XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение физических свойств наплавки металлов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность: По статистике при восстановлении деталей в 60% случаев используется наплавка. Наплавку осуществляют для восстановления изношенных деталей и создания на поверхности детали слоя, обладающего повышенной прочностью, антикоррозийной стойкостью, жаростойкость и другими свойствами.
Качество наплавки зависит от качества исходных материалов, исправности наплавочной аппаратуры, выбранного режима наплавки и квалификации сварщика. При этом важно понимать физические процессы, которые происходят при наплавке для дальнейшего управления технологическими режимами, правильным подбором оборудования и материала для наплавки.
Поэтому изучение и понимание физических процессов, протекающих в наплавке, являются актуальной задачей.
Цель исследования – изучить физические явления в процессе наплавки металлов.
Объект исследования – наплавка металла.
Предмет исследования – физические характеристики наплавки.
Задачи исследования:
- изучить физические свойства наплавки металла;
- провести экспериментальные исследования наплавки.
Научная новизна заключается в установлении зависимостей распределения температуры после наплавки от времени и расстояния наплавки.
Методы исследования: литературный обзор, наблюдение, эксперимент, анализ, синтез, статистические методы обработки данных.
Гипотеза: в процессе наплавки металлаучаствуют такие физические процессы как плавление, кристаллизация,диффузия, теплопередача.
1 Физические основы наплавки металлов
Наплавка - это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением [1].
Сварка плавлением - это процесс, в котором используется тепло для соединения или плавления двух или более материалов путем их нагрева до точки плавления [2].
Для наплавки характерны следующие физические процессы, которые представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Физические процессы наплавки
Плавление - это процесс перехода твердого металла в жидкий [3].
Кристаллизация - это процесс перехода жидкого металла в твердый [4].
Диффузия - это перемещение одного вещества в другое из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, приводящие к самопроизвольному выравниванию концентраций по всему занимаемому объёму [5].
Теплопередача – это процесс передачи тепла от более горячего тела к менее горячему [6].
Процесс наплавки металла можно представить в виде схемы (рисунок 1).
1 – основной металл; 2 – наплавленный валик; 3 – шлаковая корка; 4 – электродный стержень; 5 – покрытие электродного стержня; 6 – газовая защита; 7 – сварочная ванна
Рисунок 1 - Процесс наплавки
Сущность процесса наплавки заключается в использовании теплоты для расплавления присадочного материала и его соединения с основным металлом детали.
Используя возможности дуговой наплавки, на поверхности детали можно получить наплавленный слой любой толщины, любого химического состава с разнообразными свойствами.
Наплавка может производиться на плоские, цилиндрические, конические образцы и другие формы в один или несколько слоев.
Образец должен быть таким, чтобы обеспечить достаточную опору для наплавки, и, насколько это возможно, он должен нагружаться при сжатии, а не при растяжении или сдвиге. В этих условиях наплавка может эффективно доказать свои экономические преимущества.
Процесс наплавки изначально был разработан для нужд промышленности по бурению нефтяных скважин, но в настоящее время широко используется для всех типов оборудования, инструментов и деталей для увеличения срока их службы от износа и химического воздействия.
2 Экспериментальные исследования наплавки
Для проведения экспериментальных исследований, был изготовлен образец цилиндрической формы из стали 45. Образец имеет следующие размеры: Ø40 мм, длина – 100 мм, масса – 1 кг. Образец был наплавлен в один слой по длине порошковой проволокой марки Св-08Г2С в среде углекислого газа (рисунок 2). Диаметр проволоки составил 1,2 мм. Наплавка осуществлялась снизу-вверх.
Рисунок 2 – Наплавленный образец
Перед тем как осуществлялась наплавка, образец был тщательно зачищен для удаления оксидной пленки для того, чтобы сцепление основного и наплавленного металла было лучше.
Для наплавки использовался полуавтомат дуговой сварки ПДГ-252 УЗ.1 (рисунок 3).
Рисунок 3 - Полуавтомат дуговой сварки ПДГ-252 УЗ.1
Для наплавки были выбраны режимы, которые указаны в таблице 1.
Таблица 1 – Режимы наплавки
|
Напряжение электрической дуги, В |
Сила сварочного тока, А |
Расстояние от сопла до подложки, мм |
|
22 |
240 |
5 |
Процессы плавления и кристаллизации порошковой проволоки были изучены при этих режимах.
При плавлении наплавляемый слой становился красным, при кристаллизации наплавляемый слой становился серым.
Качество наплавленного слоя характеризуется несколькими параметрами [7]:
- геометрией шва (высота, ширина);
- глубиной проплавления шва;
- твердость шва.
Установлено, что указанные параметры после наплавки имели следующие значения:
- высота шва – 4 мм;
- ширина шва – 6 мм;
- глубина проплавления – 2 мм;
- твердость – 325 V.
Ширина и высота шва, а также глубина проплавления определялась при помощи линейки, твердость определялась по методу Викерса.
Процесс диффузии элементов порошковой проволоки Св-08-Г2С и основного металла Ст45 сложно обнаружить, это можно увидеть только на шлифе (рисунок 4), когда элементы проволоки соединяются с химическими элементами основного металла, образуя прочную границу.
1 – наплавленный слой (СВ-08-Г2С); 2 – граница сплавления, где происходит диффузия; 3 – основной металл (подложка)
Рисунок 4 – Граница сплавления проволоки СВ-08-Г2С и основного металла - стали 45
Толщина диффузионного слоя составляет 10 мкм. Толщина диффузионного слоя будет увеличиваться с годами до 30 мкм, но для этого нужно продолжительное время (приблизительно 4-5 лет).
Для исследования теплопередачи от источника сварочной дуги наплавляемому материалу и основному металлу были проведены измерения температуры в различных зонах образца (рисунок 5).
1 - начало наплавки; 2 - конец наплавки; 3 - 1 см от наплавленного шва; 4 – 2 см от наплавленного шва; 5 - середина образца
Рисунок 5 – Схема измерения температуры
Для измерения температуры использовались два прибора: термопара и тепловизор (рисунок 6).
а) б)
а) хромель-алюмелевая термопара CENTER 301; тепловизор Flir
Рисунок 6 – Приборы для измерения температуры
Результаты измерений температуры по пяти зонам представлены в таблице 2. Чтобы получить достоверный результат температура в каждой зоне замерялась трижды.
Таблица 2 – Температура в зонах образца после наплавки
|
Зона |
Значения температуры, °С |
||
|
1 |
150 |
131,8 |
142 |
|
2 |
205 |
210 |
208 |
|
3 |
145 |
142 |
138 |
|
4 |
150 |
144 |
152 |
|
5 |
91,8 |
88 |
92 |
Для того, чтобы определить усредненное значение и правдоподобность этих значений было определено среднее арифметическое значение ( ), среднеквадратическое отклонение (σ), и коэффициент вариации (V).
Среднее арифметическое значение определяется по формуле (1) [8]:
, (1)
где Хi – значения измеряемой величины;
n – количество измерений.
Среднее квадратическое отклонение определяется по формуле (2) [9]:
, (2)
где Xi – значения измеряемой величины;
– среднеквадратическое уравнение;
n – значение измеряемой величины;
Вариационный размах определяется по формуле (3) [10]:
, (3)
В результате обработки результатов измерений температуры установлены следующие значения статистических характеристик, которые представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Средние значения температур в каждой зоне образца
|
Зона |
, ˚С |
σ |
V, % |
|
1 |
141,26 |
9,12 |
6,45 |
|
2 |
207,66 |
2,52 |
1,2 |
|
3 |
141,66 |
3,05 |
2,15 |
|
4 |
148,66 |
4,16 |
2,79 |
|
5 |
90,6 |
2,25 |
2,48 |
Известно, что если коэффициент вариации менее 33%, то совокупность измеренных температур является однородной, если более 33%, то- неоднородной.
Как видно из статистической обработки полученных значений вариационного размаха не превышают даже 10%, следовательно, совокупность измеренных значений температур можно считать однородной.
После наплавки температура шва была измерена с помощью термопары и тепловизора во времени с интервалом 30 с (рисунок 7) в нескольких: местах, в конце шва, в его середине, а также на расстоянии 1 и 2 см, для того, чтобы узнать, как быстро распространяется теплота по поверхности.
Рисунок 7 – Температура в зоне 5 после 30 с и 60 с после наплавки
Результаты измерения температуры представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Значения температуры в различных зонах во времени
|
Зона |
Температура, ºС |
|||
|
0 с |
30 с |
60 с |
90 с |
|
|
1 |
158 |
160 |
162 |
168 |
|
2 |
208 |
214 |
200 |
212 |
|
3 |
145 |
154 |
158 |
162 |
|
4 |
150 |
144 |
152 |
164 |
|
5 |
91,8 |
87,8 |
92,2 |
93 |
Для того, чтобы наглядно представить распределение температуры по зонам были построены графики, которые представлены на рисунке 8.
Рисунок 7 – Распределение температуры по зонам в зависимости от времени
Согласно рисунку 7 можно увидеть, что самая высокая температура преобладает в зоне 2, которая находится конце наплавки, это можно объяснить тем, что пока наплавляемый металл движется из первой зон во вторую зоны (от начала шва до конца), он нагревает подложку металла вместе собой, тем самым позволяя металлу больше нагреваться, а в первой зоне в самом начале наплавки температура ниже.
Зона 5 имеет меньшую температуру, т.к. она находится от источника плавления на расстоянии
Следовательно, чем дальше находится зона распространения тепла от первоначального источника, тем температура меньше.
Также из курса физики известно, что металл плавится при определенной температуре и необходимо затратить какое-то количество энергии, которую необходимо передать телу массой 1кг для изменения его температуры на 1ºС, это называется удельной теплотой вещества.
Поскольку образец состоит из стали, соответственно удельная теплоемкость равна 500 Дж/кг·ºС.
Для того, чтобы определить количество теплоты при нагревании-охлаждении, используем формулу [6]:
, (4)
где c – удельная теплоемкость, Дж/кг·ºС.
m – масса тела, кг;
tк – конечная температура тела, ºС;
tн – начальная температура тела, ºС.
Цикл нагревания и охлаждения был рассмотрен во временном интервале от 0 до 90 с.
В результате расчетов получены следующие значения количества теплоты для каждой зоны нагрева (таблица 5). Значения начальной и конечной температуры взяты из таблицы 4.
Таблица 5 – Количество теплоты в наплавленном объекте
|
Зоны |
Зона 1 |
Зона 2 |
Зона 3 |
Зона 4 |
Зона 5 |
|
Количество теплоты Q, Дж/кг·ºС |
5000 |
2000 |
8500 |
7000 |
600 |
Если принять во внимание, что образец имеет одинаковую массу и удельную теплоемкость, но разные начальные и конечные температуры в зависимости от зоны замера температуры, то можно определить среднее значение количества теплоты. Используя формулу (1) количество теплоты Q, приходящееся на образец массой 1 кг и имеющий удельную теплоемкость 500 Дж/кг·ºС, равно:
Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние. Поэтому важно правильно выбирать способ наплавки (ручной, полуавтоматический, автоматический), при котором температуры не будут оказывать негативного влияние на структуру металла, вызывать коробления и деформации.
Заключение
По результатам выполненной работы было установлено, что:
- в процессе наплавки задействованы четыре физических процесса: плавление, кристаллизация, диффузия, теплопередача;
- наплавляемый металл меняет цвет при переходе от твердого к жидкому состоянию и наоборот;
- диффузия в металлах протекает очень долго;
- технологические режимы определяют качество наплавленного слоя;
- чем дальше расстояние от наплавленного шва, тем меньше температура;
- самая низкая температура при распространении тепла от электрической дуги наблюдается в середине образца, самая высокая – в конце наплавленного слоя;
- количество теплоты в наплавленном образце в разных зонах неодинаково во времени, т.к. тепло распространяется неравномерно.
Таким образом, гипотеза о том, что в процессе наплавки металла участвуют такие физические процессы как плавление, кристаллизация, диффузия, теплопередача подтверждена.
Cписок литературы
1. Гартман З. Занимательная физика или физика во время прогулки. - М.: ЛИБРОКОМ, 2017. - 120 c.
2. Детлаф А.А. Курс общей физики. - М. Высшая школа, 2017. - 245 с.
3. Матвеев А.Н. Курс физики. т.т. 1-4. - М.: Высшая школа, 2016. - 146 с.
4. Савельев И.В. Курс физики, т.т. 1-5. - М.: Наука, 2016. - 155 с.
5. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.т. 1-5.- М.: Высшая школа, 2018. - 325 с.
6. Физика. 8 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений / А. В. Пе- рышкин. - М.: Дрофа, 2013. - 237 с.
7. Теория сварочных процессов: учебник для вузов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 752 с.
8. Карманов Ф.И. Статистические методы обработки экспериментальных данных. Лабораторный практикум. - М.: Абрис, 2012. - 208 c.
9. Ниворожкина Л.И. Статистические методы анализа данных: Учебник. - М.: Риор, 2018. - 320 c.
10. Cухорученков Б.И. Анализ малой выборки. Прикладные статистические методы. - М.: Вузовская книга, 2010. - 384 c.