СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ЗОН СВАРКИ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ БРОНЗ
METHOD OF SURFACE HARDENING OF WELD ZONES IN ARTICLES FROM ALUMINIUM BRONZE

Изобретение относится к способу поверхностного упрочнения зон сварки в изделиях из алюминиевых бронз, при котором зоны сварки обрабатывают стальной дробью при изготовлении и ремонте изделий из этих бронз для повышения их усталостной и коррозионно-усталостной прочности, долговечности и работоспособности в условиях воздействия переменных нагрузок на воздухе и в коррозионной среде (морской воде). (За зону сварки принимаем зону в изделии, состоящую из металла шва и из бронзы шириной 30 мм, идущей от границы сплавления вокруг металла шва).
Алюминиевые бронзы марок Бр.А9Ж4Н4 и Бр.А7Мц14Ж3Н2 находят широкое применение в судостроении при изготовлении судовых гребных винтов. При изготовлении литых заготовок для получения гребных винтов из алюминиевых бронз в них образуются литейные дефекты. В процессе эксплуатации в гребных винтах образуются различного рода повреждения: коррозионные, эрозионные, механические. Многие такие дефекты и повреждения исправляются с помощью сварки.
В результате применения сварки для исправления дефектов и повреждений в гребных винтах из бронзы в них образуются неблагоприятные остаточные напряжения растяжения. Исследованиями установлено, что наличие таких остаточных напряжений приводит к снижению сопротивления усталости алюминиевых бронз в 3-5 раз. Применение после сварки термической обработки при температуре 500-550°С (принятой для гребных винтов из бронзы) для снятия неблагоприятных остаточных напряжений растяжения снижает уровень образовавшихся в результате сварки остаточных напряжений растяжения на 75-90% и позволяет повысить сопротивление усталости алюминиевых бронз, но только до 70-90% от уровня сопротивления усталости литой бронзы без сварки.
Повысить усталостную и коррозионно-усталостную прочность, долговечность и работоспособность изделий, работающих в условиях воздействия переменных нагрузок на воздухе и в коррозионных средах (морской воде) можно за счет поверхностного упрочнения зон сварки методом дробеструйной обработки. В результате такой обработки в металле зоны сварки вместо остаточных напряжений растяжения наводятся остаточные напряжения сжатия. Это приводит к тому, что повышается усталостная и коррозионно-усталостная прочность, долговечность и работоспособность изделий, работающих в условиях воздействия переменных нагрузок. Однако для поверхностного упрочнения зон сварки в изделиях из алюминиевых бронз такой способ отсутствует.
Известны способы поверхностного упрочнения металлических изделий методом дробеструйной обработки (патенты №2156683, 2157749, 2146996, 2147272, US 6153023, DE 4327096, JP 4176563, JP 2004122332, JP 2007320007, JP 2007307678, книга: Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Справочник. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с., с.249-250).
2
В «Способе обработки дробью цельнокатаных железнодорожных колес» по патенту РФ №2146996 упрочнение осуществляется с применением дроби диаметром 2,8-3,2 мм при давлении воздуха 4,6-5,5 кгс/мм в течение 4-8 минут. В «Способе упрочнения стальных пластин» по патенту РФ №2156683 упрочнение осуществляется стальной дробью сначала диаметром 2-3 мм, а затем диаметром 1,0-1,5 мм. В «Дробеструйном методе упрочнения» по патенту JP №2007320007 для упрочнения используется дробь диаметром от 1,0 до 3,0 мм. В «Дробеструйном методе упрочнения» по патенту JP №2185370 упрочнение осуществляется дробью диаметром 1,0-1,2 мм или дробью диаметром 0,4-0,6 мм.
2
Наиболее близким к предлагаемому способу упрочнения зон сварки в изделиях из алюминиевых бронз по технической сущности, принятому нами за прототип, является способ поверхностного упрочнения стали дробеструйной обработкой, приведенный в статье: Клестов М.И., Степанов В.Г. Определение оптимального режима поверхностного упрочнения стали Ю3 дробеструйной обработкой. Технология судостроения, 1972 г., №8, с.107-111. При этом способе упрочнение металла осуществляется дробью диаметром 1,0-1,5 мм в два прохода со временем обработки 10-15 с при давлении воздуха 5 кг/см, подаче дроби в зону обработки в количестве 6-8 кг/мин и угле атаки дроби 90°.
Применение способа поверхностного упрочнения стали дробеструйной обработкой, принятого в качестве прототипа, для упрочнения зон сварки в алюминиевых бронзах позволяет получить в бронзах упрочненный слой толщиной от 0,1 до 0,3 мм, что является недостаточным, так как при удалении шероховатости, образовавшейся на поверхности бронзы в процессе упрочнения, снимается слой металла толщиной 0,15-0,20 мм. Остающийся в зоне сварки металл либо вообще не имеет упрочненного слоя, либо имеет упрочненный слой толщиной всего 0,10-0,15 мм, что не обеспечивает длительной эксплуатации изделия из бронзы из-за отсутствия упрочненного слоя или быстрого его стравливания в условиях эксплуатации в коррозионной среде (в морской воде).
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа поверхностного упрочнения дробью зон сварки в изделиях из алюминиевых бронз, обеспечивающего образование в ней упрочненного слоя металла толщиной не менее 0,7 мм, в котором вместо остаточных напряжений растяжения наводятся остаточные напряжения сжатия, что приводит к повышению усталостной и коррозионно-усталостной прочности изделий из бронзы с зонами сварки.
-3
-3
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что упрочнение всей поверхности зоны сварки, состоящей из поверхности металла шва и поверхности бронзы на расстоянии 30 мм от границы ее сплавления со швом, производят дробью диаметром 1,6-2,4 мм дискретно участками, в пределах каждого из которых дробью воздействуют на упрочняемую поверхность с кинетической энергией в пределах от 0,68×10 Дж до 2,93×10 Дж в течение 120-240 с из неподвижно расположенной рабочей головки, а упрочненный слой по всей зоне сварки создают толщиной не менее 0,7 мм; при этом упрочняемые участки следуют последовательно один за другим по длине и по ширине зоны упрочнения с шагом между участками 15-20 мм при диаметре поверхности, на которой образовалась шероховатость в виде микролунок в процессе упрочнения дробью, равном 40-60 мм.
Исследования по влиянию режимов дробеструйного упрочнения (время обработки поверхности изделия на каждом участке, шаг между участками, энергия воздействия дроби на упрочняемую поверхность, диаметра дроби) на величину зоны упрочнения и распределение твердости по сечению этой зоны проводили путем упрочнения зон сварки образцов из алюминиевых бронз. Для этого на пластинах из бронз марок Бр.А9Ж4Н4 и Бр.А7Мц14Ж3Н2 размером 100×100×15 мм были механическим путем получены несквозные имитированные дефекты двух типов: глубиной 5 мм и диаметром 14 мм и глубиной 5 мм и площадью 50×70 мм. Полученные дефекты заваривали ручным аргонодуговым способом неплавящимся электродом на переменном токе с применением присадочной проволоки диаметром 3 мм из бронз марок соответственно Бр.АЖНМц8,5-4-5-1,5 и Бр.МцАЖН12-8-3-2. Упрочнение образцов выполнялось с применением стальной дроби диаметром 1,6-2,4 мм при давлении сжатого воздуха 0,6-0,7 МПа, угле атаки дроби 90°, расходе дроби 7-8 кг/мин. Оценку толщины и твердости упрочненного слоя выполняли на микрошлифах, вырезанных в поперечных сечениях упрочненных образцов. Определение микротвердости проводилось с использованием микротвердомера AFFRI DM-8 при нагрузке 100гс. Результаты оценки влияния режимов упрочнения на толщину упрочненного слоя приведены в таблице.
Влияние режимов упрочнения на толщину упрочненного слоя в зонах сварки алюминиевых бронз марок Бр.А9Ж4Н4 и Бр.А7Мц14Ж3Н2
Способ упрочнения
№
Параметры режимов упрочнения
Толщина упрочненного слоя, мм
Диаметр дроби, мм
Длительность обработки при подаче дроби, с
Количество проходов
Перемещение рабочей головки в процессе обработки при подаче дроби
По прототипу
1
1,5
10-15
2
да
0,1-0,3
Предлагаемый способ упрочнения
2
1,2-1,5
30-50
1
нет
0,2-0,3
3
1,2-1,5
60-90
1
нет
0,3-0,4
4
1,2-1,5
100-170
1
нет
0,3-0,5
5
1,2-1,5
180-200
1
нет
0,4-0,5
6
1,6-2,4
30-80
1
нет
0,3-0,5
7
1,6-2,4
90-110
1
нет
0,5-0,6
8
1,6-2,0
120-170
1
нет
0,7-0,9
9
1,6-2,0
180-240
1
нет
0,8-0,9
10
2,0-2,4
120-170
1
нет
0,8-0,9
11
2,0-2,4
180-240
1
нет
0,8-0,9
12
2,0-2,4
250-300
1
нет
0,8-0,9
13
2,5-3,0
180-240
1
нет
0,8-0,9
-3
-3
Из приведенной таблицы видно, что при упрочнении зон сварки в изделиях из алюминиевых бронз по прототипу толщина упрочненного слоя составляет всего 0,1-0,3 мм, при этом толщина упрочненного слоя на готовом изделии (после удаления шероховатости) составит 0-0,15 мм. При упрочнении по предложенному варианту толщина упрочненного слоя составляет не менее 0,7 мм, а после удаления шероховатости 0,5-0,55 мм, что значительно больше, чем по прототипу. При упрочнении поверхности зоны сварки дробью с длительностью обработки поверхности дроби менее 120 с толщина упрочненного слоя составляет менее 0,7 мм, а при увеличении длительности обработки более 240 с толщина упрочненного слоя практически не изменяется. Упрочнение зон сварки дробью при кинетической энергии удара дроби о поверхность металла зоны сварки меньше 0,68×10 Дж не позволяет получить толщину упрочненного слоя, равную 0,7 мм; при увеличении кинетической энергии более 2,93×10 Дж толщина упрочненного слоя изменяется незначительно.
Упрочнение зон сварки с шагом более 15-20 мм не обеспечивает получение толщины слоя 0,7 мм по всей поверхности упрочнения; встречаются отдельные участки, где толщина упрочненного слоя составляет 0,6 мм и даже 0,5 мм. И только при шаге 15-20 мм по всей поверхности упрочнения обеспечивается толщина упрочненного слоя не менее 0,7 мм. Упрочнение зон сварки с шагом менее 15 мм не позволяет увеличить толщину упрочненного слоя.
Приведенные в таблице результаты подтверждают правильность технического решения и выбранных параметров режимов упрочнения.
Экономический эффект от предложенного изобретения обеспечивается за счет повышения усталостной и коррозионно-усталостной прочности, надежности, работоспособности изделий из алюминиевых бронз с зонами сварки, работающих в условиях воздействия переменных нагрузок на воздухе и в коррозионной среде (морской воде).