СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА СРЕЗ СОЕДИНЕНИЯ СЛОЯ С ОСНОВОЙ
METHOD FOR PRODUCTION OF SAMPLE FOR SHEAR TEST OF LAYER JOINT TO BASE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления образца для испытания на срез соединения слоя с основой. Изобретение может найти применение при испытании на срез соединения слоя с основой в изделиях типа подшипников скольжения, многослойных труб, широко используемых в области энергетики, транспорта, а также в нефтяной и газовой промышленности, где к достоверности результатов испытаний перечисленных изделий и оценке их качества предъявляют высокие требования.
Нанесение слоя на основу в указанных изделиях включает, как правило, литье металла слоя на основу [1]. Для повышения качества соединения возможно применение пластического деформирования слоя, как, например, в способе изготовления биметаллической трубы [2], где соединение слоя с основой образовано в процессе нанесения металла слоя на металл основы центробежным литьем и пластического деформирования металла слоя методом раздачи либо обжима трубы.
Наиболее качественное изделие получается при использовании воздействия давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, в том числе в условиях сверхпластичности, например, при формировании баббитового слоя подшипников скольжения [3, 4]. В результате использования таких приемов слой имеет частично или полностью деформированную макро- и микроструктуру, что повышает эксплуатационные свойства изделия.
Для испытания на срез соединения слоя с основой в перечисленных изделиях существуют различные способы изготовления образца.
Известен способ изготовления образца для испытания на срез соединения слоя из менее тугоплавкого металла с основой из более тугоплавкого металла [5], при котором часть образца из металла слоя располагают в полости приспособления, служащей тиглем, и расплавляют в электропечи. Часть образца из металла основы размером 3×5×40 мм закрепляют в пазах железной оправки, погружают в расплав металла слоя, при этом формирование соединения слоя с основой осуществляют в процессе взаимодействия металла основы с расплавом металла слоя в стационарном состоянии. Из полученного биметаллического слитка изготавливают образец в виде призматической пластины, имеющей надрезы до границы раздела со стороны каждой из частей образца, соответственно слоя и основы, с целью создания испытуемой площадки среза.
Технологические возможности способа ограничены, поскольку изготовленный образец может быть использован только для испытания качества соединения слоя с основой в изделиях, в которых нанесение слоя на основу осуществляется литьем.
Использование указанного образца для испытания на срез соединения слоя с основой в изделиях, изготовленных с использованием воздействия давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, ведет к недостоверности результатов испытания.
Кроме того, в способе [5] доведение полученного слитка до готового образца предполагает значительный объем механической обработки, заключающийся в зачистке поверхностей образца, смежных с поверхностью соединения частей образца из металлов слоя и основы, от металла слоя, закристаллизовавшегося после погружения в расплав, а также в выполнении надрезов в каждой из частей образца. Выполнение надрезов может привести к частичному или полному нарушению соединения частей образца.
Известен способ изготовления образца для испытания на срез соединения слоя с основой в изделии типа биметаллической трубы [2], когда образец вырезают непосредственно из биметаллической трубы, после чего выполняют в нем подрез и проточку с целью создания испытуемой площадки среза.
Как было отмечено выше, соединение слоев биметаллической трубы образовано в процессе центробежного литья металла слоя на металл основы и пластического деформирования металла слоя методом раздачи либо обжима трубы, причем воздействие деформирующим инструментом осуществляют после окончательного затвердевания слоя.
Воздействие давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, в данном способе не предусмотрено.
Следовательно, технологические возможности способа изготовления образца, как и в предыдущем случае, ограничены.
Использование образца, изготовленного по данному способу, для испытания на срез соединения, полученного с использованием воздействия давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, ведет к недостоверности результатов испытания.
По этой же причине образец не может быть использован для испытания изделий, где пластическая деформация слоя осуществляется в особых условиях, например в условиях сверхпластичности.
Кроме того, выполнение подреза и проточки в образце увеличивает трудоемкость изготовления образца, а также может привести к преждевременному частичному или полному нарушению соединения частей образца из металлов слоя и основы.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего при необходимости расширить его технологические возможности для изготовления образца для испытания на срез соединения слоя с основой в изделиях, полученных как литьем металла слоя, так и литьем с воздействием давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, в том числе деформации в условиях сверхпластичности.
Задачей изобретения является снижение трудоемкости изготовления образца за счет исключения механической обработки образца.
Поставленная задача решается в случае, когда способ изготовления образца для испытания на срез соединения слоя с основой в изделии, полученном методом, включающим литье металла слоя на основу, отличается от известного тем, что часть образца в виде кольца, представляющую собой основу, укладывают на плоскую поверхность нижнего элемента приспособления для осуществления способа, на кольцо устанавливают плоской поверхностью верхний элемент приспособления, имеющий центральное отверстие для заливки металла, диаметром, меньшим внутреннего диаметра кольца, с образованием элементами приспособления и кольцом полости для формирования части образца, представляющей собой слой, при этом количество заливаемого металла выбирают достаточным для заполнения вышеупомянутой полости и части центрального отверстия верхнего элемента приспособления, диаметр которого выбирают также из условия, чтобы кристаллизации металла в упомянутой полости предшествовала кристаллизации металла в отверстии, а также с возможностью размещения в нем пуансона.
Поставленная задача также решается в случае, когда:
- после кристаллизации осуществляют деформирование слоя посредством пуансона,
- в процессе кристаллизации к металлу, находящемуся в отверстии, прикладывают давление посредством пуансона,
- после кристаллизации под давлением осуществляют деформирование слоя посредством пуансона.
Сущность изобретения заключается в том, что в заявляемом способе испытуемая площадка среза создается в процессе заливки металла. Металл заливается в полость, образованную за счет взаимного расположения элементов приспособления для осуществления способа и части образца в виде кольца, представляющей собой основу. В полости формируется часть образца, представляющая собой слой.
Для обеспечения заливки металла в упомянутую полость количество металла выбирают достаточным для заполнения не только полости, но и части отверстия верхнего элемента приспособления, диаметр которого выбирают, во-первых, из условия образования полости для формирования части образца, представляющей собой слой, во-вторых, чтобы в нем металл в процессе кристаллизации слоя сохранялся в жидком состоянии, в-третьих, из условия размещения в нем пуансона.
При этом часть металла слоя, расположенная в отверстии верхнего элемента приспособления, служит также для подпитки слоя в процессе его кристаллизации. Данный прием обеспечивает качество литья на уровне не ниже качества центробежного литья, используемого при изготовлении биметаллических труб.
Взаимное расположение элементов приспособления и части образца в виде кольца, представляющей собой основу, описанная выше, а также часть металла, которая остается в отверстии, в совокупности позволяют расширить технологические возможности способа, а именно производить как вышеописанное литье металла слоя, так и литье с воздействием давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, в том числе деформации в условиях сверхпластичности посредством пуансона, располагаемого в отверстии верхнего элемента приспособления.
При этом давление пуансона передается на слой, расположенный в полости, через металл, расположенный в отверстии верхнего элемента приспособления. При этом часть металла образца, расположенного в процессе его изготовления в отверстии верхнего элемента приспособления, остается в виде технологического остатка, не препятствующего дальнейшим испытаниям образца на срез.
Поскольку испытуемая площадка среза создается в процессе заливки металла слоя, исключается механическая обработка образца после образования соединения частей образца.
Использование образца, изготовленного по заявляемому способу, позволяет повысить достоверность результатов испытания образца на срез соединения слоя с основой для изделий, полученных не только литьем, но и литьем с воздействием давления на металл слоя в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации, в том числе деформации в условиях сверхпластичности. Таким образом, способ изготовления образца отражает реальную технологию изготовления изделий, например технологию изготовления баббитовых подшипников скольжения [3, 4], где используется воздействие давлений на баббитовый слой в процессе его кристаллизации и последующей пластической деформации слоя из баббита.
Изобретение поясняется чертежами, где изображены:
фиг.1 - схема осуществления способа - операция образования полости для формирования части образца, представляющей собой слой;
фиг.2 - схема осуществления способа - операция литья металла с кристаллизацией под давлением (слева) и пластического деформирования слоя (справа);
фиг.3 - эскиз образца, изготовленного по заявляемому способу;
фиг.4 - фотография образца, изготовленного по заявляемому способу;
фиг.5 - схема испытания на срез образца, изготовленного по заявляемому способу;
фиг.6 - фотография элементов приспособления для осуществления способа в сборе и части образца в виде кольца, представляющей собой основу, образующих полость для формирования части образца, представляющей собой слой;
фиг.7 - фотография частей образца после испытания на срез.
Часть образца 1 в виде кольца, представляющая собой основу, расположена между плоскими поверхностями элементов 2 и 3 приспособления (фиг.1). В верхнем элементе 3 выполнено центральное отверстие 4. Для фиксации и зажима кольца между плоскими поверхностями элементов приспособления служит крепеж 5. В качестве крепежа для прижима могут применяться болты с пружинами, пружинными шайбами для создания противодавления либо другие крепежные устройства для возможности прижима и создания противодавления. Плоские поверхности элементов и внутренняя поверхность кольца образуют полость 6 для формирования части образца, представляющей собой слой. Центральное отверстие верхнего элемента выполнено диаметром, меньшим внутреннего диаметра кольца, но достаточным для размещения и сохранения в жидком состоянии заливаемого металла 7 и в последующем - пуансона 8 (фиг.2).
Готовый образец (фиг.3) состоит из частей, представляющих собой слой 9 и основу 1. Часть образца из металла слоя может содержать технологический остаток 10.
Способ осуществляют следующим образом.
Часть образца 1 в виде кольца, представляющую собой основу, устанавливают на плоскую поверхность 2 нижнего элемента приспособления (фиг.1). На кольцо устанавливают верхний элемент приспособления 3 и зажимают кольцо между плоскими поверхностями элементов посредством крепежа 5. Производят заливку металла слоя образца 7 в центральное отверстие 4 верхнего элемента приспособления.
В процессе кристаллизации залитого слоя металл слоя, расположенный в отверстии приспособления, остается длительное время жидким и обеспечивает подпитку слоя.
После затвердевания металла слоя готовый образец извлекают из приспособления, для чего осуществляют разъем элементов приспособления, снятие верхнего элемента.
В случае применения давления пуансона в процессе кристаллизации металла слоя образца после заливки металла слоя в отверстие 4 к зеркалу расплава подводят пуансон 8 и прикладывают давление посредством пуансона, которое распространяется на слой. Воздействием пуансона также осуществляют пластическое деформирование слоя.
Конкретные примеры осуществления способа.
В качестве примера изготавливали образец для испытания на срез соединения антифрикционного слоя с основой подшипника скольжения. В качестве металла слоя использовали широко распространенный для подшипников скольжения оборудования энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности антифрикционный сплав баббит состава Sn-Sb11-Cu6 (Б83), температура затвердевания которого составляет 237°С. В качестве металла основы использовали сталь 20. Элементы приспособления выполнены из стали 45.
Приведенные примеры не исчерпывают всех случаев осуществления изобретения, в том числе, связанных с другими материалами.
Режимы литья и подготовки поверхности основы при выполнении данного примера выбирали исходя из известных технологических рекомендаций, используемых при заливке баббита на основу при формировании антифрикционного слоя подшипника скольжения.
Пример 1. Поверхность части образца 1, представляющую собой внутреннюю поверхность кольца, контактирующую с металлом слоя, подготавливали: подвергали чистке, травлению, лужению. Устанавливали кольцо на элемент 2 приспособления. На свободную поверхность кольца устанавливали элемент 3 и осуществляли прижим кольца посредством крепежа. Собранное приспособление нагревали до температуры 240°С в печи электросопротивления. Одновременно осуществляли плавку баббита при 450°С. Далее производили заливку баббита в центральное отверстие 4 верхнего элемента приспособления. После охлаждения системы производили разъем элементов 2 и 3 и извлечение готового образца из приспособления. Визуальный и металлографический анализ образца выявил более качественный слой в зоне соединения слоя и основы в виде кольца в отсутствие усадочных явлений за счет более высокой скорости охлаждения металла слоя в зоне контакта с основой.
Пример 2. Пример аналогичен примеру 1, за исключением того, что после заливки баббита в отверстие верхнего элемента приспособления и его кристаллизации, к баббиту подводили пуансон 8 и осуществляли деформирование слоя баббита посредством пуансона.
Пример 3. Пример аналогичен примеру 1, за исключением того, что в процессе кристаллизации баббита, находящегося в отверстии, прикладывали к нему давление посредством пуансона.
Пример 4. Пример аналогичен примеру 3, за исключением того, что после кристаллизации баббита под давлением осуществляли его деформирование посредством пуансона.
Пример 5. Пример аналогичен примеру 4, за исключением того, что деформирование осуществляли в условиях сверхпластичности.
Фотография образца, изготовленного по заявляемому способу приведена на фиг.4. На фиг.5 показана схема испытания образца на срез.
Источники информации
1. Н.А.Буше, С.М.Захаров, Т.Г.Яковлева. Пути экономии цветных металлов на железнодорожном транспорте / ЖДМ 02-2004, online.
2. Производство биметаллических труб и прутков. М.И.Чепурко, В.Я.Остренко, А.А.Когадеев и др. - М.: Металлургия, 1986, с.32, 178, 179.
3. Потехин Б.А., Кочугов С.П., Глущенко А.Н., Илюшин В.В. Усовершенствованная технология изготовления баббитовых подшипников скольжения / Модернизация оборудования и технологий как условие обеспечения конкурентоспособности и безопасности производства / Тезисы докладов научно-технической конференции в рамках 3 международной специализированной выставки «СВАРКА, НЕФТЕГАЗ», Екатеринбург, 2003, с.63-64.
4. Пат. 2295423, Российская Федерация, МПК B22D 19/08. Способ получения антифрикционного слоя подшипника скольжения / Барыкин Н.П., Фазлыахметов Р.Ф.; заявитель и патентообладатель Институт проблем сверхпластичности металлов РАН №2005114296/02; заявл. 03.05.05; опубл. 20.03.07, бюл. №8. - 14 с.: ил.
5. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы. - М.: Металлургия, 1965, с.46-47.