Исследование и разработка технологии получения сплавов системы Cu-Mn-Ni методом механического легирования для высокотемпературной пайки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Пашков, Алексей Игоревич

• Пашков, Алексей Игоревич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пашков, Алексей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Свойства элементов системы Си-Мп->Л.

1.2 Анализ тройной диаграммы Си-Мп-№.

1.3 Влияние примесей на структуру и пластические свойства сплавов системы Си - Мп

1.4 Приготовление сплавов системы Си-Мп-№.

1.5 Припои системы Си - Мп — №.

1.6 Механическое легирование.

Выводы по разделу 1.

2 Методика исследований.

2.1 Приготовление сплавов путем прямого сплавления чистых компонентов.

2.2 Приготовление сплавов механическим легированием.

2.3 Изготовление лигатур Си-10%Сг, Си-8,2%2г.

2.4 Методики исследования сплавов.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Си-Мп-М, С НУЛЕВЫМ ИНТЕРВАЛОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ.

3.1 Выбор объекта исследований.

3.2 Результаты исследований и их обсуждение.

Выводы по разделу 3.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СВОЙСТВА СПЛАВОВ ПРИПОЕВ СИСТЕМЫ Си-Мп-М.

4.1 Результаты исследований и их обсуждение.

4.1.1 Исследование влияния содержания основных компонентов на структуру и прочностные свойства сплавов.

Выводы по разделу 4.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Си-Мп-№, ПОЛУЧЕННЫХ с помощью механического легирования и прямым сплавлением чистых компонентов.

5.1 Результаты исследования и их обсуждение.

5.1.1 Особенности изготовления сплавов с помощью механического легирования и путем прямого сплавления чистых компонентов.

5.1.2 Сравнительные исследования сплавов, изготовленных с помощью механического легирования и путем сплавления чистых компонентов.

Выводы по разделу 5.

6 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНРШЕСКИ-ЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Си-Мп-№ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ.

6.1 Описание и технические характеристики изделий.

6.1.1 Дорожный резец.

6.1.2 Изделие ДУЮ.

6.1.3 Пайка составной втулки «подшипник».

6.2 Результаты исследований и их обсуждение.

6.2.1 Результаты индукционной пайки дорожных резцов.

6.2.2 Результаты индукционной и печной пайки изделия ДУЮ

6.2.3 Результаты вакуумной пайки составной втулки «подшипник»

Выводы по разделу 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологии получения сплавов системы Cu-Mn-Ni методом механического легирования для высокотемпературной пайки»

Для соединения с помощью пайки изделий, работающих под высокими нагрузками, при повышенных температурах, в коррозионно-активных средах, в качестве припоев применяют специальные сплавы на основе системы Си-Мп-№ (до 30% Мп, до 20% N0. Сплавы этой группы отличаются уникальными механическими свойствами (высокая прочность от криогенных температур до 600°С, высокая ударная вязкость и др.), однако, в литературе отсутствуют данные о технологии получения этих сплавов, их кристаллизации и зависимости свойств от химического состава. Сплавы припоев характеризуются малым интервалом солидус-ликвидус, поэтому, представляет научный и практический интерес исследования на диаграмме состояния Си-Мп-ГчП области сплавов с минимальным интервалом кристаллизации.

Обычно припои системы Си-Мп-№ используются в виде заготовок -закладных элементов в форме колец, дисков и других видов высечки из проката. Практически отсутствуют сведения о применении этих сплавов в виде проволоки. Трудности приготовления этих сплавов обусловлены: с одной стороны, сложностью плавки из-за угара Мп и нестабильности химического состава; с другой стороны, сложностью обработки слитков давлением. Поэтому, изготовление закладных элементов из этих сплавов сопряжено с большим количеством отходов (более 20%) и требует многочисленных технологических переделов.

Одним из возможных путей снижения трудоемкости изготовления закладных элементов являются методы порошковой металлургии, т.е. изготовление закладных элементов непосредственно из порошков. В качестве метода получения порошков сплавов рассматривается метод механического легирования, заключающийся в получении «псевдосплава» из порошков исходных компонентов (Си, Мп, №), который по характеру плавления, растекаемости, заполнению капиллярного зазора и последующей 5 кристаллизации соответствует материалу, полученному традиционным способом (шггье слитка, обработка давлением, вырубка закладных элементов).

В литературе нет информации о применении механического легирования для сплавов системы Си —Мп - N1. Поэтому разработка новых сплавов невозможна без проведения комплексного исследования их структуры и свойств на разных этапах приготовления и сравнительных испытаний материалов, полученных альтернативными способами.

Таким образом, задача разработки технологии получения сплавов Си —Мп — № находится на стыке литья и порошковой металлургии и является актуальной.

Целью работы является исследование и разработка технологии изготовления сплавов системы Си —Мп - №, применяемых в качестве припоев, с использованием механического легирования, изготовления из них заготовок различной формы с минимизацией отходов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1 Экспериментально и теоретически исследовать область диаграммы состояния Си - Мп - N1 со сплавами, обладающими минимальными интервалами кристаллизации;

2 Исследовать влияние химического состава на структуру и свойства сплавов системы Си-Мп-ЬП (до 30% Мп, до 20%Т\П), используемых в качестве высокотемпературных припоев;

3 Разработать технологию получения сплавов системы Си - Мп - № методом механического легирования с последующим изготовлением закладных элементов;

4 Исследовать свойства сплавов, полученных механическим легированием в сравнении со свойствами сплавов, приготовленных методами литья (характер плавления, растекание, заполнение капилляров, кристаллизация);

5 Исследовать возможность применения припоев, изготовленных методом механического легирования.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Пашков, Алексей Игоревич

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Экспериментально доказано существование и определено место положения линии со сплавами на диаграмме Cu-Mn-Ni, обладающими практически нулевым интервалом кристаллизации в области содержания Мп до 50%, Ni до 15%;

2 Методом математического полнофакторного эксперимента (ПФЭ) установлено, что в сплавах медного угла диаграммы Cu-Mn-Ni, при увеличении содержания Мп, снижается температура солидус и ликвидус, а при увеличении Ni — повышается, влияние этих элементов на солидус и ликвидус равнозначное. При увеличении содержании Мп и Ni наблюдается рост значений твердости, влияние Ni на твердость сплавов больше, чем Мп примерно на 10 %. Это позволяет подбирать сплавы припои Cu-Mn-Ni в соответствии со свойствами основы (паяемый металл);

3 Установлено, что для получения сплавов системы Cu-Mn-Ni из чистых порошков (Cu, Мп, Ni) по свойствам полностью соответствующих литым сплавам, необходимо процесс механического легирования проводить в атмосфере аргона 3 часа;

4 Механическое легирование использовалось и для получения лигатур с тугоплавкими и легкоокисляющимися элементами, в отличие от традиционных методов получения лигатур - в вакууме. С помощью механического легирования удалось ввести Сг, Zr в требуемом количестве в сплавы, полученные разными способами, что подтвердилось результатами химического анализа;

5 Установлено, что сплавы, полученные с помощью механического легирования, имеют меньшую величину угара Мп, в сравнении с традиционным способом сплавления. В сплавах, содержащих от 23,5 % до 41 % Мп, угар составлял 0,6 % и 1,9 %, соответственно, при плавке сплавов из чистых компонентов угар составлял 1,9 % и 3,7 %;

108

6 Подтверждено с помощью разработанной методики оценки свойств жидких расплавов, что с помощью механического легирования можно получать сплавы, которые по характеру плавления и затекания в капиллярный зазор соответствуют литым сплавам;

7 Установлено с помощью разработанной методике оценки свойств жидких расплавов, что в месте размещения механически-легированных сплавов появляется шлаковый остаток, который увеличивается с увеличением времени обработки в мельнице. Поэтому механически-легированные сплавы нельзя располагать внутри шва перед пайкой, а только вне зоны шва. Тогда чистый металл будет затекать в зазор, а шлак останется снаружи.

8 Разработанная методика, исследующая кинетику плавления и затекания сплавов зазор, позволяет оценить пригодность сплавов в качестве припоев;

9 Пайкой реальных изделий показано, что сплавы, полученные с помощью механического легирования, ничем не отличаются от сплавов, полученных прямым сплавлением чистых компонентов, по характеру плавления, затекания и кристаллизации;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пашков, Алексей Игоревич, 2009 год

1. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. 3-е изд. М.: Металлургия, 1974;

2. Производство отливок из сплавов цветных металлов / Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков Е.Л. -М: МИСИС, 1996;

3. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 3: Меди Полимерные / X 46 Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и д.р.-М.: Большая Российская энцикл.; 1992. -639 е.: ил.

4. Сплавы марганца с медью, никелем и цинком / Агладзе Р.И. и др. -М.: Наука, 1953;

5. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / Дрпц М.Е., Бочвар Н.Р., Гузей Л.С. и др. М.: Наука, 1979;

6. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных систем. — Т. 1. М.: Металлургиздат, 1962;

7. Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu Mn - Ni system at the Cu - Ni side // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. — 2003.-N 27;

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Лякишев Н.П., Банных О.А., Рохлин Л.Л. и др. — М.: Машиностроение, 2001;

9. С.Ф. Жемчужный, Г.Г. Уразов, А.Е. Рыковсков. Сплавы марганца с медью и никелем. Журнал Русского химического общества, 39, 787 (1907);

10. Hellawell A., Hume-Rothery W. // Philos. Trans. Roy. Soc. London. 1957. V. 249A. N 968. P. 417-459;

11. Dean R.S., Long J.R., Gaham Т.Е. et al. // Trans. ASM. 1945. V. 34. P. 443-463;

12. Салли A. X., Марганец, перевод с английского, М., 1959;

13. Аносов В.Я., Погодин С.А. Основные начала физико — химического анализа. М.: Академия наук СССР, 1947. - 876 с;

14. Чжан Бао-Чан — Изучение тройных медных сплавов медь-никель-марганец // Изв. вуз. Цветная металлургия. 1958. № 10. С. 107-115;

15. Пикунов М.В., Сидоров Е.В. Диаграммы состояния трёхкомпонентных систем неограниченных твёрдых растворов с температурным экстремумом // Изв. вузов. Чёрная металлургия. — 2008. №1. -с.7- 10;

16. Пикунов М.В., Сидоров Е.В. О строении диаграммы состояния системы Cu-Mn-Ni // Изв. вузов. Чёрная металлургия. — 2008. №5. - с.3-6;

17. Schurmann Е, Prinz В. Schmeizgleigewichte nickelreicher unci kupferreicher Kupfer-Mangan-Ni. Z. Metallkunde, 1974, Bd.65, H.8, S.535-539.;

18. Жуховицкий A.A., Шварцман Jl.H. Физическая химия. М.: Металлургиздат. Издание 3-е, переработанное и дополненное. 1976.-543 с;

19. Бочвар А.А. Металловедение. М.: Металлургиздат, 1956. - 494 е.;

20. Славинский М.П., Беляев А.П., Сыромятников P.P. Исследование обрабатываемости медно-марганцевых сплавов высокого электросопротивления. Металлург, № 2, 3(1932);

21. Коренев Н.И. О сплавах марганца с медью. Известия сектора физико-химического анализа, 11, 47(1938);

22. Хорунов В.Ф., Дорошенко JI.K. Васильев В.Г. Влияние кремния на структуру и интервал плавления сплава системы никель-марганец-медь // Автоматическая сварка. - 1983. - №2. - с. 27-29;111

23. Высокотемпературный припой на основе системы Ni-Mn-Cu // Хорунов В.Ф., Э.Н. Дорофеева, А.В. Кужель, Ю.Б. Малевский. -Автоматическая сварка, 1979, №9, С. 52-53, 67;

24. Россошинский А.А., Дорофеева Э.Н., Табелев В.Д. — Некоторые свойства припоев на основе меди с высоким содержанием марганца // Автоматическая сварка. — 1982. №1. — с.52-56, 62;

25. Справочник по пайке / Под ред. И.Е. Петрунина 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003;

26. Пашков А.И., Пашков И.Н. Родин И.В. Новые способы получения припоев системы медь-марганец-никель // Сварочное производство. — 2008. -№7.-с. 18-20;

27. Шейн Ю. Ф., Огорчай Е. И., Соколова А. В. Выбор припоя для узлов криогенной тхники их стали 12Х18НТ10 // Повышение эффективности производства паяных конструкция— М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1983.-С. 112-117;

28. Suryanarayana С. Mechanical alloying and milling // Progress in Materials Science, 2001, vol. 46, pp.l 184.

29. R.Sundaresan, F.H.Froes. Mechanical alloying // Journal of metals, 1987, No. 8, pp. 22-27.

30. Механическое легирование / Ю.В. Кузьмич, И.Г. Колесникова, В.И. Серба, Б.М. Фрейдин-М.: Наука, 2005;

31. J. S. Benjamin, Т. Е. Volin. The Mechanism of Mechanical Alloying // Metallurgical Transactions, 1974, vol. 5, pp. 1929 1934.

32. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов, Новосибирск: Наука, 1986;

33. Айбиндер С.Б. Холодная сварка металлов: (Сцепление металлов при совместной пластической деформации). Рига: Изд-во АН Латв. ССР, 1957. 163 е.;

34. Айнбиндер С.Б., Клокова Э.Ф. О возникновении сцепления металлов при совместной пластической деформации // Журн. техн. физики. 1955. Т. 25, вып. 13. с. 2356-2364.;

35. Осинцев О. Е., Федоров В. Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: справочник. М. Машиностроение 2004;

36. Николаев А. К., Новиков А. И., Розенберг В. М. Хромовые бронзы. -М. Металлургия 1983;

37. М. Беккерт, X. Клемм. Способы металлографического травления. -М.: Металлургия, 1988;

38. Колтыгин В.М., Пикунов М.В., Петухова A.C. О минимумах на диаграммах плавкости системы ванадий — вольфрам и ванадий — тантал // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1975. - №6. — с. 127 - 129;

39. Справочник по пайке / Под ред. И.Е. Петрунина 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 2003;

40. Организация металлургического эксперимента. Учебное пособие для вузов. Г.Е. Белай, В.В. Дембовский, О.В. Соценко / Под ред. В.В.Дембовского. -М.: Металлургия, 1993;

41. А.И. Пашков, С.П. Герасимов Об использовании механического легирования для получения сплавов системы Cu-Mn-Ni, используемых в качестве припоев // Известия ВУЗов. Цветная металлургия № 6. 2009. С.44-46;

42. Пашков А.И., Герасимов С.П., Пашков И.Н. — Особенности пайки порошковым припоем системы медь-марганец-никель // Сварочное производство. 2008. - №10. — с. 37-41