V.M. Shulayev, B.A. Potekhin, A.S. Khristolyubov

Технология и оборудование вакуумного бронзирования стальных деталей

В.М. Шулаев, Б.А. Потехин*, А.С. Христолюбов*

ООО «НПП «НИТТИН», г. Белгород, ул. Макренко, д. 27, e-mail: nittin.ru@gmail.com

*Уральский государственный лесотехнический университет, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, д. 37, e-mail: pba-nn@yandex.ru

Создана новая технология диффузионной сварки в вакууме без приложения внешнего давления, а также разработана и изготовлена вакуумная печь модели СЭВЭ-3.3/9-ИДС-НИТТИН для промышленной реализации новой технологии. Необходимое давление, в нашем случае, обеспечивается разностью термического расширения свариваемых металлов. В узлах трения скольжения гидронасосов высокого давления достигнут уровень адгезионной прочности в соединениях БрО12-сталь 18ХГТ > 180 МПа.

Technology and equipment for vacuum bronzing of steel details

V.M. Shulayev, B.A. Potekhin, A.S. Khristolyubov

A new technique of diffusion bonding in vacuum without application of external pressure, type СЭВЭ-3.3/9 –ИДС-НИТТИН vacuum furnace has been also developed and manufactured. The necessary pressure, in this case, provided by the difference of thermal expansions of welding metals. The slip friction units of high-pressure hydraulic pumps reach the level of adhesive strength of the БрO12-steel 18ХГТ joints > 180 MPa.

На ОАО «Пневмостроймашина» корпуса аксиальных насосов с 1967 года изготавливаются из латуни марки Л62, имеющей низкую прочность и не является удовлетворительным антифрикционным материалом. По этой причине нет возможностей повышать давление в данных системах, уменьшать габариты гидронасосов, а это важнейшие параметры. Целесообразным является изготовление корпуса насоса из стали 18ХГТ, а рабочие каналы «бронзировать».

Ввиду параметрических особенностей корпуса гидронасоса (см. рис. 1) не представляется возможным «бронзировать» такой канал способами литья, наплавки или напыления.

Рис. 1 Корпус аксиально-поршневого гидронасоса

В связи с вышеизложенным мы предложили технологический процесс «бронзирования» (БрО12) внутренних отверстий корпуса (см. рис. 1) включающий: дорнование бронзовой втулки, установленной в отверстие корпуса по скользящей посадке, и последующую диффузионную сварку в вакууме, полагая при этом, что внешнее давление, необходимое при диффузионной сварке, должно быть обеспечено разностью коэффициентов термического расширения бронзы БрО12 и стали 18ХГТ [1-2].

Наши расчеты, применительно к конкретному корпусу (рис. 1) показали, что нормальное давление на свариваемых поверхностях с повышением температуры до 750 ºС может достигать 107 Мпа или быть равным пределу упругости бронзы при соответствующих температурах.

На рисунке 2 показана схема и последовательность операций сборки (а), дорнования с натягом 0,25; 0,50; 0,75 мм, натяг оценивали как (d_К – d_Н)/2 (б) и последующей выпрессовки бронзовой втулки после диффузионной сварки (в).

Рис. 2 Схема дорнования и определения адгезионной прочности сварного соединения БрО12 – сталь: а) бронзовая втулка – 1, стальной корпус – 2; б) основание – 3, дорн – 4; в) выпрессовка кольца – 1 приваренной бронзы пуансоном – 5.

В бронзах БрО10, БрО12 мы наблюдали в литом состоянии интерметаллиды (δ фаза) (см. рис. 3, а, б), являющимися хрупкими во всем температурном диапазоне их существования [3, 4].

Рис. 3 Структура литой бронзы БрО12 (а), интерметаллид Cu₃Sn (б), БрО12 после отжига 500 ºС, 30 мин. (в), сварное соединение (г)

Интерметаллиды охрупчивают бронзу поэтому для обеспечения лучшей деформируемости при дорновании бронзовых втулок был выполнен отжиг литой бронзы при 500 ºC, 30 минут, который частично растворяет интерметаллиды, но дендритное строение сохраняется (рис. 3 в), что улучшило деформируемость такой бронзы. Нагрев до 750ºC, 30 минут переводит бронзу в однофазное состояние [4], однако, согласно диаграмме Cu-Sn [3] при медленном охлаждении после нагрева до 750 °С часть олова, в нашем случае, до 7% выделяется в виде дисперсных частиц типа Cu₃Sn, восстанавливая опорную поверхность.

Далее осуществляли селективный подбор втулок и «корпусов», так чтобы зазор между бронзовой втулкой 1 и корпусом 2 (см. рис. 2 а) обеспечивал скользящую посадку. При этом исследовали влияние шероховатости внутренней поверхности корпуса, а так же влияние полной и неполной резьбы, нанесенной на корпус и втулку, которая, в данном случае, ввинчивалась в соответствующий стальной корпус, после чего проводили дорнование с натягом 0,25; 0,50 и 0,75 мм, который определялся как полуразность конечного (d_К) и начального (d_Н) после дорнования бронзовой втулки (рис. 2 б). Диффузионную сварку бронзовой втулки со стальным корпусом проводили в вакуумной печи модели СШВЭ – 1.2,5/25И2 при температуре 750°С в течение 30 минут при вакууме не ниже 10 ^-5 мм. рт. столба.

Далее каждую втулку разрезали на 4 равные части на верхней части - В, средней - С и нижней - Н (см. рис. 2 б) определяли адгезионную прочность соединения сталь – бронза путем выпрессовки бронзовой втулки из корпуса с записью диаграммы Р (усилие) – сдвиг, мм втулки относительно корпуса (рис. 2 в). Показатели адгезионной прочности определяли как результат деления максимального усилия «выпрессовки» на «площадь» поверхности сварки (τ_сдв=Р_max/2πrh, МПа).

При увеличении шероховатости сопрягаемых поверхностей с 2,2 до 5,5 HRa при натяге 0,5 мм адгезионная прочность растет с 12 до 30 Мпа соответственно. Это обусловлено тем, что площадь контакта возрастает, в соответствующих образцах, пропорционально показателю Ra.

Для зоны соединения, полученного дорнованием с натягом 0,75 мм, характерна волнистость (см. рис. 3 г). Причиной ее формирования, по-нашему мнению, является структурное состояние стали, а именно, эта сталь содержит 80% зерен феррита (HV⁵⁰ 100 ед.) и 20% зерен перлита (HV⁵⁰ 200 ед.). Это приводит к тому, что в процессе дорнования деформируется не только бронза, но и сталь и в первую очередь, ее мягкая ферритная составляющая. Наблюдаемый микрорельеф зоны соединения благоприятен с точки зрения адгезионной прочности.

Далее было оценено влияние резьбы М24, нанесенной на стальную втулку и корпус (рис. 4 б, в), на адгезионную прочность сварных соединений в зависимости от параметров резьбы, величины натяга, предварительного отжига бронзовой втулки перед дорнованием. Результаты представлены в таблице.

Таблица

Влияние натяга при дорновании, параметров резьбы М24: полная h = 1,4 мм; неполная h = 0,5 мм (рис. 4 б, в) и отжига втулки БрО12 на адгезионную прочность сварного соединения

При сварке гладких поверхностей τ_сдв сильно зависит от натяга и только натяг ≥ 0,75 мм обеспечивает высокую адгезионную прочность.

Более подробно, механизмы и факторы, влияющие на формирования показателей адгезионной прочности рассмотрены нами в работах [5-7].

Данный технологический процесс в производственных условиях можно осуществлять в общепромышленной вакуумной электропечи сопротивления. Поэтому многофункциональная вакуумная печь модели СЭВЭ-3.3/13-ИМ-НИТТИН подверглась существенной переработке и была адаптирована (кастомизированна) под практическое внедрение технологии диффузионной сварки без приложения внешнего давления.

Буквенно-цифровая маркировка нового типоисполнения печи (рис. 4) модели СЭВЭ-3.3/9-ИДС-НИТТИН:

С – вид нагрева – сопротивлением;

Э – основной конструктивный признак – элеваторная;

В – характер среды в рабочем пространстве – вакуум;

Э – вид теплоизоляции – экранно-вакуумная, нагревательный модуль — цельнометаллический;

3 – диаметр рабочего пространства, дм;

3 – высота рабочего пространства, дм;

9 – номинальная температура, ⁰С, условно уменьшенная в 100 раз;

ИДС – исполнение для диффузионной сварки, при которой давление сжатия происходит с помощью термического натяжения, возникающего при нагреве материалов с различными коэффициентами термического расширения;

НИТТИН – торговая марка российского производителя Электропечи.

Рис. 4. Вакуумная электропечь модели СЭВЭ-3.3/9-ИДС-НИТТИН

В случае бронзирования крупных деталей кастомизация печей может быть развернута в линейку типоисполнений с увеличенным размером рабочего пространства СЭВЭ-5.5/9-ИДС-НИТТИН и СЭВЭ-7.7/9-ИДС-НИТТИН.

Таким образом, в данном исследовании обоснована и экспериментально подтверждена новая технология диффузионной сварки в вакууме без приложения внешнего давления для «бронзирования» рабочих поверхностей аксиально-поршневых гидронасосов, которая включает дорнование бронзовой втулки, установленной в рабочие каналы с натягом 0,75 мм и последующий вакуумный диффузионный отжиг (диффузионная сварка) при 750 °С в течении 30 минут.

При этом давление, необходимое для обеспечения диффузионной сварки, формируется за счет разности термического расширения бронзы и стали в процессе нагрева и выдержки при 750 °С, 30 минут [7].

Данная разработка позволила создать рациональную технологию бронзирования внутренних отверстий корпуса типа 310.4.56.260 СБ для ОАО «Пневмостроймашина», г. Екатеринбург с особо высокой адгезионной прочностью соединения сталь – бронза (τ_СДВ ≥ 180 МПа).

Для последующего промышленного внедрения новой технологии можно использовать линейку вакуумных электропечей моделей СЭВЭ-3.3/9-ИДС-НИТТИН, СЭВЭ-5.5/9-ИДС-НИТТИН и СЭВЭ-7.7/9-ИДС-НИТТИН.

Литература

1. Зубченко А.С. Марочник сталей. Изд. 2-е пераб. и доп. // М.: Машиностроение-1, 2003. 783 с.

2. ГОСТ 613 – 79 (ИСО 4383 – 91). Бронзы оловянные литейные. Марки. М.: Изд-во стандартов, 2000. 5 с.

3. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3-х т.: Т. 2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. 1024 с.

4. Лифшиц Б.Г. Металлография. Изд. 2-е // М.: Металлургия, 1971. 405 с.

5. Потехин Б.А., Измайлов Д.К., Христолюбов А.С., Илюшин В.В. Технология изготовления подшипников скольжения диффузионной сваркой // В журнале «Известия ВУЗов» ЧМ. № 4. 2006. С. 33-35.

6. Потехин Б.А., Измайлов Д.К. Особенности диффузионной сварки в вакууме без приложения внешнего давления // Сварочное производство. 2008. № 2. С. 8-13.

7. Патент № 2549786 RU, МПК В23К 20/14. Способ диффузионной сварки в вакууме без приложения внешнего давления / Потехин Б.А., Христолюбов А.С., Измайлов Д.К. (RU). – 2013137957/02; Заявл. 13.08.2013; Опубл. 27.04.2015 Бюл. № 12