Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

На основе структурного анализа исследуемых стандартных тормозных локомотивных колодок авторами было установлено, что при наличии всех структурных составляющих, предусмотренных стандартом, их баланс может изменяться в широких пределах. Это подтверждается измерениями твердости на поверхностях новых и изношенных колодок. Твердость варьирует от 100 до 600 НВ, при этом она зависит от баланса графита и цементита в структуре, который сложно оптимизировать, так как любые технологические изменения процесса изготовления могут сильно изменять этот баланс. В результате этих исследований была предложена экспериментальная микроструктура тормозной локомотивной колодки, состоящая из феррита и графита, которую легко и без особых затрат можно получить как в условиях завода-изготовителя, так и в условиях ремонтных предприятий, и проведены сравнительные эксплуатационные испытания. Изложен анализ результатов исследования возникновения патологических износов в трибологической паре бандаж колеса локомотива-тормозная колодка, полученных в результате эксплуатационных испытаний тормозных локомотивных колодок 3 групп - стандартных пониженной твердости, стандартных повышенной твердости и экспериментальных (со структурой феррито-графитовой) на трех тепловозах грузового движения на перегонах станции Ачинск Красноярской железной дороги. В ходе анализа материалов исследований были выделены 3 классификационные группы навара металла бандажей на тормозных колодках по толщине и строению, выявлено значительное количество тормозных колодок, имеющих следы патологического износа бандажей колес (навар), определено влияние структуры чугуна колодок на величину навара. Предложено направление снижения навара путем преобразования стандартной структуры чугуна в феррито-графитовую. Испытания показали актуальность данного направления - применение феррито-графитовой структуры тормозных колодок позволило полностью исключить патологический износ бандажей колесных пар тепловозов.

Высокоточные приборы навигационного назначения используются в современном авиастроении для передачи слабых сигналов с высокой надежностью. Проведенные ранее исследования характеристик скользящих контактов из благородных металлов показали, что контактная пара щетка-кольцо имеет наиболее высокую работоспособность, если она изготовлена из золотомедных сплавов вблизи эквиатомного состава. Сплавы золота с медью способны при соответствующей термической обработке приобретать упорядоченную атомную структуру, характеризующуюся строго определенным расположением атомов каждого сорта в кристаллической решетке. Процесс упорядочения осуществляется путем диффузионного перемещения атомов, поэтому формирование упорядоченной структуры определяется температурно-временными условиями обработки. Ранее было показано, что высокие физические и механические характеристики упорядоченных золотомедных сплавов обеспечивают стабильную работу контактной пары. Методом резистометрии исследована кинетика формирования упорядоченной структуры типа L10 в сплаве золото-медь нестехиометрического состава (Cu-80 мас. % Au). Описаны результаты, полученные при измерении электросопротивления в процессе нагрева и охлаждения образцов, находящихся в различных исходных состояниях (разупорядоченных закалкой или пластической деформацией). Выявлена высокая термическая стабильность упорядоченной фазы CuAuII при пониженных значениях температуры. В свою очередь, установлено, что фаза CuAuI очень быстро перестраивается в CuAuII при нагреве выше 350 °С. Подтверждено, что предварительная пластическая деформация не приводит к повышению скорости атомного упорядочения по сравнению с закаленным состоянием. В результате длительной термообработки получено упорядоченное состояние с удельным электросопротивлением ρ = 7,71·10-8 Ом·м, что существенно ниже приведенных в литературе данных для сплава выбранного состава.

Изложена методика автоматического регулирования процесса сварки по аналитической модели распространения тепла в изделии. Методика применима для аргонодуговой сварки стыковых 2-сторонних соединений без разделки кромок. Суть ее заключается в определении 2 коэффициентов расчетной схемы точечного источника тепла на поверхности пластины. Для определения коэффициентов необходимо измерение температуры в 2 точках тела при известных координатах этих точек. В качестве таких точек берутся данные по эталонным значениям провара и ширины сварного шва. Излагается решение системы уравнений относительно искомых коэффициентов графическим способом с помощью построения изолиний для провара и ширины шва. При регулировании используется понятие удельной эффективной мощности, приходящейся на 1 А тока дуги. Это позволяет не производить измерения эффективной мощности сварки. Выполняется измерение тока и скорости сварки, а в качестве регулирующего параметра используется один параметр. В этом случае существенно снижаются требования к точности регулирующего параметра. Приведен пример использования предлагаемой методики при аргонодуговой сварке 1-го слоя 2-стороннего шва. В предлагаемой методике устраняются неточности математической модели, связанные с допущением отсутствия зависимости теплофизических коэффициентов от температуры. Методика регулирования обеспечивает значительное сокращение экспериментов по определению коэффициентов математической зависимости провара от параметров сварки, повышение точности регулирования провара за счет снижения зависимости коэффициентов, определяемых экспериментально, от параметров режима сварки и учет влияния температуры и толщины свариваемых деталей на провар без проведения дополнительных экспериментов.

Аддитивные технологии, или технологии послойного синтеза - одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Общими проблемами таких технологий являются обеспечение надлежащей микроструктуры синтезированного материала и устранение дефектности. Использование присадочной проволоки в качестве рабочего материала позволяет избавиться от проблем, связанных с низкой производительностью существующих методов, высокой стоимостью применяемого оборудования, ограниченностью типов применяемых материалов, обусловленной использованием порошковых систем. Представлены результаты исследования особенностей формирования структуры и свойств стали 04Х18Н9 в технологиях аддитивных процессов, а именно при СМТ (Сold Меtal Тransfer)-наплавке, плазменной наплавке током обратной полярности и плазменной наплавке плавящимся электродом (Plasma MIG). Изделия из нержавеющих хромоникелевых сталей находят широкое применение в самых различных отраслях промышленности. Основной проблемой при аддитивных технологиях является обеспечение свойств слоистых материалов не ниже, чем у получаемых традиционными методами. Характерными дефектами слоистых материалов, полученными наплавкой, являются повышенная пористость, неметаллические включения, снижение пластичности, а для высоколегированных сталей - потеря специальных свойств. Проведено сравнение структуры и механических характеристик материалов, полученных СМТ-наплавкой, плазменной наплавкой током обратной полярности и плазменной наплавкой плавящимся электродом. Показано, что перспективным для аддитивных технологий является применение гибридного способа плазменной наплавки плавящимся электродом. Установлено, что механические характеристики образцов из стали 04Х18Н9, полученных наплавкой, не ниже, чем для стали аналогичного состава в деформированном состоянии.

Для перехода от опытного производства калиевого фторфлогопита к серийному необходима идентификация материаловедческих характеристик этого материала на предмет соответствия технологическому регламенту. Для этого в рамках представленного исследования использовали растровую электронную микроскопию с рентгеноспектральным микрозондовым анализом, петрографический, рентгенофазовый и силикатный анализы. В ходе петрографического анализа были определены показатели преломления, характер спайности и общая интерференция света. Дополнительно методом анализа изображений проводили оценку морфометрических параметров структурных составляющих. В результате идентифицированы следующие признаки калиевого фторфлогопита: показатели преломления, равные 1,597 и 1,550; совершенная спайность - (001), параллельные полосы вдоль зерен; интерференция 2-3-го порядка (многосложные цветовые переходы на фото); изменение цветовой окраски при перемещении предметного столика микроскопа. Установлено, что морфометрические характеристики составляющих изменяются по размеру, но при этом сохраняется пропорциональное строение составляющих, о чем свидетельствует стабильное значение коэффициента сферичности. Методами растровой электронной микроскопии и микрозондовым рентгеноспектральным анализом были установлены характер строения микроструктуры и элементный состав отдельных составляющих. Совместное исследование данных рентгенофазового и силикатного анализов позволило установить химический состав материала образцов, мас. %: SiO2 - 39,00-41,10; TiO2 - 0,04-0,06; Al2O3 - 9,00-9,70; Fe2O3 (общ.) - 0,05-0,15; P2O5 не более 0,01, Na2O - 0,04-0,47; K2O - 7,20-8,90; CaO - 0,80-3,20; MgO - 27,2-29,2; S (сера сульфидная) не более 0,01; SO3 (сера сульфатная) - 0,07-0,20; CO2 - 0,11-0,31, F - 9,35-11,67; фазовый состав, мас. %: фторфлогопит -86,7-89,9 %, сопутствующие фазы (орто- и клинопироксены, гумитовые минеральные фазы и плагиоклаз) - 5,0-7,0 %, стеклофаза - 5,1-7,2 %. Калиевый фторфлогопит опытной партии отвечает требованиям технологического регламента предприятия, соответствует ТУ 5714-489-05785388 и является основой для перехода к серийному производству.

Рассмотрены наиболее эффективные технологии аддитивного производства металлических изделий, использующие методы послойного нанесения материала. Описаны принципы работы таких технологий, как GMAW, GTAW, PAW, CMT, DMD, LBDMD, EBAM, FDM. Приведена сводная таблица ключевых характеристик данных процессов, и представлен их сравнительный анализ. Выявлены преимущества и недостатки данных методов, основные области применения и тенденции развития. Определено наиболее перспективное направление развития технологий создания металлических изделий методом послойного нанесения материала. Сделан вывод о том, что технология FDM далеко не полностью раскрыла свой потенциал из-за широкого спектра технических проблем. Рассмотрены текущие исследования, направленные на преодоление существующих технологических барьеров, препятствующих развитию FDM технологии 3D-печати. Рассмотрен круг вопросов, на которые необходимо ответить для успешного изготовления металлических изделий при помощи данной технологии. Выдвинуты гипотезы, и найдены пути решения проблем. Рассмотрены перспективы данной технологии, а также дана оценка ее полезности в производстве и для общества. Представлен начальный этап разработки научным коллективом Пермского национального исследовательского политехнического университета более мобильной и легкодоступной технологии печати металлических изделий сложной геометрической формы на основе FDM технологии 3D-печати. Описан ряд технических решений, позволяющих обойти или решить существующие проблемы и ограничения, действующие в данной области. Например, разогрев горячей части экструдера до 1000 °C за несколько десятков секунд и ранее невозможный быстрый и точный контроль температуры, позволяющий полностью контролировать процесс экструзии материала.