На правах рукописи

Строков Олег Витальевич

CОЗДАНИЕ СТАЛЕАЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ

НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРА ПЛАСТИЧЕСКОЙ

ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ

ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ

Специальность 05.02.10 Cварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2010

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства»

в Волгоградском государственном техническом университете.

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, ЛЫСАК Владимир Ильич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Кобелев Анатолий Германович доктор технических наук, доцент, Шморгун Виктор Георгиевич

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и конструктско-технологический институт оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности»

Защита состоится 01 июля 2010 г. в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.28.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу:

400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат диссертации разослан « » мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сталеалюминиевые композиционные материалы находят широкое применение в различных отраслях промышленности в качестве переходных элементов, деталей и узлов электрометаллургического оборудования. В сталеалюминиевых композитах сочетаются высокая прочность сталей с малой плотностью, электросопротивлением и высокой теплопроводностью алюминиевых сплавов. Сварка взрывом позволяет получать высококачественные сталеалюминиевые композиционные материалы больших толщин и размеров.

Во многих случаях композиционные материалы работают в условиях воздействия высоких температур, динамических нагрузок и агрессивной среды. Особенности физико-химического взаимодействия алюминия с железом накладывают определенные ограничения на максимально допустимые температуры нагрева сталеалюминиевых композитов из-за образования на границе сварного соединения хрупких интерметаллидных соединений, приводящих к резкому снижению прочности и росту переходного электросопротивления.

Радикальным приемом, расширяющим температурный диапазон эксплуатации биметаллических соединений, является создание диффузионных барьеров в виде дополнительных промежуточных (одной или несколько) прослоек между основными слоями композита, которые препятствуют протеканию реактивной диффузии и образованию интерметаллидов.

Вопросам изучения влияния температуры нагрева на свойства композиционных материалов посвящены работы многих известных ученых в области материаловедения: Ларикова Л. Н., Лайнера Д. Н., Рабкина Д. М., Рябова В. Р., Засухи П. Ф., Куракина А. К., Фальченко В. М., Макунина М. С., Карпиноса Д. М., Brautman L.J., Lubin J. и др.

Применению сварки взрывом для создания сталеалюминиевых композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами посвящены работы Трыкова Ю. П., Седыха В. С., Лысака В.И., Сахновской Е. Б., Беляева В. И., Демьяновича А. Б., Богунова А.З., Crossland B., Nobili A., Banker J., Teruhiko B., Etsuji K. и др., в которых авторы предлагают применять в качестве диффузионного барьера промежуточные разделительные слои из серебра, титана и др., которые либо вводятся между алюминием и сталью как самостоятельные слои (серебро, титан), либо формируются на поверхности стальной основы химико-термическими, гальваническими и др. методами (азотирование, хромирование). При этом открытым остается вопрос о влиянии параметров деформационно-энергетического воздействия при сварке взрывом на прочностные и эксплуатационные свойства получаемых композитов. Сведения о влиянии Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту В.И. Кузьмину за участие в формировании направления работы и неоценимую помощь в анализе результатов исследований температурно-временных условий на структуру и прочность композитов, содержащих хромовый подслой или азотированный слой, носят отрывочный характер, что требует проведения дополнительных системных исследований.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается ее выполнением по госбюджетным программам Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010 г.», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники 2005 г.», грант Минобрнауки «Инновационные проекты аспирантов и студентов 2005 г.» и др.

Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является создание сталеалюминиевого композиционного материала повышенной термостабильности на основе изучения деформационно-энергетических условий формирования соединений при сварке взрывом и влияния температурно-временных условий на эксплуатационные свойства композита.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Исследовать влияние условий сварки взрывом на структуру и прочность сталеалюминиевого композита с различными диффузионными барьерами.

2. Изучить особенности деформирования металла в ОШЗ при сварке взрывом сталеалюминиевого композиционного материала с подслоем хрома, нанесенного гальваническим методом.

3. Исследовать влияние режима термообработки на структуру и эксплуатационные свойства сталеалюминиевого композита с диффузионными барьерами (азотированный слой, подслой хрома).

4. На базе анализа результатов проведенных исследований разработать новые высокоэффективные способы создания сталеалюминиевого композиционного материала с диффузионным барьером и технологический процесс изготовления с помощью сварки взрывом энергосберегающего композиционного токоподводящего узла алюминиевого электролизера.

Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей получения равнопрочного соединения при сварке взрывом стали с алюминием с тонкими промежуточными диффузионными барьерами и особенностей образования в зоне соединения таких композитов интерметаллидных фаз и структур при повышенных температурах.

Впервые выявлен эффект значительного (более чем в 3 раза) повышения прочности соединения гальванически нанесенного на стальную основу тонкого подслоя хрома с последней за счет реализации в процессе сварки взрывом узколокализованной сдвиговой пластической деформации на границе «хром-сталь», в результате чего композит A5+Cr+Cт3 становится равнопрочным, при этом существенно расширяется область сварки взрывом алюминия со сталью. Показано, что при толщинах подслоя хрома менее 15 мкм значительные деформации его удлинения в процессе высокоскоростного нагружения приводят к разрушению и дроблению этого подслоя и, как следствие, он перестает в полной мере выполнять роль диффузионного барьера. При толщинах подслоя более 80 мкм прочность его соединения со сталью падает до исходной (адгезионная прочность гальванического покрытия) прочности, что связано с существенным уменьшением доли работы деформации, затрачиваемой на сдвиг приконтактных объемов металла в околошовной зоне границы «хром-сталь».

Показано, что введение в сталеалюминиевый композит промежуточных диффузионных барьерных слоев (азотированный поверхностный слой стали или подслой хрома) повышает его эксплуатационные свойства за счет смещения начала образования и интенсивного роста диффузионных прослоек в область высоких температур.

При этом композит A5+Сr+Ст3 сохраняет термостабильность до Т 570 °С, соединение А5+Ст3 (азот.) до Т 610 °С, в то время как композит А5+Ст3 – до Т 400 °С.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволили решить задачу создания композиционного материала с антидиффузионным слоем и обоснованно подойти к назначению режимов сварки взрывом, обеспечивающих получение равнопрочного соединения в сварном шве с минимальным развитием структурной и химической неоднородностей. Полученные результаты исследований позволили дать практические рекомендации и разработать технологический процесс изготовления с помощью сварки взрывом композиционного токоподводящего анодного узла алюминиевого электролизера. Для ОАО «ВгАЗ-СУАЛ» изготовлена опытно-промышленная партия композиционного сталеалюминиевого переходника с диффузионным барьером, годовой экономический эффект от внедрения составил более 500 тыс. руб. (доля автора 25%). Разработки защищены тремя патентами Российской Федерации на изобретения.

Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением стандартных методов оптической микроскопии с помощью инвертированного микроскопа «Axiovert» 40 MAT, сканирующего зондового микроскопа Solver Pro, механических испытаний на отрыв слоев (разрывная машина Р-500), рентгеноструктурного анализа (ДРОН-3). Расчет параметров соударения свариваемых элементов и математическая обработка полученных результатов осуществлялись с помощью общепринятых математических моделей и специализированных пакетов прикладных программ. Деформация в зоне соединения свариваемых материалов оценивалась методом слоистых модельных вставок и реперных линий.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях: «Современные материалы и технологии – 2002»

(Пенза 2002 г), «Сварка на рубеже веков» (Москва 2003 г), «Новые перспективные материалы и технологии» (Волгоград 2004, 2007 г), научно-техническая конференция, посвященная 150-летию Н. Г. Славянова (г. Пермь 2004 г), международный симпозиум (г. Лисе, Нидерланды 2008г.), VII междунар. Рос.-Казахстан.-Японской науч. конф.

«Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Москва 2009), «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск 2009 г), V Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур ПРОСТ- 2010» (Москва 2010 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 9 статей в сборниках научных трудов, 8 тезисов докладов на научно-практических конференциях, получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и результатов работы, списка использованной литературы и приложения. Она изложена на 174 листах машинного текста, содержит 85 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 168 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована научная новизна, определены цели и задачи исследования, практическая значимость полученных результатов и их реализация.

В первой главе проанализированы особенности взаимодействия и способы соединения алюминия со сталью. Показано, что алюминий со сталью относится к трудно свариваемой паре металлов. Это определяется, прежде всего, физико-химическими свойствами соединяемых металлов.

Анализ способов создания композиционного материала алюминий – сталь показал, что наиболее рациональным, а иногда и единственно возможным, является сварка взрывом. Она позволяет получать равнопрочные сталеалюминевые соединения по всей площади композиционного материала, обеспечивает отсутствие интерметаллидов в зоне сварки, не требует затрат на дорогостоящее оборудование.

Проведенный анализ условий эксплуатации композиционного сталеалюминиевого переходника в условиях электролизного производства показал, что в процессе монтажа и пуска анодного узла алюминиевого электролизера сталеалюминиевый композит нагревается до температур 400…500 С, вследствие чего в зоне соединения образуются интерметаллиды, резко снижающие его прочность и повышающие переходное электросопротивление. Одним из наиболее перспективных способов, позволяющих воспрепятствовать или замедлить диффузию находящихся в контакте металлов, является создание диффузионных барьеров в виде одной или нескольких прослоек между основными слоями. Вопросам создания диффузионных барьерных слоев между сталью и алюминием посвящены работы Рябова В.Р., Ларикова Л.Н., Фальченко В.М., Рабкина Д.М., Brautman L.J., Lubin J., анализ которых показал, что при использовании, например, прослойки серебра температурный интервал образования интерметаллидов смещается в область более высоких температур. В работах Трыкова Ю. П., Сахновской Е. Б., Беляева В. И., Демьяновича А. Б., Куракина А.К. показана возможность повышения эксплуатационных свойств сталеалюминиевого композита путем введения при сварке взрывом между основными слоями металлов подслоя стали, легированной никелем, медью и др. элементами, легирование алюминия кремнием и др. В исследованиях Nobili A., Banker J., Teruhiko B., Etsuji K. показано, что введение подслоя титана позволяет сместить температуру начала образования интерметаллидов в сталеалюминиевом композите. Возможности повышения температуры эксплуатации сталеалюминиевого композита при прокатке с применением в качестве диффузионного барьера гальванических покрытий на стали посвящены исследования Рябова В.Р., Nobili A., Banker J.

На основе проведенного анализа были сформулированы основные требования к способам получения композиционного сталеалюминиевого материала с диффузионным барьером.

Во второй главе приведены свойства используемых материалов, выбраны схемы и технологические режимы процесса получения сталеалюминиевых композитов сваркой взрывом, описана методика проводимых экспериментов и способов обработки полученных опытных данных.

Для изучения и сравнительного анализа свойств полученных новых композиционных материалов были выбраны традиционно используемые критерии оценки качества: прочность на отрыв слоев, количество оплавленного металла в ОШЗ, удельное переходное электросопротивление в зоне контакта, микротвердость и микроструктура зоны соединения.

Оценку скорости детонации ВВ проводили во взрывной камере с использованием электроконтактных датчиков и современной регистрирующей аппаратуры (цифровые осциллографы, частотомеры).

Сдвиговую остаточную деформацию металла ОШЗ изучали с помощью метода слоистых моделей. В неподвижной стальной и метаемой алюминиевой пластинах выфрезеровывали специальное окно-колодец со стенками, строго перпендикулярными её поверхностям, в которое без зазоров устанавливали поперечную (перпендикулярную) слоистую модельную вставку. Из сваренных взрывом сталалюминиевых заготовок с перпендикулярными моделями изготавливали микрошлифы, на которых с помощью оптического микроскопа исследовались границы соединения композита. Построение эпюр деформации выполняли с помощью пакета прикладных программ, разработанных на кафедре сварочного производства ВолгГТУ. Изучение механизма образования соединения в композите A5-Cr-Ст3 проводили с помощью реперных линий, нанесенных на боковые поверхности образцов-вставок.

Измерение переходного электросопротивления осуществляли по методике, заключающейся в непосредственном измерении падения напряжения в сталеалюминиевых образцах при пропускании через них постоянного тока известной величины. Zобразные образцы содержали биметаллическую часть и выводы для крепления токоподвода со строго фиксированными размерами, контролируемыми измерением с помощью инвертированного микроскопа «Axiovert» 40 MAT.

При проведении качественного фазового анализа рентгеновские съемки выполняли на дифрактометре ДРОН–3 в интервале углов от 20 до 110 град при скорости движения счетчика 1 град/мин и скорости движения диаграммной ленты 720 мм/час с шагом отметки углов 1 град. Для идентификации диффузионных прослоек у исследованных образцов проводили послойную рентгеновскую съемку от поверхности сваренных металлов до зоны соединения.

В третьей главе представлены результаты исследования условий формирования соединения при сварке взрывом сталеалюминиевых композитов с диффузионными барьерами. В качестве диффузионного барьера между алюминием и сталью применяли подслой хрома и азотированный слой на поверхности стали.

Создание на поверхности стали химико-термической обработкой тонкого (0,4…0,6 мм) азотированного слоя, как следует из анализа литературных данных, позволяет реализовать условия для замедления протекания диффузионных процессов в полученном сваркой взрывом сталеалюминиевом композите, т. е. сместить температурный интервал начала образования в зоне соединения Рис. 1. Влияние скорости соударения Vc на прочность отр соединения A5 + Ст3 (азот.) 350…450 м/с (рис. 1). Следует при Vk= 2200 м/с азотированного слоя на поверхности стальной заготовки не оказывает существенного влияния на диапазон свариваемости алюминия со сталью.

В отличие от предыдущего случая при использовании подслоя хрома, предварительно нанесенного на поверхность стальной основы гальваническим методом, прочность его соединения со сталью не превышает (по литературным данным) 30… МПа, что, естественно, служит препятствием получению равнопрочного композита A5+Сr+Ст3. Однако в опытах по сварке взрывом такого материала при определенных отр.

Рис. 2. Влияние толщины подслоя хрома Cr снижается с разрушением по грана прочность отр соединения сталеалюми- нице Cr-Ст3.

А5 + Ст3; 2 – А5+Cr+ Ст3; 3 – прочность эффект существенного повышения соединения подслоя хрома со сталью (Vc=300 прочности соединения Cr-Ст3 свям/с, Vк=2000 м/с) зан с особенностями протекания 0, Рис. 3. Эпюры сдвиговой деформации метал- непосредственной близости от ла в ОШЗ сваренного взрывом сталеалюмиграницы раздела слоев, в алюминиевого композита при различных толщинах подслоя хрома Сr (Vc=300 м/с, Vк=2000 м/с):

а – Cr= 10 мкм, б – Cr = 50 мкм; в - Cr = 80 стали – около 110 %. Граница сомкм.

волнообразный профиль с отдельными участками без слоя хрома (рис. 3, а). С увеличением cr до 40...50 мкм максимальная сдвиговая деформация в стальном слое уменьшается и составляет gmax = 70…80 % (рис. 3, б). Глубина продеформированного металла со стороны стали уменьшается в 2 раза, и составляет 0,25…0,30 мм. При дальнейшем увеличении Cr деформация gmax в стали продолжает снижаться и при толщинах свыше 100 мкм практически отсутствует.

Vк = 2000 м/с щественный рост значений gmax и глубины продеформированного металла y как со стороны алюминия, так и со стороны стали (рис. 4).

Рис. 4. Влияние скорости со- Vс, но и от толщины подслоя хрома Cr. При этом ударения Vc на распределение установлено, что подслой хрома в процессе соудаgmax в металле ОШЗ сваренного рения подвергается двум видам деформации: сдвивзрывом композита А5+Cr +Ст3: 1 – Vc=300 м/с; 2 – га вблизи контактных границ с алюминием и сталью и растяжения в макрообъеме. По мере увелиVc=400 м/с; 3 – Vc=500 м/с сварки A5+Cr+Ст3: значения максимальных сдвиговых деформаций в алюминии (1) и в стали (2) Рис.6. Баланс энергии на межслойных границах в композите А5+Сr+Ст3 при варьировании толщины подслоя хрома: а - cr=50 мкм, б - cr=100 мкм Рис. 7. Микроструктура зоны соединения A5+Cr+Ст3 с реперными линиями до (а) и после (б, в) сварки взрывом (200): а, б –Cr=50 мкм, в – Cr=70 мкм С увеличением толщины подслоя хрома Cr от 50 до 100 мкм, доля энергии, расходуемой на его деформацию удлинения WCr, увеличивается с 27 % до 44 %, при этом энергия WСт3-Cr, затрачиваемая на сдвиговую деформацию на границе Сr-Cт3, уменьшается более чем в 6 раз.

Установлено, что в композите А5+Cr+Ст3 в процессе сварки его взрывом первоначально сварное соединение формируется на границе A5-Cr, достигая равнопрочности алюминия при значениях скорости соударения Vc=220 м/с (рис. 8). При этом в целом прочность композита близка к прочности адгезионного соединения подслоя хрома со сталью ( =0,4Al), по границе раздела которых происходит разрушение композита при испытаниях. При увеличении Vc наблюдается резкое нарастание прочности на обеих границах (A5-Cr и Cr-Ст3) за счет активации деформационных процессов и роста уровня сдвиговой деформации gmax на границе Сr-Ст3 (рис. 8). В этом случае разрушение образцов композита происходит по алюминию.

прочность отр на границах A5-Cr, Cr-Ст3 и композита в ва посвящена исследоцелом ванию влияния температурно-временных условий на структуру и свойства созданных новых сталеалюминиевых композитов.

Для оценки эксплуатационных свойств сталеалюминиевых композитов с диффузионными барьерами производили нагрев образцов в интервале температур 250…640 С с выдержкой 1…10 час (рис. 9). Результаты испытаний показали, что при нагреве до 570 С и =1 ч наибольшей прочностью соединения отр=96 МПа обладает сталеалюминиевый композиционный материал с подслоем хрома, при этом прочность соединения у сталеалюминиевых образцов с азотированным поверхностным слоем была несколько ниже и составляла 82 МПа (рис. 9).

Рис.9. Влияние режимов термообработки на прочность сталеалюминиевого композита с диффузионным барьером (1…4) и без него (5, 6): 1 – А5+Cr+Ст3, =1 ч; 2 – А5+Cr+Ст3, = 10 ч; 3 – А5+Ст3 (азот.), = 1 ч; 4 – А5+Ст3 (азот.), = 10 ч; 5 – А5+Ст3, = 1 ч; 6 – А5+Ст3, = 10 ч.

При дальнейшем увеличении температуры нагрева до 600 С и выдержке =1 ч наблюдалось резкое падение прочности сталеалюминиевого композита с диффузионным барьером из подслоя хрома вплоть до полного расслоения образцов по границе A5-Cr, в то время как в сталеалюминиевых образцах с диффузионным барьером в виде азотированной поверхности на стали сохранялось равнопрочное соединение (рис. 9).

Столь резкое падение прочности у сталеалюминиевых образцов с подслоем хрома объясняется образованием интерметаллидов типа CrAl7 и FeCr в зоне соединения.

Анализ результатов проведенных исследований показал, что при температурах нагрева свыше 570 С большей термостабильностью обладает сталеалюминиевый композиционный материал с азотированной стальной поверхностью, у которого расслоение образцов наблюдается при Т=620…630 С, что на 40…50 С выше по сравнению с образцами из сталеалюминиевого композита с подслоем хрома. Однако стоит отметить, что в процессе эксплуатации композиционный сталеалюминиевый узел подвергается нагревам не более 250 С, а максимальные температуры до 400…500 С он испытывает при монтаже анодного узла (сварка плавлением) и пуске алюминиевого электролизера. Поэтому композиционный материал с подслоем хрома за счет отсутствия в зоне соединения хрупких оплавов, по границам которых происходит начальный рост интерметаллидов, обладает более высокими эксплуатационными свойствами.

Исследования влияния температурно-временных условий на структуру и свойства сталеалюминиевого композиционного материала с промежуточными антидиффузионными слоями (азотированный поверхностный слой стали или подслой хрома) показало, что температура эксплуатации повышается за счет смещения начала образования и интенсивного роста диффузионных прослоек в область более высоких температур, причем композит A5+Cr+Ст3 сохраняет термостабильность до Т 570 °С, а соединение А5+Ст3 (азот.) до Т 610 °С, в то время как композит А5+Ст3 – не более Т 400 °С.

В пятой главе приведены результаты электрофизических исследований и эксплуатационных испытаний полученных новых композиционных сталеалюминиевых переходников с диффузионным барьером. Полученные результаты исследований позволили сделать практические рекомендации и разработать научно-обоснованный технологический процесс изготовления с помощью сварки взрывом энергосберегающего композиционного токоподводящего узла для электрометаллургического оборудования.

Исследование влияния температуры нагрева композита на изменение удельного переходного электросопротивления pl показало, что электрофизические свойства сталеалюминиевого композита с азотированным слоем значительно превышают свойства композита без диффузионного барьера. Так, после нагревов при Т=500 С у сталеалюминиевых образцов с азотированным слоем удельное переходное электросопротивление не превышало 28…30 мкОммм2, а в образцах без диффузионного барьера l повысилось более чем в 2 раза и составило 62…64 мкОммм2. На величину удельного переходного электросопротивления l сталеалюминиевого композита без диффузионного барьера существенное влияние оказывает количество оплавленного металла Копл.

Так при содержании в сварном соединении до 50% оплавов l возрастает более чем в раза, что соответственно приводит к значительным потерям электроэнергии в процессе эксплуатации такого композиционного переходника. Причем, наименьшая величина удельного переходного электросопротивления наблюдается у сталеалюминиевого композита с подслоем хрома, что связано с отсутствием в зоне соединения хрупких оплавов.

Для ОАО «ВгАЗ-СУАЛ» изготовлена и внедрена опытно-промышленная партия композиционных сталеалюминиевых переходников с диффузионным барьером для токоподводящего анодного узла алюминиевого электролизера, что позволило повысить долговечность и уменьшить потери электроэнергии более чем в 2 раза по сравнению с базовой конструкцией узла за счет снижения перепада напряжения. При этом потери электроэнергии непосредственно на границе сваренного взрывом соединения алюминия со сталью не превышают 3% от общих потерь в контакте «штырь-штанга» (рис.

10).

Рис. 10. Схема замера и сравнительные данные измерения перепада напряжения U на ОАО «ВгАЗ-СУАЛ» в анодном узле алюминиевого электролизера:1 – стальной штырь; 2 – сварной шов; 3 – стальной слой переходника; 4 – азотированный слой;

5 – алюминиевый слой переходника; 6 – алюминиевая штанга Новые разработки защищены патентами РФ №2194600, 2270742, 84386 и внедрены на ОАО «ВгАЗ-СУАЛ». Годовой экономический эффект от внедрения разработок составил более 500 тыс. руб (доля автора 25%).

1. Разработаны новые высокоэффективные способы получения с помощью сварки взрывом композиционного сталеалюминиевого материала повышенной термостабильности, основанные на создании между алюминием и сталью диффузионного барьера, роль которого может выполнять либо тонкий азотированный слой на поверхности стали, либо тонкий подслой хрома. Установлено, что толщины азотированного слоя на стали в диапазоне 0,4…0,6 мм, а для подслоя хрома – 0,03…0,07 мм обеспечивают торможение диффузионных процессов на границе соединения алюминий-сталь и, тем самым, позволяет сместить температурный интервал образования хрупких интерматаллидов в область более высоких температур.

2. Впервые выявлен эффект значительного (более чем в 3 раза) повышения прочности соединения гальванически нанесенного на стальную основу тонкого подслоя хрома с последней за счет реализации в процессе сварки взрывом узколокализованной сдвиговой пластической деформации на границе «хром-сталь», в результате чего композит A5+Cr+Cт3 становится равнопрочным, при этом существенно расширяется область оптимальных параметров сварки взрывом алюминия со сталью из-за отсутствия возможности образования в зоне соединения хрупких оплавов. Показано, что при толщинах подслоя хрома менее 15 мкм значительные деформации его удлинения в процессе высокоскоростного нагружения приводят к разрушению и дроблению данного подслоя и, как следствие, он перестает в полной мере выполнять роль диффузионного барьера. При толщинах подслоя более 80 мкм прочность его соединения со сталью падает до исходной (адгезионная прочность гальванического покрытия) прочности, что связано с существенным уменьшением доли работы деформации, затрачиваемой на сдвиг приконтактных объемов металла в околошовной зоне границы «хромсталь».

3. Показано, что наибольшее влияние на величину и характер распределения сдвиговой пластической деформации сваренного взрывом композита алюминий-хромсталь оказывает скорость соударения Vc и толщина диффузионного барьера Cr. Установлено, что с увеличением скорости соударения Vс при постоянной величине скорости контакта Vк наблюдается существенный рост максимальных сдвигов gmax и глубины продеформированного металла y как со стороны алюминия, так и со стороны стали.

Увеличение толщины подслоя хрома при идентичных режимах сварки приводит, наоборот, к уменьшению gmax и y со стороны стали, в то время как максимальная сдвиговая деформация со стороны алюминия остается неизменной.

4. Показано, что введение в сталеалюминиевый композит промежуточных диффузионных барьерных слоев (азотированный поверхностный слой стали или подслой хрома) повышает его эксплуатационные свойства за счет смещения начала образования и интенсивного роста диффузионных прослоек в область высоких температур.

При этом композит A5+Сr+Ст3 сохраняет термостабильность до Т 570 °С, соединение А5+Ст3 (азот.) до Т 610 °С, в то время как композит А5+Ст3 – до Т 400 °С.

5. В процессе эксплуатации композиционный сталеалюминиевый узел подвергается нагревам не более 250 С, а максимальные температуры до 400…500 С он испытывает при монтаже (сварка плавлением) и пуске алюминиевого электролизера, поэтому композиционный материал с подслоем хрома за счет отсутствия в зоне соединения хрупких оплавов, по границам которых происходит начальный рост интерметаллидов, обладает более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с композитом А5+Ст3 (азот).

6. Экспериментально установлено, что на величину удельного переходного электросопротивления l сталеалюминиевого композита существенное влияние оказывает количество оплавленного металла Копл. Так при содержании в сварном соединении до 50% оплавов l возрастает более чем в 2 раза, что соответственно приводит к значительным потерям электроэнергии в процессе эксплуатации такого композиционного переходника. Причем, наименьшая величина удельного переходного электросопротивления наблюдается у сталеалюминиевого композита с подслоем хрома, что связано с отсутствием в зоне соединения хрупких оплавов.

7. На базе проведенных исследований сформулированы практические рекомендации и разработана технология изготовления с помощью сварки взрывом токоподводящего анодного узла алюминиевого электролизера с композиционным сталеалюминиевым переходником (с диффузионным барьером) для ОАО «ВгАЗ-СУАЛ», что позволило повысить надежность, увеличить срок службы анодного узла и снизить потери электроэнергии более чем в 2 раза. Экономический эффект от внедрения новых разработок составил более 500 тыс. руб (доля автора 25%).

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК 1. Особенности создания и свойства сталеалюминиевого композита с диффузионным барьером / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, А.Н. Кривенцов // Перспективные материалы. - 2005. - №6. - С. 65-69.

2. Исследование термостойкости композиционного сталеалюминиевого материала и пути её повышения / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, В.В. Литвинов // Перспективные материалы. - 2007. - № 5. - С. 78-81.

3. Особенности пластического деформирования металла при сварке взрывом композита сталь-алюминий с прослойкой хрома / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, В.В. Литвинов // Физика и химия обработки материалов. – 2008, №4, с. 18-25.

4. Оценка работоспособности композиционного сталеалюминиевого материала с диффузионным барьером, полученного сваркой взрывом / В.И. Кузьмин, О.В. Строков, В.И. Лысак, А.Н. Кривенцов // Изв. ВолгГТУ. Сер. Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2004. - Вып.1, №6. - С.

73-77.

5. Исследование возможности повышения работоспособности сваренного взрывом сталеалюминиевого композита / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, В.В. Литвинов // Известия ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений":

межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2006. - Вып.2, №9. - С. 64-70.

6. Закономерности пластического деформирования металла при сварке взрывом сталеалюминиевого композита с прослойкой хрома / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, В.И.

Лысак, В.В. Литвинов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Сварка взрывом и свойства сварных соединений»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - Вып. 3, № 3. - С. 24Изобретения 7. Пат. 2194600 РФ, МПК 7 В 23 К 20/08 Способ получения композиционного сталеалюминиевого переходника сваркой взрывом / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, А.Н. Кривенцов, М.А. Яковлев, О.В. Строков; ВолгГТУ. - 2002.

8. Пат. 2270742 РФ, МПК В 23 К 20/08 Способ получения композиционного сталеалюминиевого переходника сваркой взрывом / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, А.Н. Кривенцов, О.В. Строков; ВолгГТУ. - 2006.

9. Пат. 84386 РФ, МПК С 25 С 3/16. Анодное устройство алюминиевого электролизёра / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, В.В. Литвинов, Е.А. Никуличев; ВолгГТУ. Другие публикации 10. Explosive welding of steel-aluminum composites with an antidiffusion chromium layer/ В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, В.В. Литвинов // Shock-Assisted Materials Synthesis and Processing: Science, Innovations, and Industrial Implementation: [по матер.

IX междунар. симпозиума EPNM-2008, проходившего 6-9 мая 2008 года в г. Lisse (Нидерланды)].- М., 2008.-С. 91.-Англ.

11. Кузьмин, В.И. Antidiffusion Barrier in Explosion-Welded Clad Metals / В.И. Кузьмин, О.В. Строков, В.И. Лысак // Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials: [сб.

науч. тр.]. -M., 2006.-С. 72.-Англ.

12. Исследование и разработка технологии изготовления сваркой взрывом композиционного материала с диффузионным барьером / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, А.Н. Кривенцов, М.А. Яковлев, О.В. Строков // МАТИ - сварка XXI века. Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве: Сб. докл. Всерос. науч.-техн.

конф., 20-21 нояб. 2003 г. / МАТИ - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э.Циолковского. - М., 2003. - С. 165-168.

13. Исследование и разработка технологии изготовления сваркой взрывом новых токоподводящих узлов алюминиевого электролизера / М.А. Яковлев, О.В. Строков, В.И.

Лысак, В.И. Кузьмин //VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 12-15 ноября 2002 г.: Тезисы докладов / Волгогр. гос.

технич. ун-т и др. - Волгоград, 2003. - С. 98-100.

14. Влияние азота на протекание диффузионных процессов в сваренных взрывом сталеалюминиевых композитах / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, А.Н. Кривенцов // Сварка XXI век. Славяновские чтения: Сборник научных трудов /Липецк, гос. техн. ун-т. - Липецк, 2004. -Кн.1. - С. 376-380.

15. Изготовление сваркой взрывом биметаллических медно-алюминиевых колодок для алюминиевого электролизера / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, А.Н. Кривенцов, О.В.

Строков // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004:

Сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., Волгоград, 20-23.09.04 / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2004. - Т.П. - С. 150-152.

16. Особенности создания диффузионных барьерных слоев при сварке взрывом сталеалюминиевых композитов / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, А.Н. Кривенцов // Сварка и контроль - 2004: Сб. докл. Всерос. с междунар. уч. н.-т. конф., поев.

150-летию Н.Г.Славянова, 17-20.05.04. Т.1: Н.Г.Славянов. Подгот. кадров. Аттестация.

Спецметоды сварки / Перм. гос. техн. ун-т и др. - Пермь, 2004. - С. 110-113.

17. Повышение работоспособности сваренных взрывом композиционных материалов в условиях эксплуатации при высоких температурах / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В.

Строков, А.Н. Кривенцов // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004: Сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., Волгоград, 20-23.09.04 / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2004.-Т.П.-С. 148-150.

18. Строков, О.В. Исследование влияния азотированного слоя на термостойкость сталеалюминиевого композита / О.В. Строков, В.И. Лысак, В.И. Кузьмин // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. Ill Всерос. конф., г.Камышин, 20-22 апреля 2005 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. - Камышин, 2005. - Т.1. - С. 97.

19. Исследование влияния хромированного слоя на работоспособность сталеалюминиевого композита / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, В.В. Литвинов // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. IV Всерос. конф., г. Камышин, 18-20 октября 2006 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. - Камышин, 2006. - Т.1. - С.

98-99.

20. Повышение термической стойкости сталеалюминиевого композиционного материала путем создания диффузионного барьерного слоя / О.В. Строков, В.В. Литвинов, В.И. Лысак, В.И. Кузьмин // X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 8-11 ноября 2005 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. Волгоград, 2006. - С. 115-117.

21. Исследование пластической деформации металла в околошовной зоне при сварке взрывом сталеалюминиевого композита с прослойкой хрома / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, В.В. Литвинов // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., Волгоград, 9-12 окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007.-С. 214-215.

22. Разработка и внедрение новых энергосберегающих конструкций токоподводов алюминиевого электролизёра / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, В.В. Литвинов // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб.

науч. тр. междунар. конф., Волгоград, 9-12 окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007. - С. 168-170.

23. К вопросу сварки взрывом сталеалюминиевых композитов большой толщины / В.В. Литвинов, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков // Новые материалы и технологии (НМТ-2008) : матер. всерос. науч.-техн. конф., Москва, 11-12 нояб. 2008 г. В 3 т.

Т. 1 / "МАТИ" - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. - М., 2008. - C. 40-41.

24. Изучение закономерностей создания диффузионных барьерных слоёв при сварке взрывом разнородных материалов / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, А.С. Кузьмин, В.И.

Лысак // Наука. Технологии. Инновации : матер. всерос. науч. студенч. конф. молодых учёных (Новосибирск, 4-5 дек. 2009 г.). В 7 ч. Ч. 2 / ГОУ ВПО "Новосибир. гос. техн.

ун-т". - Новосибирск, 2009. - C. 242-243.

25. Исследование структуры и свойств сталеалюминиевого композита с прослойкой хрома / О.В. Строков, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.А. Никуличев // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов (3-4 июня 2009 г.): тр. VII междунар. Рос.-Казахстан.-Японской науч. конф. / Мин-во образования и науки Рос. Федерации [и др.]. - М., 2009. - C. 699-704.

26. Особенности протекания деформационных процессов в околошовной зоне при сварке взрывом сталеалюминиевого композита с диффузионным барьером / О.В.

Строков, В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, В.В. Литвинов // V-я евразийская научнопрактическая конференция «ПРОСТ 2010», НИТУ "МИСиС". - М., 2010. - С. 67.

Личный вклад автора в опубликованные работы. В представленных работах, выполненных в соавторстве с другими исследователями, автором получены и проанализированы научные результаты исследований кинематических и деформационноэнергетических процессов сварки взрывом [3, 6, 10, 21, 26], определено влияние основных параметров процесса взрывного нагружения и температуры нагрева на свойства композиционного материала с диффузионным барьером и его структуру [1, 2, 4, 5, 11, 14, 17, 18, 20,25]; разработаны технические решения по реализации способов создания композиционного материала с диффузионным барьером [7…9, 12, 16, 24]; а также исследованы технологические возможности композита в условиях реальной эксплуатации на заводе и сформулированы практические рекомендации [13, 19, 22].

Подписано в печать 28.05.2010 г. Заказ №. Тираж 100 экз. Печ. л. 1, Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Волгоградского государственного технического университета.