1168

сварки. При этом важным является исследование изменения содержания легирующих элементов в сплаве в результате их испарения из канала проплавления в процессе ЭЛС.

Исследования проводились при ЭЛС высоколегированных сталей марок 12Х18Н10Т и 09Х16Н4Б, которые широко применяются при изготовлении сварных конструкций в нефтехимической и атомной промышленности [3]. Для исследования была выбрана методика термодинамической оценки связи температуры испарения с давлением паров в канале проплавления при ЭЛС [4].

Равновесное давление паров металла в канале проплавления зависит от температуры и химического состава свариваемого металла. Для заданных значений температуры это давление является суммой парциальных равновесных давлений паров железа и легирующих элементов:

Робщ = ∑n Рi .

1

Парциальное равновесное давление пара химического элемента, входящего в состав сплава, определяется по формуле

Pi = Pi 0 ai

где Pi0 – парциальное давление насыщенного пара i-го элемента над чистым

элементом, которое может быть представлено в виде уравнения Клапейрона – Клаузиуса:

lg Pi 0 = − 2,3∆HиспRTi + Bi ,

где ∆Ниспi – энтальпия испарения i-го элемента; R – постоянная газовая; В – постоянная для определенного интервала температур.

Активность элементов в сплаве определяется по формуле

ai = Xi γi ,

где Хi – атомная доля i-го элемента; γi – коэффициент активности i-го элемента в сплаве.

Если ограничиться первым параметром взаимодействия, коэффициент активности i-го элемента в сплаве можно определить по формуле

n

ln γi = ln γi0 + ∑εij X j ,

i=2

где γi0 = γi в разбавленном растворе на базе основы сплава; εij – параметр взаимодействия элементов j и i в сплаве.

81

Расчет упругости (равновесного давления насыщенного пара) и состава пара над жидкой фазой проводились для сталей 12Х18Н10Т и 09Х16Н4Б в интервале температур от 1812 К (температура плавления железа) до 3000 К (были взяты значения температур 1812, 1873, 2400 и 3000 К). При этом принималось, что основными компонентами пара являлись железо, кремний, марганец, хром и никель.

Расчеты проводились по формуле

PiT = PiT0 Xi γiT .

Расчет равновесного давления для стали 12Х18Н10Т дает следующие значения для температуры 1812 К:

PFe,1812 = 4,82 0,676 1 =3,26 Па,

PSi,1812 = 0,105 0,0157 0,0017 = 2,8 10−6 Па, PMn ,1812 =3,0 103 1,303 0,199 = 777,89 Па, PCr,1812 =31,02 0,189 0,974 =5,71 Па,

PNi,1812 = 2,37 0,093 0,678 = 0,145 Па.

Аналогичные расчеты проводились для других температур. Результаты представлены в табл. 1.

Расчеты равновесного давления насыщенного пара для стали 09Х16Н4Б дали следующие значения:

PFe,1812 = 4,82 0,0046 1 = 0,022 Па,

PSi,1812 = 0,105 0,0118 1,86 1011 = 2,3 108 Па,

PMn ,1812 =3,0 103 0,0051 6,78 =103,73 Па,

PCr,1812 =31,02 0,1699 0,013 = 0,0685 Па,

PNi,1812 = 2,37 0,0398 24,43 = 2,304 Па.

82

Результаты расчетов равновесного давления паров для стали 09Х16Н4Б для температур 1873, 2400, 3000 К представлены в табл. 2.

На рис. 1 и рис. 2 приведены графики зависимости давления паров легирующих элементов над расплавами сталей от температуры.

Далее производился расчет состава пара. Расчетная формула для определения состава пара:

При Т =1812 К для стали 12Х18Н10Т состав пара:

{%об.Fe }=1110,23,26 100 = 0,29,

{%об,Si }= 2,8 10−6 100 = 0,25 10−6 , 1110,2

{%об,Mn }=1110,21101 100 =99,17, {%об.Cr }=1110,25,72 100 = 0,515, {%об.Ni }=1110,20,149 100 = 0,013.

Аналогично рассчитывается состав пара при Т = 1812 К для стали

09Х16Н4Б:

{%об.Fe }= 226,863,71 100 =1,64,

{%об,Si }= 5,89 10−6 100 = 2,6 10−6 , 226,86

83

Анализ результатов полученных данных показывает, что при повышении температуры концентрация марганца в сварном шве снижается. Исследования коррозионных свойств сварных соединений, проведенные в работе [5], показали, что с увеличением содержания марганца сопротивление коррозионному разрушению высоколегированных хромоникелевых стали понижается. По мнению авторов этой работы, марганец может удерживать около себя атомы азота в объеме кристалла, отчего на дислокациях, расположенных по границам зерен, собирается углерод. Это, в свою очередь, понижает сопротивление высоколегированных хромоникелевых стали коррозионному разрушению.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. При низких температурах в канале проплавления (1812–2400 К) в состав пара входят в основном пары марганца, и для стали 12Х18Н10Т содержание паров марганца несколько выше (около 97,2 %), чем для стали 9Х16Н4Б (около 91,72 %). Поскольку пар сильно обогащен марганцем, то можно прогнозировать уменьшение концентрации марганца в сварном шве, особенно при повышенных температурах. Снижение содержания марганца в сварных швах, полученных при электронно-лучевой сварке, обеспечит повышение сопротивляемости металла коррозионному разрушению.

2. Концентрация паров хрома в канале проплавления выше, чем концентрация паров кремния и никеля, в особенности для стали 9Х16Н4Б, что может приводить к понижению концентрации хрома в сварном шве и отрицательно влиять на коррозионную стойкость сварных швов, полученных при электронно-лучевой сварке.

Список литературы

1.Сварка в машиностроении: справочник в 4 т. – М.: Машиностроение, 1978 – Т. 1 / под ред. Н.А. Ольшанского. – 1978. – 504 с.

2.Ланкин Ю.Н. Оценка температуры и давления паров в канале проплавления при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. – 1978. –

№2. – С. 16–19.

3.Применение электронно-лучевой сварки в атомной промышленности Японии / Й. Уратани, Д. Такано, М. Наяма, Й. Шимокусу // Автоматическая сварка. – 2009. – № 7. – С. 35–44.

4.Уточкин В.В. Примеры решения типовых физико-химических задач в теории сварочных процессов. Ч. 1. Термодинамические задачи: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2000. – 45 с.

5.ХимушинФ.Ф. Нержавеющие стали. – М.: Металлургия, 1967. – 798 с.

Получено 27.12.2010

УДК 621.1.9

Т.Р. Абляз

Пермский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОДОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РЕЖИМОВ ПРОВОЛОЧНО-ВЫРЕЗНОЙ

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Основной целью данной работы является установление зависимости между режимами резания при электроэрозионной обработке и изменением свойств электродов при работе на прово- лочно-вырезном электроэрозионном станке.

Ключевые слова: электроэрозионная обработка, электрод-инструмент, электрод – деталь, изменение свойств электродов.

Электроэрозионная обработка металлов и других токопроводящих материалов основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под воздействием импульсов электрической энергии в канале разряда, возникающем между поверхностью обрабатываемой детали и электродоминструметом, погруженным в жидкую (обычно неэлектропроводную среду – рабочую жидкость) [1, 2]. Следующие друг за другом импульсные разряды производят выплавление и испарение микропорций материала с поверхности обрабатываемой детали. Развивающиеся в жидкости гидродинамические силы выбрасывают расплавленный материал из зоны разрядов, и электродинструмент получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь, образуя в ней углубление, соответсвующее форме электрода.

На рис. 1 показана схема процессов вмежэлектродном пространстве [2].

Рис. 1. Схема процессов в межэлектродном пространстве при электроэрозионной обработке

87

Электрический разряд 2 происходит между электродами: анодом 1

икатодом 3. Выделяющееся в зоне разряда тепло приводит к плавлению

ичастичному испарению материала электродов (зоны плавления на рисунке показаны пунктиром). Расплавленный материал электродов выбрасывается из зоны плавления и затвердевает в окружающей зону разряда рабочей жидкости 5, которая испаряется и разлагается. Пары и газы в виде пузырей 4 удаляются из межэлектродного пространства вместе с частью рабочей жидкости

итвердыми частицами шарообразной 7 и осколочной форм.

Качество поверхности детали, обработанной импульсами электрического тока, характеризуются степенью шероховатости иглубиной дефектного слоя.

Установлено, что в результате единичного разряда из лунки вылетают сотни частиц разного размера, образуя так называемые единичные лунки [3]. При увеличении энергии импульса путем изменения режимов обработки число частиц большего размера, а также их максимальный диаметр возрастают, что оказывает существенное влияние на качество обработанной поверхности. На рис. 2 представлена единичная лунка [3].

Несмотря на то что в настоящее время процесс электроэрозионной обработки металлов является одним из самых распространенных процессов формообразования в мире, он до сих пор остается не изученным в полной мере.

Нами рассмотрен комплексный подход к изучению данного процесса, заключающийся в изучении не только изменения обработанной поверхности, но и изменения структуры электрода-

инструмента в ходе обработки на разных режимах.

В качестве обрабатываемой заготовки была выбрана сталь 40х. Обработка заготовки проходила на проволочно-вырезном электроэрозионном станке Electronica EcoCut при различных режимах резания. Режимы были выбраны исходя из условий стабильной обработки данного материала при максимальной, минимальной и средней допустимой силе тока. В качестве элек- трода-инструмента (ЭИ) была выбрана латунная проволока диаметром

0,25 мм фирмы Hando.

Параметры режимов обработки представлены в табл. 1.

88

Примечание: Ton – период включения импульсов, Toff и Toff1 – периоды выключения импульсов, I – средний ток, U – среднее напряжение, V – средняя скорость, Wf – подача проволоки.

На рис. 3 представлен общий вид обработанной поверхности.

Рис. 3. Общий вид обработанной поверхности на режимах I, II, III

Из рис. 3 видно, что обработанные поверхности имеют неодинаковую структуру, о чем говорит их цветовое отличие. Причиной данного явления могли послужить изменения в химическом составе обрабатываемых поверхностей. Это объясняется тем, что неотъемлемым звеном процессов электроэрозионной обработки является образование вторичных структур на рабочих поверхностях обрабатываемого изделия и электрода-инструмента, так как поверхностный слой материала обрабатываемой заготовки подвергается интенсивному термическому воздействию.

Как правило, выделяют 5 зон поверхностного слоя материала после электроэрозионной обработки (рис. 4).

89