Исследование свойств новых палладиевых сплавов и совершенствования технологии их обработки

Термическое влияние параметров импульсной сваркиметодом..

Кусков В.Н., Зябкин О.В., Крылов А.П., Потапов Д.А.

со 110 до 130 м/ч каких-либо значимых изменений структуры не вызвало. Величина Ут не влияет на суммарное тепловложение, т.к. электроника источника питания автоматически регулирует напряжение дуги при изменении скорости подачи сварочной проволоки.

Механические свойства обусловлены структурой металла и в среднем составляют: предел прочности на разрыв свр=509 МПа, условный предел текучести с02=335 МПа, твердость 50 НЯС.

Выводы

1. По регистрограммам электрических параметров импульсной сварки методом 8ТТ установили уравнение регрессии, по которому можно определить суммарное тепловыделение в зависимости от длительно -сти заднего фронта импульса, базового и пикового токов без проведения эксперимента, что позволяет

подбирать параметры сварки с ограниченным тепло-вложением в свариваемый металл.

2. Расчеты показали, что максимальная температура на обратной поверхнос ти плас тины при наплавке методом STT не превышает 770°С, что подтверждено термограммами, полученными с помощью тепловизора Fluke Ti30. Протяженность теплового поля выше 700°С при наплавке методом STT в большинстве случаев на 25% меньше, чем при использовании ручной дуговой сварки.

3. Экспериментально установлено, что основное влияние на изменение структуры наплавленного и основного металла оказывают скорость сварки и сила базового тока. Такие параметры, как сила пикового тока и скорость подачи электродной проволоки, оказывают минимальное влияние.

УДК 621.777:669.231.7

Рудницкий Э.А, Довженко Н.Н., Ходоков Б.П

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НОВЫХ ПАЛЛАДИЕВЫХ СПЛАВОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ОБРАБОТКИ

Возрастающий интерес ювелирной промышленности к палладию вызван возможностью использования данного элемента как альтернативного материала «белому золоту» и платине. Палладий - новый металл в ювелирной промышленности, при этом, обладая сходными эстетическимисвоштвами (цвет, блеск), аффинированный палладий ниже по стоимости в сравнении с золотом и платиной. Низкая плотность в сравнении с аналогами делает изделия из палладия и его сплавов легче, ориентировочно, на 35-45% изделий из золота и платины в зависимости от легирующих компонентов. По физико-химическим и механическим свойствам палладиевые сплавы практически не уступают изделиям из платины и золота, а некоторые характеристики

Составы экспериментальных сплавов палладия 850 пробы

Номер спла- ва Содержание компонентов, %

Пал- ладий Се- ребро Золо- то Медь Родий Мо- либден Титан

1 85,0 15,0 - - - - -

2 85,0 13,0 2,0 - - - -

3 85,0 3,0 2,0 10,0 - - -

4 85,0 13,0 - 2,0 - - -

5 85,0 2,0 - 13,0 - - -

6 85,0 14,8 - - - 0,3 -

7 85,0 14,5 - - 0,5 - -

8 85,0 14,2 - - 0,5 0,3 -

9 85,0 12,5 2,0 - 0,5 - -

10 85,0 12,2 2,0 - 0,5 0,3 -

11 85,0 3,0 2,0 9,2 0,5 0,3 -

12 85,0 12,5 - 2,0 0,5 - -

13 85,0 12,2 - 2,0 0,5 0,3 -

14 85,0 2,0 - 12,2 0,5 0,3 -

15 85,0 - 2,0 13,0 - - -

16 85,0 - 2,0 12,0 0,5 - 0,5

даже превышают их. Так, например, повышенная твердость палладиевых сплавов придает повышенную износостойкость ювелирным изделиям. Кроме того, палладий полезен для организма человека, так как является гипоаллергенным металлом.

Несмотря на преимущества сплавов на основе палладия, они среди ювелиров России пока пользуются ограниченным спросом. Эю объясняется тем, что на данный момент промышленные технологии по изготовлению ювелирных изделий и полуфабрикатов из палладия и его сплавов построены на основе технологий обработки золото- и платиносодержащих сплавов. Основное оборудование, которое применяется на современном производстве, предназначено для обработки золота и платины. Отсутствие новых технологий для изготовления конечных изделий из палладиевых сплавов и оборудования для их реализации ведет к нарушению и нестабильности технологического процесса, что снижает его эффективность.

Таким образом, актуальной является задача раз -работки новых сплавов и эффективных технологии производства проволок тонких сечений из новых сплавов на основе исследований их свойств и структуры, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к полуфабрикатам для автоматной вязки цепей.

Критериями этих разработок является повышенный уровень механических свойств (например, относительное удлинение до 50%), высокая коррозионная стойкость и отражательная способность, хорошая обрабатываемость и полировка, отсутствие цветов побежалости, возможность аргонно-дуговой сварки проволоки при изготовлении цепей.

Технология получения новых сплавов включает в себя использование легирующих элементов в виде серебра, золота, меди, родия, молибдена, титана в различной их комбинации. Состав экспериментальных палладиевых сплавов с содержанием палладия 85%

представлен в таблице [1].

Выбор граничных значений содержания легирующих компонентов обусловлен следующим. Содержание меди в пределах 2-13 мае.% является оптимальным для замещения палладия в сплаве. Добавка молибдена в пределах 0,3 мас.% может рассматриваться в качестве модифицирующей, измельчая зерно сплава, что приводит к улучшению качества изделий, полученных методом литья и обработки давлением.

Родий в пределах 0,5 мас.% наряду с проявляющимся модифицирующим действием является упрочняющей добавкой, повышающей антикоррозионные свойства сплава, препятствующей взаимодействию сплава с фор-момассой и улучшающей (осветляющей) цветовую гамму сплава. Титан в пределах 0,5 мас.% снижает эффект газовыделения при сварке звена цепи путем связывания части газовых примесей в устойчивые химические соединения. Кроме того, наличие в сплаве серебра, золота и меди в указанных количествах обеспечивает снижение температуры литья на 50-100° С.

Экспериментальные исследования литых заготовок и деформированных образцов проведены на основании технологии получения проволочных полуфабрикатов. Технологическая схема представляет собой многостадийную операцию, включающую в себя шихтовку компонентов сплава, литье, протяжку литого слитка (ковка), сортовую прокатку и волочение с промежуточными отжигами (рис. 1).

Структурные исследования образца в литом состоянии показали, что на плоском полированном шлифе без травления (рис. 2, а) наблюдаются темные точки, соот-

ветствующие микропорам, образующимся при литье. После травления (рис. 2, б) в микроструктуре выявляется относительно равнэмернэ распределенная гетерогенность, свидетельствующая об образовании дендритной ликвации (химической неоднородности по сечению дендритных ячеек), образующейся обычно в любых сплавах типа твердых растворов в результате подавления диффузионных процессов, которыми должны сопровождаться процессы кристаллизации в период охлаждения кристаллизуемого металла в литейной форме.

Модифицирование сплава молибденом значительно измельчает структуру сплава. В лабораторных условиях сплав № 1 модифицировали молибденом в количестве 0,3% (вес.). При этом устойчивость химической неоднородности в таком тройном сплаве оказывается выше, чем в двухкомпонентном сплаве, поскольку после отжига при температуре 1050°С даже с выдержкой 3 ч структура дендритного характера сохраняется и оказывается сильно выраженной (рис. 3).

Механические свойства деформированных полуфабрикатов из разработанных палладиевых сплавов характеризуются высокими пластическими показателями, позволяющими деформировать заготовку до єсум=90% и выше без промежуточных отжигов, что характеризует сплавы как высокотехнологичные. Палладиевые сплавы, содержащие в своем составе серебро, имеют высокие прочностные характеристики, добавление в состав таких компонентов, как золото и медь понижает предел прочности, причем полное исключение из состава сплава серебра приводит к значительному снижению величины временного со -

Шихтовка

Плавка

Литье слитка

Опробование

Гомогенизационный отжиг

Ковка

Рекристаллизационный отжиг

Сортовая прокатка

Рекристаллизационный отжиг

Сортовая прокатка

т

Рекристаллизационный отжиг

I ~

Волочение

Рис. 1. Технология получения проволоки

% I' V4 «V ^ •<«

€€ СЧ^Г V

а б

Рис. 2. Структуры образцов сплава № 1, увеличение х120: а - образец без травления; б - протравленный образец

а б

Рис. 3. Структурасплава № 6, увеличение х200: а - в литом состоянии; б - после отжига 1050°С

Исследование свойств новых палладиевыхсплавов..

Рудницкий Э.А., Довженко Н.Н., Ходюков Б.П.

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

20 40 60 80

Степень деформации - єсум, %

-№1----------№2----------№4------------№15

Степеньдеформации - єсум, %

-№1-------№2-------№4-------№ 15

Рис. 4. Механическиесвойствав зависимости от суммарной степени деформации

Величина деформации - е, %

* 800 °С, 15 мин., атм.

° 850 °С, 40 мин., атм.

950 °С, 60 мин., Аг 150 л/ч |"_ 1000 °С, 60 мин., Аг 150 л/ч, + 08% И]. Мо

Рис. 5. Сопротивлениедеформациисплава№ 1 при растяжении деформированных образцов, отожженных при различных условиях

х60 х120

Рис. 6. Внешний вид сварного соединения звена цепи сплава № 2

противления разрыву (рис. 4).

Исследования кривых деформационного упрочнения, снятых с диаграмм растяжения, показывают влияние температуры термической обработки на свойства проволочных полуфабрикатов. Повышение температуры и времени отжига сплава № 1 приводит к снижению прочностных характеристик с одновременным понижением пластических свойств. Модифицирование сплава родием и молибденом повышает уровень механических свойств, при увеличении температуры отжига с 950 до 1000°С имеет равный предел прочности, однако харак-

тер изменения сопротивления деформа-цииразличен. При 1000°С, 60 минотжиг в атмосфере аргона, характер кривой упрочнения характеризуется «зубом» и площадкой текучести, что свидетельствует о явлении резкой текучести при переходе упругой деформации к пластической (рис. 5).

В соответствии с полученным уровнем механических свойств разработаны технологические режимы ковки, сортовой прокатки и волочения [2] для исследуемых сплавов. Эго позволило усовершенствовать термо механические режимы обработки сплавов с целью повышения эффективности производства ювелирных изделий в виде цепей. Режимыпротяжкис величиной относительной подачи 1,0-1,7 позволяют получать равномерно и интенсивно проработанную структуру палладиевого слитка, что обеспечивает стабильные свойства по его длине. Усовершенствование калибровки для сортовой прокатки палладиевых сплавов позволяет пов ысить производи -тельностъ прокатного стана, снизив количество переходов с 45 до 26. Расчет напряженно-деформированного состояния в процессе волочения позволил определить уровень остаточных напряжений по сечению проволоки, влияющих на возникновение микротрещин на завершающей операции гибки звеньев пепи.

Изготовление цепей из проволоки разработанных сплавов сопровождается возникновением дефектов, анализ которых свидетельствует о том, что в зоне сварных швов имеются поры часто сферической конфигурации (рис. 6). Эффект интенсивного высокоскоростного парообразования в сплавах палладия с серебром, обнаруженный в процессе исследований, можно связать с химическим взаимодействием кислородных атомов, концентрирующихся в областях, обогащенных серебром, с атомами водорода, насыщающими области на основе палладия. Одновременное расплавление обоих твердых растворов при плазменном нагреве в зоне сварки обеспечивает концентрацию обоих газов в расплаве и их химическое взаимодействие с образованием паров воды. Это явление нами названо «внутренним горени-

0

а б в

Рис. 7. Внешний вид сварного шва цепи, увеличение х120: а - вакуумная обработка сплав № 2; б - модифицирование № и И сплава № 2; в - бессерябряный сплав № 15

ем водорода» [2].

Исключение возникающего дефекта возможно несколькими способами: вакуумная термическая обработка готовой проволоки с целью отвода газовых включений из полуфабриката; модифицирование сплава родием и титаном (0,3-0,5%) с целью увязывания газовых примесей; изменение химического состава сплава за счет исключения серебра как легирующего компонента [3]. Анализ полученных данных показывает положительное влияние принятых решений, причем максимальный эффект проявляется при аргонно-дуговой сварке сплава, не содержащего серебро (рис. 7).

Таким образом, в результате исследований:

- предложен состав новых палладиевых сплавов, которые можно использовать для изготовления проволоки тонких сечений;

- установлены закономерности изменения механических свойств и структуры литых и деформированных полуфабрикатов из новых сплавов в зависимости от их химического состава и термомеханических режимов обработки;

- выявлен механизм образования пор в зоне сварного шва (гипотеза «внутреннего горения водорода» серебросодержащих сплавов) при аргонно-дуговой сварки звеньев цепи и разработаны технологические режимы и сплавы, позволяющие исключить этот дефект при изготовлении ювелирных цепей;

- усовершенствованы технологические режимы обработки палладиевых сплавов методами ковки, прокатки, волочения, обеспечивающие комплекс характеристик, предъявляемых к деформированным полуфабрикатам для получения ювелирных изделий;

- результаты исследований позволили повысить эффективность технологического процесса получения проволоки из палладиевых сплавов, были внедрены в производство ОАО «Красцветмет» при изготовлении ювелирных изделий и учебный процесс Сибирского

федерального университета при подготовке инженеров по специальности 150106 «Обработка металлов

давлением».

Список литературы

1. Пат. 2 352 660 С2 Российская Федерация. Сплав на основе палладия / С.Б. Сидэльников, И.В. Тихов, Н.Н. Довженко, А.В. Столяров, Э.А. Рудницкий и др.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», ОАО «Красноярский завод цветных металлов им. В.Н. Гули-дова». № 2007101010-02; заявл. 09.01.07; опубл. 20.04.09. 8 с.

2. Особенности получения и обработки ювелирных сплавов на основе палладия / Довженко Н.Н., Сидэльников С.Б., Биронг В.С., Рудницкий Э.А, Хсдюков Б.П., Столяров А.В. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2008. № 1. С. 63-67.

3. Разработка технологии производства ювелирных изделий из бессеребряных палладиевых сплавов / Довженко Н.Н., Си-дельников С.Б., Биронт B.C., Рудницкий Э.А., Столяров А.В., Усков И.В., Лопатина Е.С., Ходюков Б.П. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2008. № 3. С. 64-66.

List of literature

1. Patent 2 352 660 C2 the Russian Federation. Palladium-based alloy / S.B. Sidelnikov, I.V. Tihov, N.N. Dovzhenko, A.V. Stoyarov, E.A RUd-nitskij at alias the applicant for a patent and the patent holders are FGOU VPO "Sbrskij Federal University" and OJSC "Krasnoyarsk Plant of Non-ferrous metals named after V.N. Gulidov". № 2007101010-02; applied 09.01.07; issued 20.04.09. 8 p.

2. Characteristic properties of manufacture and processing of jewellery palladium-based alloys / Dovzhenko N.N., Sidelnikov S.B., Bi-ront V.S., Rudnitskj E.A., Hodjukov B.P., Stolyarov A.V. // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2008. № 1. P. 63-67.

3. Development of production technology ofjewelry made of non-silver palladum alloys / Dovzhenko N.N., Sidelnikov S.B., Bront V.S., Rudnitskj E.A., Stolyarov A.V., Uskov I.V., Lopatina E.S., Hodjukov B.P. // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2008. № 3. P. 64-66.