Техпроцессы в машиностроении_лек

По пленкообразующему веществу различают клеи смоляные и резино-

вые.

По адгезионным свойствам, различают клеи универсальные и специ-

альные.

По отношению к нагреву, различают клеи обратимые (термопластич-

ные) и необратимые (Термостабильные).

По условия отверждения, различаю клеи горячего или холодного склеивания.

По внешнему виду, различают жидкие, пастообразные и пленочные клеи.

По назначению, различают конструкционные силовые и не силовые клеи.

Смоляные клеи изготавливают на основе термореактивных смол, кото-

рые отверждаются в присутствии катализатора и отвердителей. Клеи холод-

ного склеивания, как правило, обладают малой прочностью. Клеи горячего склеивания, за счет более полного отверждения, имеют высокую прочность и теплостойкость. Рассмотрим основные виды клеев.

Клеи на основе модифицированных фенолформальдегидных смол при-

меняют для склеивания металлических силовых элементов, деталей из стек-

лопластика и т.д. Фенолкаучуковые клеи имеют высокую адгезию к метал-

лам, достаточно эластичны и теплостойки, водостойки, обеспечивают проч-

ное соединение при неравномерном отрыве. Выпускаются марки: ВК-32-200;

ВК-3; ВК-4; ВК-13. Фенол кремнийорганические клеи содержат в качестве наполнителя асбест, алюминиевый порошок. Клеи термостойки, водостойки,

обладают высокой длительной прочностью. Выпускаются марки: ВК-18, ВК-

18М (теплостойкость до 600 С). Клеи на основе эпоксидных смол затверде-

вают только в присутствии отвердителя (соотношение «смола: отвердитель»

10: 1 … 10: 3). Они являются силовыми конструкционными клеями,

обладают: высокой прочностью пленки, хорошей адгезией к металлам, водо-

стойки, маслобензостойки, но имеют низкий предел прочности на изгиб и

464

инертным или активным наполнителем. Выпускаются композиции: АХФС,

АФС. АФХС (алюмохромофосфатная связка) – температура отверждения 20 … 250 С; огнеупорность 1 000 … 1 800 С; водокислотостоек. Применяет-

ся для склеивания различных металлов.

В конструкции машин иногда встречаются клеесварные соединения.

При их сборке, слой клея (например, ВК-9) наносят на сопрягаемую поверх-

ность одной детали, а вторую – приваривают точечной сваркой к этому слою.

Контрольные вопросы

1.Чем отличается сборочная единица от комплекса?

2.Какие соединения относятся к неподвижным,?

3.Какими способами можно получить соединение с гарантирован-

ным натягом?

4.Зачем перед пайкой с поверхностей заготовок удаляют жировые пленки?

5.Каким образом разрушают оксидные пленки перед пайкой?

6.Какие припои применяют для пайки алюминиевых сплавов?

7.По каким признакам классифицируются клеи?

8.Какие клеи применяют для склеивания металлических силовых элементов?

466

ГЛАВА 6. СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством ус-

тановления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагре-

вании и (или) пластическом деформировании (ГОСТ 2601-84*). Сварка нахо-

дит широкое применение во всех отраслях промышленности. Сварка приме-

няется как отдельный процесс при изготовлении сложных пространственных конструкций, так и в сочетании с обработкой металлов давлением, литьем,

обработкой металлов резанием.

6.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Основы процесса соединения двух металлов

Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов,

ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами притяже-

ния. Для соединения двух твердых тел с получением общего монолита необ-

ходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь, т.е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с величиной параметра кристаллической решетки. При этом надо преодолеть энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев (необходимо затратить дополнительную энергию - энергию активации поверхности). В зо-

ну сварки такую энергию можно внести различными способами: в виде теп-

лоты (термическая активация); в виде упруго – пластической деформации

(механическая активация); в виде электронного или ионного облучения (ра-

диационная активация).

По агрегатному состоянию зоны сварки различают сварку плавлением и сварку давлением.

При сварке давлением заготовки соединятся путем совместной пласти-

ческой деформации поверхностей. В процессе сближения заготовок пласти-

чески деформируются микронеровности, разрушаются и удаляются окисные пленки, обеспечивается плотный контакт между заготовками и условия для

467

действия межатомных сил. Для снижения сопротивления деформации, зону сварки обычно нагревают.

При сварке плавлением в зону сварки вносят тепловую энергию доста-

точную для расплавления кромок свариваемых заготовок. Расплавленные ма-

териалы заготовок перемешиваются, и после кристаллизации, образуют еди-

ный сварной шов.

Металлургические особенности сварки плавлением

В процессе сварки плавлением, в сварочной ванне, за короткий проме-

жуток времени, происходят сложные процессы взаимодействия различных внешних и внутренних компонентов (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Взаимодействие внешних и внутренних компонентов со сварочной ванной.

Материалы загото-

вок и дополнительный

(присадочный, сварочная проволока) материал, вно-

симые в сварочную ванну,

состоят из основного металла, легирующих элементов, растворенных газов и посторонних включений. Эти элементы взаимодействуют друг с другом, с га-

зами атмосферы, с жидким металлом сварочной ванны, с материалом покры-

тий и с образующейся шлаковой ванной. В результате химический состав и свойства сварного шва могут значительно отличаться от химического состава и свойств металлических компонентов сварочной зоны.

Кристаллизация металла сварного шва начинается с частично оплав-

ленных зерен основного металла заготовок располагаемых на границах зоны

468

крупнозернистое строение с пониженной пластичностью. Для углеродистых сталей возможно появление закалочных структур. Участок 3 – нормализация.

Участок относительно недолго нагревается от 930 до 1 100ºС. Металл участка имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.

Рис. 6.2. Зона термического влияния сварно-

го шва легированной стали:

а – схема; б – микрофотография; 1…6 – уча-

стки зоны термического влияния; з.т.в. – зо-

на термического влияния.

Участок 4 – неполная рекристаллизация. Это участок, в котором крупные зерна феррита окружены мелкими зернами феррита и пер-

лита. Участок 5 – рекристаллизация. Уча-

сток часто наблюдается после сварки заго-

товок прошедших предварительную пласти-

ческую деформацию (поковки, прокат). Уча-

сток характеризуется восстановлением формы и размеров разрушенных при деформации зерен. Участок 6 - синеломкость. Участок лежит в интервале температур 200…400оС, что соответствует, синим цветам побежалости и ха-

рактеризуется снижением пластичности металла.

При высоких температурах в зоне сварки (2 000…6 000оС) молекулы газовой атмосферы переходят в атомарное состояние, одновременно проис-

ходит разложение материала покрытий. Атомарный водород, кислород и азот интенсивно растворяются в металле, что ухудшает механические свойства шва (снижается пластичность, повышается хрупкость). Плавиковый шпат и известняк, входящие в состав многих покрытий разлагаются на составляю-

щие с прохождением следующих реакций: CaF2 → Ca+2F; CaCO3 →

470

CaO+CO2. Свободный фтор ухудшает условия горения сварочной дуги (при дуговой сварке), одновременно, свободный водород связывается в устойчи-

вые, нерастворимые в металле молекулы: CaF2+H =CaF+HF. Часть серы, рас-

творенной в стали в виде FeS, удаляется в шлак вследствие протекания реак-

ции FeS+CaO = CaS+FeO.

Жидкий металл сварочной ванны может окисляться свободным кисло-

родом газовой атмосферы, кислородом, находящимся на кромках заготовок в виде оксидов (в окалине и в ржавчине), под влиянием химически активных к кислороду окислов кремния SiO2 и марганца MnO, паров воды и углекислого газа. Оксиды Fe3O4 и Fe2O3 при сварочных температурах переходят в закись

FeO (Fe3O4+Fe = 4FeO; Fe2O3+Fe = 3FeO), растворимую в железе. В результа-

те в шве образуются включения, ухудшающие его качество. Железо, медь,

кобальт, никель поглощают водород в твердом состоянии. При плавлении этих металлов, растворимость водорода увеличивается. Поэтому при кри-

сталлизации сварного шва возможна его пористость. Титан, ванадий, тантал,

ниобий, редкоземельные металлы при большой концентрации водорода по-

глощают его с образованием гидридов, при малых концентрациях – с образо-

ванием твердых растворов. Кремний, алюминий, хром, углерод уменьшают растворимость водорода в сталях. Азот растворяется в железе, молибдене,

титане, марганце, с образованием нитридов MeN. Нитриды, увеличивая прочность сварного шва, снижают его пластичность. Взаимодействуя с желе-

зом, сера образует сернистые соединения. При кристаллизации сульфид же-

леза FeS образует эвтектику FeS - Fe, имеющую температуру плавления

940оС. Эвтектика располагается между зернами кристаллизующегося железа и вызывает т.н. горячие трещины (красноломкость). Фосфор содержится в металле шва в виде фосфидов железа FeP и FeP2. Фосфиды уменьшают удар-

ную вязкость стали и способствуют появлению т.н. холодных трещин. Для уменьшения вредного влияния фосфора, в сварочную ванну вводят элементы

(кальций или марганец), способные связать фосфор в нерастворимые железе соединения и удалить их в шлак.

471

Классификация видов сварки

По используемой энергии все виды сварки можно разделить на: меха-

ническую; химическую; электрическую; электромеханическую; химико-

механическую, лучевую.

Для получения сварного соединения, механическая сварка требует осуществления пластической деформации кромок свариваемых заготовок.

Химическая сварка характеризуется нагревом металла заготовок до появле-

ния расплава в зоне сварки посредством превращения химической энергии в тепло. Электрическая сварка основана на превращении электрической энер-

гии в тепловую. Это превращение может происходить различными способа-

ми: выделением тепла при прохождении электрического тока через шлак; ис-

пользованием электрической дуги; индицированием тока высокой частоты.

Лучевая сварка основана на превращении энергии луча света или электрон-

ного луча в тепловую (использование лазерного луча или энергии пучка электронов). Электромеханическая сварка основана на нагреве металла заго-

товок методом электросопротивления и последующим пластическим дефор-

мированием нагретого металла. При химико-механической сварке металл за-

готовок нагревается путем превращения химической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием металла.

Свариваемость

Под свариваемость понимают отношение сплавов к физико-

химическим процессам, протекающим в зоне сварки. При сварке многих сплавов (как черных, так и цветных) ухудшаются механических свойств в зо-

не сварного шва; образуются сварочные дефекты (трещины, закалочные структуры, пористость). Следовательно, эти сплавы обладают пониженной свариваемостью. Физическая свариваемость определяется свойствами соеди-

няемых металлов, что в свою очередь, определяет протекание соответствую-

щих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Отношение сплава к конкретному способу сварки называют технологической свариваемостью.

472

Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэто-

му разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.

Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, явля-

ется, склонность к образованию трещин. Трещины появляются: в результате снижения пластичности и прочности в процессе кристаллизации (горячие трещины); вследствие полиморфных превращений и насыщения газами в по-

слесварочный период (холодные трещины). Горячие трещины образуются во время кристаллизации шва. В это время металл находится в двухфазном

(твердожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластич-

ность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций растя-

жения возможно разрушение металла по границам жидкой и твердой фаз.

Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонностью к горячим трещинам обладают: сплавы с широким интервалом кристаллизации; сплавы с повышенным содержанием вредных примесей. Холодные трещины обычно возникают в з.т.в. после за-

вершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора, возможно образо-

вание холодных трещин в период от двух до семи суток после сварки. Появ-

ление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных ста-

лей (если при сварке появляются закалочные структуры, при усиленном рос-

те зерен, при повышенном насыщении металла газами).

По свариваемости, стали разделяют на четыре группы: хорошо свари-

ваемые, удовлетворительно свариваемые, ограниченно свариваемые, плохо свариваемые.

Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали.

Хром при сварке образует карбиды. Они ухудшают коррозионную стойкость стали, резко повышают твердость в з.т.в., интенсифицируют образование ту-

гоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки. Никель увеличивает пла-

стические, и прочностные свойства стали, измельчает зерна, не ухудшает

473