и тип фазового превращения, температуру Дебая, энергию образования вакансий, коэффициент электронной теплоемкости и др. Экспериментальное измерение теплоемкости для разных интервалов температур - от предельно низких до высоких - является основным методом определения термодинамических свойств веществ. Теплоемкость цинкового сплава Zn55Al с цирконием определялась в режиме охлаждения по известной теплоемкости эталонного образца из меди. Для чего обработкой кривых скорости охлаждения образцов из цинкового сплава Zn55Al с цирконием и эталона получены полиномы, описывающие их скорости охлаждения. Далее по экспериментально найденным величинам скоростей охлаждения образцов из сплавов и эталона, при известных значениях их массы, были установлены полиномы температурной зависимости теплоемкости сплавов, которые описываются четырехчленным уравнением. С использованием интегралов от удельной теплоемкости были установлены модели температурной зависимости изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса. Полученные зависимости показывают, что с ростом температуры теплоемкость, энтальпия и энтропия сплавов увеличиваются, а значения энергии Гиббса уменьшаются. При этом добавки циркония увеличивают теплоемкость, энтальпию и энтропию исходного сплава Zn55Al до температуры 350 К, далее добавка уменьшает теплоемкость. Величина энергии Гиббса при этом уменьшается.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):13-19
![]() | ![]() |
Калориметрические эффекты при фазовых превращениях в стали 38Х2МЮА
Аннотация
Дифференциальная сканирующая калориметрия позволяет устанавливать закономерности структурно-фазовых превращений, происходящих в металлах и сплавах в широком диапазоне значений температуры нагрева и охлаждения, практически in situ. Ранее были описаны преимущества метода дифференциальной сканирующей калориметрии и применимость данного метода для различных материалов и сплавов. Уже накопленный опыт применения ДСК показал, что многие сложившиеся представления о закономерностях фазовых превращений иногда нуждаются в определенной корректировке. Это, в частности, относится к структурно-фазовым превращениям в сталях, исследование которых методами ДСК носит достаточно фрагментарный характер. В развитие этих исследований в настоящей работе проведено сравнительное исследование закономерностей изменения калориметрических эффектов при термоциклировании в межкритическом интервале температур стали 38Х2МЮА и азотированного слоя стали 38Х2МЮА после газового азотирования. Определены температуры начала и конца превращений в МКТИ, величины эндо- и экзотермических эффектов и т.п. Установлены изменения в ходе кривых ДСК азотированного слоя как при нагреве, так и при охлаждении. При нагреве зафиксирована потеря массы навески, что связано с выходом азота из стали. Это позволяет косвенно определять количество введенного азота при азотировании сталей. Обнаружен необычно большой экзотермический эффект при нагреве в МКТИ азотированного слоя, природа которого может быть связана с декомпозицией нитридов железа в аустенитной матрице. Выявлена при нагреве азотированного слоя область температур обратного эвтектоидного превращения, присутствующая на диаграмме состояния Fe-N. При последующем повторном нагреве азотированных образцов влияние азота сохраняется. Следует отметить, что потери массы образца при повторном нагреве не наблюдается.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):20-25
![]() | ![]() |
Характеристики процессов синтеза нанопорошков на основе кобальта химико-металлургическим методом
Аннотация
Изучены характеристики процессов синтеза нанопорошков на основе кобальта (Co(OH)2, Co3O4, Co) химико-металлургическим методом. Нанопорошок Co(OH)2 получали методом химического осаждения из водных растворов нитрата кобальта Co(NO3)2 (10 мас. %) и щелочи NaOH (10 мас. %) в условиях непрерывного перемешивания, контроля температуры Т = 25°С и водородного показателя рН = 9. Промывали синтезированный осадок Co(OH)2 дистиллированной водой с помощью воронки Бюхнера до полной отмывки ионов растворенной соли с водородным показателем над осадком рН = 7. Нанопорошки Co3O4 и Co получены термическим разложением и водородным восстановлением гидроксида Co(OH)2 в трубчатой печи СНОЛ 0,2/1250. Исследование кристаллической структуры и фазового состава образцов порошков выполняли методом рентгенофазового анализа. Удельную поверхность S образцов измеряли методом БЭТ по низкотемпературной адсорбции азота. Средний размер частиц D рассчитали по данным измерения величины удельной поверхности. Размерные характеристики и морфологию частиц порошков изучали методом сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что оптимальные температуры для проведения процессов термического разложения и водородного восстановления равны 180 и 280 °С соответственно, время выдержки процессов примерно в течение 2 ч. Полученные наночастицы Co(OH)2 и Co3O4 в основном обладают игольчатой формой, размером до десятков нанометров и длиной до 200-300 нм. Наночастицы Со главным образом имеют сферическую форму, размер - также до десятков нанометров, они находятся в спеченном состоянии, каждая из них соединена с несколькими соседними частицами перешейками.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):26-32
![]() | ![]() |
Сравнение кавитационной стойкости наплавленного металла со структурой метастабильного и стабильного аустенита
Аннотация
Детали машин, работающие в движущихся жидких средах, например гидравлическое оборудование, подвергаются кавитационной эрозии. Типовым решением для защиты против этого воздействия является применение стабильно-аустенитных сталей, отличающихся высокой пластичностью, например 316L. Это позволяет противостоять ударному воздействию при разрыве жидкости в приповерхностной области. Метастабильный аустенит является перспективным материалом для этой области применения. Он сочетает пластичность с упрочнением в случае приложения внешних нагрузок высокого уровня. В данном исследовании стойкость против кавитационной эрозии наплавленного слоя со структурой метастабильного аустенита вида 8,0Cr-0,6С-1,5Al-Ti и стабильно-аустенитной стали 18Cr10Ni2Mo (далее AISI 316L) оценивали с использованием разработанной ультразвуковой испытательной установки. Наплавку порошковой проволоки диаметром 1,6 мм из стали 8,0Cr-0,6С-1,5Al-Ti выполнили на подложку из стали AISI 316L сваркой вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Критерий потери массы материала был использован для оценки стойкости образцов. Результаты испытаний на кавитацию показали, что образец с наплавленным слоем показал примерно в 10 раз более высокое сопротивление кавитационной эрозии, чем сталь AISI 316L. Исследования поверхности образцов с применением оптического микроскопа и сканирующей электронной микроскопии показали, что наплавленный слой был значительно меньше подвержен износу по сравнению со сталью AISI 316L. Показано, что хорошее сопротивление кавитации наплавленного слоя связано с деформационным мартенситным превращением, происходящим в процессе кавитационного нагружения. Таким образом, нанесение наплавленных слоев из стали 8,0Cr-0,6С-1,5Al-Ti может эффективно увеличивать стойкость против кавитационной эрозии деталей, изготовленных из стали AISI 316L.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):33-41
![]() | ![]() |
Особенности взаимодействия жидкого алюминия с титаном при формировании композиционных материалов
Аннотация
Композиционные материалы титан-алюминий и титан-пеноалюминий находят все более широкое применение в промышленности. При жидкофазных способах в результате реакционной диффузии титана и алюминия на границе фаз композита формируется переходный интерметаллидный слой, толщина и состав которого определяются температурой фаз в процессе формирования композиционного материала, временем их высокотемпературного взаимодействия и их химическим составом. Механические и эксплуатационные свойства титана и композиционнного материала во многом будут определяться параметрами, составом и свойствами этого переходного слоя. Ввиду этого целью работы является исследование процессов взаимодействия титана с жидким алюминием и влияния этих процессов на его свойства в условиях формирования композиционных материалов. Для реализации поставленной цели проведены экспериментальные исследования процессов формирования интерметаллидного слоя на титане при жидкофазном алитировании титана. Температура алитирования в ходе экспериментов варьировалась в пределах 750-950 °С, а время алитирования - в пределах 3-60 с. Проведенные металлографические исследования и микрорентгеноспектральный анализ алитированных титановых образцов позволили установить влияние температуры и времени выдержки титановых образцов на толщину, химический и фазовый состав переходного интерметаллидного слоя. Проведенные механические испытания показали влияние температуры алюминиевого расплава при взаимодействии с титаном на прочностные свойства биметалла титан-алюминий.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):42-47
![]() | ![]() |
Термокинетический расчет фазового состава сварных швов алюминиевого сплава 1420 системы Al-Mg-Li. Часть 1. Термокинетический расчет фазового состава сплава 1420
Аннотация
Алюминиевые сплавы системы Al-Mg-Li являются перспективными по использованию в промышленных масштабах в разных производственных областях. Это связано с тем, что сплавы данной системы обладают такими уникальными свойствами, как низкая плотность, требуемая прочность и исключительно высокое значение модуля упругости по сравнению с алюминиевыми сплавами других групп. Исследования данной группы сплавов в современном научном пространстве приобретают достаточно большой интерес и актуальность. Рассмотрен сплав марки 1420 системы Al-Mg-Li. Целью исследований являются термокинетические расчеты возможного фазового состава алюминиевого сплава 1420 в равновесном состоянии, а также уровня выделения включений в сплаве. Исследования позволили установить, что в сплаве присутствуют включения, имеющие разные вид, форму и состав. Выявлено наличие в составе включений фаз Al3Fe, Al2ZrTi и Al2TiZr при суммарном содержании более 1 %, тогда как ранее включения в алюминиевых сплавах интерпретировали под общим названием «окисные плены», без разделения их по видам. Кроме того, определен возможный фазовый состав сплава в равновесном состоянии. Установлено, что после равновесной кристаллизации в сплаве будут присутствовать: Al2MgLi около 20 %, Al3Mg2 более 5 %, Mg2Si около 1 %. Расчетные данные механических свойств показывают увеличение при возрастании скорости охлаждения по экспоненциальной зависимости. Определена начальная и конечная температура кристаллизации алюминиевого сплава, а расчетные данные термической и изотермической диаграмм позволили выявить образование метастабильных фаз в сплаве при их содержании более 0,5 %. К ним относятся Al-Mg-Zr-Ti, Al3L, Al2MgLi.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):48-55
![]() | ![]() |
Установление влияния содержания алюминия и фазового состава, строения и структуры, термических напряжений в многослойных покрытиях Zr1-xAlxN на их трибологические, термостойкие, трещиностойкие и адгезионные свойства
Аннотация
Покрытия Zr1- х Al х N сформированы импульсным магнетронным распылением в диапазоне технологических параметров: давление газовой смеси Р = 0,25…1,0 Па и содержание азота в газовой смеси N2 = 5…40 %. Фазовый и элементный состав, а также трибологические, термостойкие, трещиностойкие и адгезионные свойства исследованы для Р = 0,75 Па и N2 = 5…15 %. При другом сочетании параметров формируется рентгеноаморфное покрытие. В исследуемом диапазоне формируются трехфазные покрытия Zr1- х Al х N на основе фаз c -Zr3AlN, w -Zr3AlN, δ-Zr3N4. Фазы h -ZrN0,28 и w -AlN являются дополнительными. В зависимости от содержания азота в газовой смеси покрытие Zr1- х Al х N формируется в трех различных состояниях. Стехиометрическое трехфазное покрытие Zr1- х Al х N (20 ат. % Al, 20 ат. % Ti, 60 ат. % N) на основе c -Zr3AlN-, w -Zr3AlN-, δ-Zr3N4-фаз, формируемое при N2 = 15 %, обладает минимальной трещиностойкостью. Максимальная трещиностойкость K тр = S отсл/ S по = 0,1, микротвердость Н = 24 ГПа, адгезионная прочность и способность к упругому восстановлению, а также минимальная сила трения F тр = 4,1 Н и коэффициент трения µ = 0,06 соответствуют наноструктурированному покрытию Zr1- х Al х N с максимальным содержанием в нем w -Zr3AlN-фазы ( = 27,56 %) и Al (55,44 ат.%), минимальными термическими напряжениями и дефектностью поверхности. В случае осаждения рентгеноаморфного трехфазного покрытия Zr1- х Al х N его микротвердость резко уменьшается при значительном ухудшении трибологических свойств. Уменьшение доли термически стабильной фазы w -Zr3AlN в покрытии Zr1- х Al х N в большей степени влияет на ухудшение его трибологических, термостойких, трещиностойких и адгезионных свойств.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):56-66
![]() | ![]() |
Особенности электроэрозионной обработки корковым электродом-инструментом, полученным по технологии гальванического осаждения
Аннотация
Цели исследования: повышение производительности электроэрозионной обработки с применением алюминиевого электрода-инструмента с медным покрытием, создание математической модели методом факторного эксперимента, подбор рациональных параметров обработки. По электроэрозионным свойствам алюминиевые ЭИ с медным покрытием, полученным методом гальванического осаждения, сопоставимы со сплошными ЭИ. Однако вопрос прогнозирования производительности ЭЭО с использованием данных ЭИ изучен не в полной мере. Методом факторного эксперимента создана эмпирическая модель. Благодаря ей становится возможным прогнозирование производительности копировально-прошивной электроэрозионной обработки. Описана методика проведения экспериментальных исследований, показано используемое оборудование. Представлены варьируемые параметры регрессионного анализа ( I , T on, U ). В процессе теоретического исследования составлена матрица планирования. Вычислены и определены значимые и незначимые коэффициенты регрессии. Произведена проверка на адекватность полученной эмпирической модели. Получена окончательная модель путем обратной замены параметров матрицы. Созданы изображения гиперповерхности функции отклика в координатном пространстве при постоянном значении каждого из параметров регрессионного анализа. Определено влияние изменения параметров на функцию отклика к Q . Представлены максимальные и минимальные значения производительности. Результатом исследования является эмпирическая модель, позволяющая прогнозировать производительность КПЭЭО с использованием алюминиевого ЭИ с медным покрытием в зависимости от параметров обработки.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):67-74
![]() | ![]() |
Оценка качества поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов после обработки эластичными полимерно-абразивными кругами
Аннотация
Рассмотрено исследование влияния режимов обработки на такие показатели качества поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов, как шероховатость поверхности и остаточные напряжения. При проведении экспериментальных исследований использовались эластичные полимерно-абразивные круги компании 3М марок FS-WL, DB-WL, CF-FB. В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что поперечная шероховатость по параметру Ra увеличивается с ростом деформации круга. Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет вертикальная составляющая силы, а следовательно, увеличивается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал. С увеличением скорости резания поперечная шероховатость по параметру Ra также растет. Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет центробежная составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности. В ходе проведения статистической обработки экспериментальных данных доказано, что от продольной подачи поперечная шероховатость не зависит. Дисперсионным анализом результатов экспериментов доказано, что продольная шероховатость по параметру Ra для всех использованных эластичных полимерно-абразивных кругов не зависит от заданных режимов обработки. В результате проведенных исследований получена эмпирическая зависимость, которая позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали. Проведены исследования процесса формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава В95ПчТ2 при обработке эластичными полимерно-абразивными кругами. В результате установлено, что при обработке эластичными полимерно-абразивными кругами образцов, полученных цилиндрическим и торцевым фрезерованием, остаточные напряжения оказываются полностью переформированы. С учетом того, что данный процесс обработки происходит на очень тонком разупрочненном поверхностном слое, доказано, что в обрабатываемом материале возникают сжимающие остаточные напряжения на малой глубине залегания, что положительно влияет на эксплуатационные свойства деталей. Проведен анализ состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии. На основании данных исследований сделан вывод о том, что случаи потемнения обрабатываемой детали из алюминиевого сплава не могут препятствовать внедрению зачистки поверхностей полимерно-абразивными инструментами в авиационной промышленности, поскольку все присутствующие на поверхности частицы легко удаляются при подготовке к анодированию.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020;22(4):75-86
![]() | ![]() |