1. Ogólne wiadomości o zgrzewaniu tarciowym .

Zgrzewanie tarciowe ( odmiana zgrzewania doczołowego ) jest metodą łączenia metali i ich stopów w wyniku działania docisku i ciepła wytworzonego w trakcie wzajemnego tarcia łączonych powierzchni .

Najczęściej odbywa się to w taki sposób , że jedna z łączonych części zamocowana jest sztywno i nie zmienia swojego położenia ,a druga ( o mniejszej masie ) wykonuje ruch obrotowy dookoła swojej osi. Inne rozwiązania przewidują jednoczesny ruch obu łączonych części w przeciwnych kierunkach

albo ruch części pośredniczącej ( łącznika ) w łaczeniu , stykającej się jednocześnie z dwoma właściwymi częściami łączonymi .

Dla zrozumienia istoty tego procesu pomocny wydaje się wykres przedstawiający przebieg zmian momentu M i prędkości obrotowej n w czasie procesu zgrzewania przedstawiony na rys. 1.

M [Nm] n [ obr / min ]

M = f ( t )

n = f ( t )

M_max

M_min

τ₁ τ₂ τ₃

τ ( czas )

Rys. 1 Przebieg zmian momemtu M i prędkości obrotowej n w czasie procesu zgrzewania .

Początkowa faza procesu zachodzi przy niewielkiej temperaturze i charakteryzuje się suchym lub granicznym tarciem ( μ = 0,1 ÷ 0,12 ). Nieduży wierzchołek na krzywej w początku procesu odpowiada tarciu w spoczynku

( μ₀ = 0,25 ) . Przejście do ruchu odpowiada z początku szybkiemu , a potem bardziej powolnemu spadkowi krzywej momentów ( przedział czasowy τ₁ ). Potem następuje szybki wzrost krzywej i towarzyszące temu pojawienie się kołysania ( przedział τ₂ ) o nieokreślonej częstotliwości i amplitudzie nakładającego się na zasadnicz --> [Author:P. B.h々] ą krzywą . Można to rozpatrywać jako cechy początku przejścia od tarcia granicznego do suchego . Przybliżone obliczenia podają , że średnia temperatura powierzchni tarcia na pocz --> [Author:P. B.h々] ątku czasu τ₂ wynosi 100 ÷ 200 ^oC , przy czym w poszczególnych punktach osiąga dużo wyższe wartości [2]. Wtedy obecne substancje smarowe doznają zmian ,a także następuje niszczenie błonek tlenkowych . Powstają mostki połączeń , ulegające łatwo niszczeniu przy zmianach prędkości . Rozrywanie tych mikropołączeń ujawnia się na zewnątrz szybkim wzrostem temperatury . Krzywa momentów ( mocy i ciepła ) zaczyna osiągać swój szczyt , jego istnienie tłumaczy się wzrostem temperatury w obszarze styku , co obniża wytrzymałość pojedynczych połączeń .

W żadnej fazie procesu nie następuje stopienie materiałów ; najwyższa temperatura osiągana podczas tarcia wynosi 1200 ^oC i jest ograniczona współczynnikiem tarcia , który maleje wraz ze wzrostem temperatury ,aż proces osiąga stan równowagi . W tym stanie materiał jest plastyczny i może być spęczony . Między zgrzewanymi materiałami tworzy się wiązanie metaliczne o własnościach porównywalnych z własnościami materiału rodzimego . Ponieważ nie następuje stopienie zgrzewanych elementów , mówimy o zgrzewaniu w stanie stałym .

O uzyskaniu dobrego ( trwałego ) połączenia decyduje prawidłowa współzależność podstawowych parametrów procesu zgrzewania tarciowego , tj. siły docisku podczas tarcia , siły docisku podczas spęczania , czasu tarcia , czasu spęczania oraz liczby obrotów .

Przy łączeniu tarciowym stali i żeliwa należy uwzględnić oddziaływanie grafitu , tworzącego warstwe smarującą , ograniczającego tarcie i wzrost temperatury.

W przypadku zgrzewania tarciowego możliwe jast wykonanie siedmiu podstawowych typów połączeń , które przedstawiono na rys . 2.

a ) b) c)

d ) e )

f ) g )

Rys. 2 Typowe połaczenia wykonane metodą zgrzewania tarciowego .

a - pręt z prętem ,

b - rura z rurą ,

c - pręt z rurą ,

d - pręt z płytą ,

e - rura z płytą ,

f - rura z krążkiem ,

g - pręt z krążkiem .

1.1. Zalety i wady procesu zgrzewania tarciowego .

O przydatnosci danej technologii w procesie produkcyjnym decyduje przewaga zalet metody nad jej wadami . W przypadku zgrzewania tarciowego , którego cechą charakterystyczną jest to , że ciepło do trwałego połączenia dwóch elementów , powstaje w wyniku zmiany energii mechanicznej w energię cieplną .

Do podstawowych zalet tego procesu możemy zaliczyć :

a) wysoką wydajność procesu ( czas maszynowy zgrzewania w zależności od wielkości przekroju i rorzaju zgrzewanych materiałów wynosi 1,0 ÷30 s ) ;

b) wysokie wskażniki energetyczne :

- współczynnik mocy cos ϕ = 0,85 ,

- zapotrzebowanie mocy 15 ÷20 W / mm² ,

c) bardzo dobra jakość złączy : złacza mają drobnoziarnistą strukturę , odpowiadająca strukturze materiału rodzimego , a co za tym idzie ich wytrzymałość na rozciąganie i plastyczność równa się wytrzymałości i plastyczności materiału rodzimego (jest to słuszne dla większości przypadków );

d) powtarzalność uzyskiwanych wyników ;

e) możliwość łączenia materiałów różniących się znacznie własnościami fizycznymi ;

f) możliwość zgrzewania złączy ze stosunkowo dużym naddatkiem technologicznym ;

g) mała strefa wpływu ciapła ;

h) urządzenia na których wykonuje się operacje zgrzewania nie wymagają wykwalifikowanej obsługi .

Do wad procesu zgrzewania tarciowego zaliczyć możemy przede wszystkim :

a) konieczne jest w większości przypadków usunięcie wypływki ;

b) istnieje możliwość powstawania złącza niewspółosiowego ( przy nieprawidłowych parametrach procesu ) ;

c) ograniczony zakres stosowania tej metody wynikający z faktu , że jeden z łączonych elementów musi mieć w płaszczyżnie tarcia przekrój kołowy ( lub zbliżony do kołowego ) , pełny lub pierścieniowy

1.2. Parametry zgrzewania tarciowego .

Parametry zgrzewania , od których zależy efekt zastosowanej technologii , dobiera się w zależności od rodzaju i gatunku zgrzewanych materiałów , rodzaju i wielkości przekroju elementów w miejscu tarcia , wymagań technicznych i wytrzymałościowych stawianych złączu , charaktterystyki technicznej zgrzewarki oraz rodzaju produkcji .Optymalne wartości parametrów ustala się doświadczalnie . Podstawowymi parametrami zgrzewania tarciowego w okresie nagrzewania decydującymi o temperaturze styku łączonych elementów i gradiencie temperatury są :

a) prędkość obrotowa - n ;

b) docisk tarcia - P_t ( parametr P_t należy tak dobierać ,aby dobre jakościowo

połączenie uzyskać przy jak najkrótszym czasie tarcia ) .

Od tych dwóch parametrów zależy trzeci parametr pierwszego okresu zgrzewania , a mianowicie czas nagrzewania powierzchni styku do wymaganej temperaturze , tzw. czas tarcia ( τ_t ) . Czas ten zależy ponadto od typu połączenia , średnicy częsci zgrzewanych oraz sposobu przygotowania powierzchni tarcia .Dla konkretnie ustalonych warunków zgrzewania każde zwiększenie czasu τ_t prowadzi do proporcjonalnego zwiększenia częsci.

Wdrugim okresie procesu zgrzewania podstawowym parametrem technologicznym jest docisk spęczania - P_s .

Ostatnim parametrem , który odgrywa rolę w procesie zgrzewania tarciowego jest czas spęczania - τ_s .

Parametry procesu zgrzewania tarciowego i obszar tolerancji kontrolowanych parametrów ( obszary zakreskowane na rysunku ) przedstawiono na rys. 3

n [obr/min]

czas hamowania

praca obrotowa

czas-t ,[s]

P [ kN]

FAZA TARCIA

CZAS OPÓŻNIENIA

SPĘCZANIA

CZAS TARCIA CZAS

SPĘCZANIA

CZAS NARASTANIA FAZA t [s]

SIŁY TARCIA SPĘCZANIA

Δ L [mm]

skrócenie części

S₁ S₂

S₁ - skrócenie części w czasie tarcia czas t [ s ]

S₂ - skrócenie całkowite

Rys. 3 Parametry procesu zgrzewania tarciowego .

W praktyce stosowane są różne cykle docisku osiowego ( tarcie + spęczanie ) podczas zgrzewania . Przykładowe cykle docisku osiowego przedstawiono na rys. 4.

a) b)

P [N] P [N]

t [ s ] t [ s ]

c) d)

P [N] P [N]

t [ s ] t [ s ]

Rys 4 . Przykładowe cykle docisku osiowego stosowane przy zgrzewaniu

tarciowym .

Cykl zgrzewania tarciowego przedstawiono schematycznie na rys. 5.

P [kN] t_c t_z

t_d t_op t_t t_oh t_h + t_sp t_od

t_h

4

P_sp

2 3

1

P_t

P_d P_od

Rys. 5 Cykl zgrzewania tarciowego t [ s ]

1 - moment włączania silnika napędu wrzeciona ,

2 - przerwanie dopływu prądu do silnika ,

3 - rozpoczęcie hamowania silnika przeciwprądem ,

4 - zatrzymanie silnika i rozpoczęcie spęczania ,

P_d - siła docisku ,

P_sp - siła spęczania ,

P_t - siła tarcia ,

P_od - siła odsuwania ,

t_d - czas dosuwu ,

t_h - czas hamowania ,

t_od - czas odsunięcia docisku ,

t_oh - czas opóżnienia hamowania ,

t_sp - czas spęczania ,

t_t - czas tarcia ; t_z - czas zamocowania

1.3. Zastosowanie zgrzewania tarciowego .

Zgrzewanie tarciowe jest szeroko stosowane w technice . W przemyśle samochodowym (w Niemczech około 60 % połączeń wykonywanych jest metodą zgrzewania tarciowego ) , ponadto w przemyśle lotniczym , przez producentów narzędzi do skrawania , w matrycach kużniczych . Klasycznymi przykładami zastosowań są zawory ssące i wydechowe silników spalinowych , cylindry hydrauliczne , tłoczyska , części przekładni zębatych , wały napędowe i wały turbin . Obecnie można zgrzewać tarciowo częsci rurowe o grubości ścianki poniżej 1mm. Istnieje też możliwość zgrzewania materiałów wytwarzanych technologią metalurgii proszków [ 11 ].

2. Żeliwo sferoidalne . Klasyfikacja , skład chemiczny .

2.1. Żeliwo sferoidalne niestopowe .

Żeliwo sferoidalne niestopowe jest produkowane w kilku gatunkach różniących się między sobą zawartością perlitu , ferrytu , a także zawierających inne produkty rozpadu austenitu po obróbce cieplnej . Gatunki te można otrzymać zarówno przez zmianę szybkości stygnięcia odlewu , jak też przez zmianę składu chemicznego żeliwa .

Zmiany podstawowych własności żeliwa sferoidalnego niestopowego następują w sposób ciagły , np. ze wzrostem udziału ferrytu ( kosztem udziału perlitu ) wzrasta plastyczność ( wydłużenie ) żeliwa , obniża się natomiast wytrzymałość .

Żeliwo sferoidalne można podzielić na :

a) żeliwo sferoidalne czysto ferrytyczne o najwyższych własnościach

plastycznych wykazujące wydłużenie A₅ = 17 % ;

b) żeliwo sferoidalne ferrytyczne o wydłużeniu A₅ = 12 ÷ 15 % ;

c) żeliwo sferoidalne ferrytyczno - perlityczne o wytrzymałości na rozciąganie

około 550 MPa i wydłużeniu A₅ = 7 % ;

d) żeliwo sferoidalne perlityczno - ferrytyczne o wytrzymałości na rozciąganie

600 MPa ;

e) żeliwo sferoidalne perlityczne o wytrzymałości na rozciąganie 700 MPa .

Gatunki o najwyższej wytrzymałości mogą być otrzymane przy zastosowaniu

obróbki cieplnej lub wprowadzeniu dodatków stopowych.

Przykłady żeliw o strukturze ferrytycznej oraz o strukturze perlitycznej pokazano na rys. 6 oraz 7.

2.2. Skład chemiczny żeliwa sferoidalnego .

Klasyfikacja żeliwa sferoidalnego niestopowego jest wykonana w oparciu o własności mechaniczne .

Węgiel - ma niewielki wpływ na własności mechaniczne , korzystnie wpływa na

własności odlewnicze . Zawartość C : 3,3 ÷ 3,8 % .

Krzem - jest zasadniczo składnikiem niepożądanym , gdyż powoduje obniżenie

wytrzymałości , plastyczności i udarności , a równocześnie zwiększa

ilość magnezu potrzebną do uzyskania grafitu kulkowego . Zawartość

Si < 2,5% .

Mangan - wpływa na stabilizację cementytu eutektoidalnego . W żeliwie sferoi -

dalnym perlitycznym zawartość manganu może wynosić 0,3 ÷ 0,8 % .

Natomiast w żeliwie o osnowie ferrytycznej należy dążyć do utrzyma -

nia możliwie jak najniższej zawartości manganu , poniżej 0,5 %.

Fosfor - domieszka szkodliwa, gdyż obniża plastyczność i odpornośc na obcią -

żenia dynamiczne . Dopuszczalna zawartość fosforu 0,08 % .

Siarka - występuje w ilościach nie przekraczających 0,02 % ; jest to domieszka

szkodliwa .

Magnez - występuje w ilościach 0,03 ÷ 0,1 % w zależności od grubości ścianek

odlewu .

Nikiel i miedż - zawartość Ni ∼0,05 % i około 0,1 % Cu .Mogą one być większe

jeśli do sferoidyzacji stosuje się zaprawy magnezowe zawierają -

ce te składniki . W żeliwie sferoidalnym o osnowie ferrytycznej

dodatek Cu i Ni działa niekorzystnie , gdyż utrudnia uzyskanie

struktury ferrytycznej . Ponadto miedż w ilości około 2 % działa

desferoidyzująco .

2.3. Struktura osnowy .

Struktura osnowy żeliwa sferoidalnego niestopowego składa się z perlitu i ferrytu . Udział ferrytu zależy od składu chemicznego ( przede wszystkim od

zawartości krzemu i manganu ) i szybkości stygnięcia .

Przy bardzo niskiej zawartości manganu ( poniżej 0,2 % ) i fosforu ( poniżej 0,05 % ) , po odlaniu można otrzymać strukturę czysto ferrytyczną , Podobny ynik można otrzymać stosując wyżarzanie grafityzujące .

Strukturę osnowy żeliwa niestopowego sferoidalnego można określić przez podanie ilości perlitu wg powierzchni zajmowanej przez ten składnik na powierzchni zgładu oraz dokonując oceny stopnia dyspersji perlitu .

Eutektyka fosforowa najczęściej nie występuje w żeliwie sferoidalnym , które zasadniczo powinno zawierać poniżej 0,1 % P. Ponadto w strukturze żeliwa sferoidalnego mogą być obecne wtrącenia niemetaliczne ( jak np. siarczek magnezu ) pozostające w metalu odlewanym przy niskiej temperaturze .

3. Przykłady wykorzystania zgrzewania tarciowego .

Od szeregu lat w Katedrze Materiałoznawstwa i Technologii Metali WM ATR w Bydgoszczy są prowadzone próby zgrzewania tarciowego żeliwa sferoidalnego . Wykorzystywane są różne sposoby mające na celu otrzymanie wytrzymałości złącza przekraczającej wytrzymałość samego żeliwa sferoidalnego

3.1. Zgrzewanie żeliwa sferoidalnego ze stalą kwasoodporną .

.

Przykładem takiego wykorzystania zgrzewania żeliwa może być zgrzewanie żeliwa sferoidalnego ze stalą kwasoodporną .

Parę w złączu zgrzewanym stanowiły : żeliwo sferoidalne gatunek 550-3 i stal kwasoodporna 1H18N9T. Żeliwo miało następujący skład chemiczny:3,5%C, 3,03% Si,0,4%Mn,0,13%P,i 0,007%S i zostało wytopione w żeliwiaku kwaśnym z grzanym dmuchem.Żeliwo odlewano do wilgotnych form piaskowych.Osnowa metalowa zawierała 68,5% perlitu i resztę ferrytu.Grafit w stosunku do całkowitej powierzchni wynosił 12%.Wydzielenia grafitowe sklasyfikowano jako: Gf9 (95%) i Gw45.

Próbki żeliwne o średnicy 20mm wycięto z dolnych części wlewków próbnych w kształcie Y typ II.Próbka okrągła miała na czole występ w postaci czopa o długości 3mm i średnicy 6mm.Koniec tego czopa zatoczono na stożek.

Próbka stalowa o średnicy 20mm została wycięta z pręta walcowanego.Na jej czole od strony powierzchni zgrzewania wykonano nakiełek,w kształcie stożka o kącie wierzchołkowym 90°.

Próby zgrzewania wykonano na zgrzewarce tarciowej ZT4 - 13 przy parametrach:

- siła tarcia P_t= 29 kN;

- czas tarcia τ_t =120s;

- siła spęczania P_sp = 34 kN;

- czas spęczania τ_sp = 3 s.

W próbie zgrzewania próbki żeliwne mocowano w uchwycie wrzeciona zgrzewarki,a w imadle suportu - próbki stalowe.

Próbę rozciągania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej

ZD - 40.Z próby rozciągania wyznaczono maksymalną siłę rozciągającą.Próbki rozciągano bez usunięcia wypływki.

Przełomy próbek obserwowano na mikroskopie stereoskopowym

MST - 30,a następnie fotografowano.

Do badań strukturalnych wykonano zgład w przekroju wzdłóżnym próbki zgrzewanej poddanej rozciąganiu.Obserwacje mikroskopowe przeprowadzono na całej powierzchni złącza,a fotografowano tylko w niektórych częściach złącza.

Na zgładach metalograficznych,wzdłuż prostej prostopadłej do powierzchni zgrzewania,oddalonej od tworzącej walca 2,5mm,wykonano pomiary mikrotwardości na twardościomierzu PMT - 3 przy obciążeniu 0,49 N

(0,05kG).

Wyniki badań.

Po zgrzewaniu większe wypływki posiadały próbki żeliwne.Średnica zewnętrzna wypływki na obu próbkach wynosiła 36mm.Na jej obwodzie były promieniowe pęknięcia (rys.8).

Złącze próbki 1 uległo pęknięciu przy F_m = 119,7 kN,a złącze próbki 2 przy F_m = 109,9 kN.

Zerwanie próbek nastąpiło po stronie żeliwa w pewnej odległości od linii zgrzewania .Powierzchnia przełomu próbki 1 jest ziarnista,szara (rys.8a).W środku próbki 2 widoczny jest prawie gładki,szary wycinek kołowy.Jest to pozostałość po zdeformowanym czopie próbki żeliwnej.Grubość materiału żeliwnego zgrzanego do próbki stalowej wynosiła ok. 1 mm

Struktura osnowy żeliwa bezpośrednio przy linii zgrzewania jest perlityczna.Szerokość tej cząści struktury wynosi ok.0,04 mm.Za nią na tle perlitu widoczna jest siatka ferrytu (rys.9).

W odległości ok. 2mm od linii zgrzewania osnowa żeliwa jest perlityczna,przy wydzieleniach grafitowych są bardzo wąskie otoczki ferrytu (rys,10).Na granicy ziarna eutektycznego opócz mikropor (ciemne punkty) i wtrąceń azotków tytanu (jasne punkty) na tle perlutu jest również cementyt wtórny w formie cienkiej siatki i płytek.

W dalszej dzęści strefy wpływu ciepła w odległości ok. 4 mm od linii zgrzewania struktura osnowy składa się z perlitu i ferrytu (rys.11).Na granicy ziarna eutektycznego widoczny jest na tle perlitu cementyt wtórny.

Na rys.12 pokazano strukturę w osi próbki zgrzweanej po stronie żeliwa tuż przy linii zgrzewania (strona prawa).Struktura fragmentu czopa z bardzo drobnymi wydzieleniami grafitowymi ułożonymi pionowo.Grafit otoczony jest ferrytem.Charakter tej struktury jest pasmowy.Między oasmami znajduje się perlit.

Struktura stali przy linii zgrzewania przedstawiona jest na rys 13.Linia zgrzewania (lewa strona) jest falista,tuż za nią w prawo na tle bardzo drobnych węglików(szara barwa)są kulkowe i płytkowe wydzielenia węglików (jasne).Dalej struktura składa się z węglików o dużej dyspersji wewnątrz ziarn(ciemne) idobrze wykształconej siatki węglików.Pogrubione granice ziarn biegną jeszcze dalej lecz z coraz mniejszą ilością drobnych węglików na tle austenitu.Struktura żeliwa po stronie lewej jest bardzo ciemna (przetrawiona).Jest to wynik zastosowania odczynnika ujawniającego strukturę stali austenitycznej.

Przebieg zmian mikrotwardości złącza i w strefie wpływu ciepła przedstawiono na rys. 14.Struktura węglikowa przy linii zgrzewania posiadała najwyższą twardość 557μHV0,05.W miarę oddalania się od tej linii twardość stali gwałtownie się obniża,a po stronie żeliwa twardość zmniejsza się systematycznie.

Analiza struktury i twardości.

Badania strukturalne złącza i strefy wpływu ciepła uważane za miejsca decydujące o wytrzymałości połączenia spajanego, wyjaśniają procesy zachodzące podczas zgrzewania tarciowego,a kakże podczas studzenia.Pomiary mikrotwardości połączenia zgrzewanego stanowią potwierdzenie występujących w nim składników strukturalnych.Na podstawie uzyskanych wyników i przeprowadzonych obserwacji mikroskopowych zilustrowano skład strukturalny osnowy metalowej żeliwa i stali 1H18N9T (rys.15).

Wydzielenia grafitowe w części środkowej próbki,tam gdzie znajdował się czop,uległy fragmentacji tworząc w tej części złącza strukturę pasmową.Ten typ struktury zosał dokładnie opisany w pracy [3].Można więc przypuszczać,ze względu na miejsce powstałego przełomu próbki 2 ,że ten fragment istniejący na linii zgrzewania decydował o jej wytrzymałości.Pojawienie się rozdrobnionego grafitu,otoczonego ferrytem,w strukturze pasmowej należy uznać za strefę materiału,która na pewno odznacza się zmniejszoną wytrzymałością na rozciąganie.Ograniczenie tej strefy powinno spowodować wzrost wytrzymałości złącza.

Niektóre sferoidy grafitowe w pozostałej części przekroju złącza uległy odkształceniu plastycznemu (spłaszczeniu).Im dalej od linii zgrzewania,tym stopień odkształcenia jest mniejszy.Odkształcenie to zostało spowodowane spęczaniem materiału.Plastczny austenit żeliwa silnie się odkształca,a znajdujące się w nim sferoidy pod naciskien osnowy zmieniają swuj kształt w kierunku płynięcia materiału.W tej części złącza na linii zgrzewania nie ma struktury pasmowej.

W stali przy linii zgrzewania utworzyły się pjedyńcze większe węgliki na tle bardzo drobnych (rys.13).Oddalając się od linii zgrzewania węgliki znajdują się na granicach ziarn austenitu tworząc siatkę węglikową.Wewnątrz ziarn znajdują się bardzo drobne węgliki.Obecność węglików w austenicie stali potwierdza mikrotwardość tej strefy złącza.Powstanie fazy węglikowej w stali austenitycznej niezbicie dowodzi o istnieniu procesu dyfuzyjnego podczas zgrzewania.W tym przypadku w dyfuzji węgla istotną rolę odgrywają pierwiastki stopowe stali.Wpływ składników stopowych wiąże się ze skłonnością do tworzenia węglików.Węglikotwórczy chrom zwiększa energię aktywacji,co przyczynia się do hamowania dyfuzji węgla w austenicie stali.Nikiel natomiast ten proces przyspiesza.

J.Hirsch [ 2 ] zgrzewając tarciowo żeliwo sferoidalne gatunek 400 - 15 ze stalą K10 podaje,że w osnowie znajdował się perlit,nie było natomiast ledeburytu i martenzytu.

Autorzy publikacji [11] informują o istnieniu w żeliwie martenzytu w próbkach o średnicy 2mm i perlitu z troostytem (troostyt hartowania) oraz ferrytu przy graficie w próbkach o średnicy 80mm.Cementyt wtórny natomiast występował na granicach ziarn eutektycznych. Po stronie stali z kolei była struktura perlityczno - trostytyczna z iglastym i siatkowym cementytem wtórnym,a po niej - ferryt i perlit.

W strefie wpływu ciepła tuż przy linii zgrzewania złącza z żeliwa sferoidalnego stwierdzono w strukturze osnowy perlit o dużej dyspersji (trostyt),siatkowy cementyt wtórny i ledeburyt [10].

Grafit zmniejsza współczynnik tarcia i ogranicza wzrost temperatury [11].Podczas tarcia ulega rozdrobnieniu tworząc tzw.strukturę pasmową ,a sferoidy grafitowe odkształcają się,ale spotyka się takie,które nie zmieniły kształtu [10].

3.2. Zgrzewanie żeliwa sferoidalnego ze stalą konstrukcyjną .

Do badań użyto żeliwo sferoidalne wytopione w żeliwiaku kwaśnym z gorącym dmuchem i odlane we wlewki Y2 . Skład chemiczny żeliwa był następujący : C = 3,10 % , Si = 2,40 % , Mn = 0,94 % , S = 0,007 % , P = 0,1%

Osnowa żeliwa składała się : 19,4% ferrytu , 80,3% perlitu , i 0,3% cementytu . Drugą część złącza stanowiła stal 20 .

Z wlewków Y2 wycięto pręty o średnicy 20 mm . Z prętów tych wykonano próbki do zgrzewania o wyglądzie i wymiarach przedstawionych na rys. 16.

φ 10 φ20

żeliwo stal

2

100 100

Zgrzewanie próbek wykonano przy parametrach , które w pracy [10] zapewniły złączom żeliwo - żeliwo maksymalną wytrzymałośc , a mianowicie :

P_t = 29,6 kN, τ_t = 23 s , P_sp = 36,8 kN , τ_sp = 3 s .

Zgrzewanie wykonano na zgrzewarce ZT4 -13 , umieszczając próbkę żeliwną we wrzecionie , a stalową w uchwycie . Wykonano 10 złączy ( seria I ) , które wykazały wytrzymałość R_m = 252 + (-) 16 MPa .

W zasadzie powinno być sprawą obojętną którą z dwóch części próbek , żeliwną czy stalową , umieszcza się we wrzecionie , a którą w uchwycie .Przeprowadzono jednak II serię prób ,w której próbka stalowa znajdowała się we wrzecionie a żeliwna w uchwycie . 8 - elementowa próba przyniosła wytrzymałośc R_m = 204 + (-) 25 MPa .Nie analizowano przyczyny tak istotnie różnych wartości R_m , niemniej w dalszych badaniach zawsze umieszczano próbkę żeliwną we wrzecionie , a stalową w uchwycie .

Autorzy pracy [4] usuwali wypływkę ze złączy przed badaniem wytrzymałości na rozciąganie, natomiast autorzy w pracy [10] pozostawili ją dla wyjaśnienia wpływu obecności lub nieobecności wypływki na wytrzymałośc R_m złączy przeprowadzono odpowiednie badania na 9 - elementowej próbie . Otrzymany wynik R_m = 260 + (-) 25MPa nie wykazał statystycznie istotnej różnicy w stosunku do wyników I serii wobec tego w dalszych badaniach nie usuwano wypływek .

Przeprowadzono również zmianę kształtu czół , mianowicie występ stożkowy wykonano na próbce żeliwnej , a wgłębienie na stalowej, pozostawiając próbkę żeliwną we wrzecionie , a stalową w uchwycie . Wytrzymałość określona na 8 - elementowej próbie serii IV, wykazała

R_m = 216 +(-) 28 mpa , tojest wartośc istotnie niższa od wytrzymałości serii I .

Badania mikroskopowe zgrzein wykazały istnienie w żeliwnej części złączy strefy martenzytycznej . Według tych badań bezpośrednio przy powierzchni zgrzewania występuje cienka warstwa perlitu i dopiero zanią martenzyt .

Powstanie struktury martenzytycznej w zgrzeinie żeliwo - stal po stronie żeliwa jest spowodowane z jednej strony niską wartością prędkości krytycznej chłodzenia ( v_kr ) , a z drugiej - dużą prędkością chłodzenia , przekraczającą prędkość krytyczną.

Uniknięcie wystąpienia strefy martenzytycznej jest zatem możliwe przez :

a) podwyższenie prędkości krytycznej żeliwa ,

b) zmniejszenie prędkości chłodzenia.

W pierwszym przypadku jest to możliwe przez zmianę składu chemicznego żeliwa , np. przez zmniejszenie zawartosci manganu lub węgla . Stwierdzono , że tuż przy powierzchni zgrzewania występuje strefą perlityczna o grubości od 0,1 do 0,4 mm , a dopiero za nia strefa martenzytyczna .

Wdrugim przypadku uzyskuje się to przez wstępne podgrzewanie próbek. Taką próbę przeprowadzono podgrzewając próbki do 400 ^oC i otrzymano zwiększenie grubości strefy perlitycznej oraz zmniejszenie zawartości martenzytu .Jednakże ten sposób unikania tworzenia się martenzytu jest niedopuszczalny ponieważ podgrzane próbki odpuszczają utwardzone cieplnie elementy wrzeciona i uchwytu zgrzewarki.

Przeprowadzono szereg prób przy zmniejszanej sile tarcia i odpowiednio zwiększanym czasie tarcia. Przy sile tarcia 15,3 kN i czasie tarcia 40 s otrzymano na 4 - elementowej próbie serii VI wytrzymałośćna rozciąganie R_m = 350 +(-) 17

MPa , istotnie większą aniżeli w serii I .

Dalsze zmniejszenie siły tarcie i odpowiednie zwiększenie czasu tarcia doprowadziło do zwiększenia strefy perlitu do grubości 3mm.

W strefach perlitycznych ( przy grubości ponad 0,5 mm ) stwierdzono występowanie cementytu wtórnego w formie ziarn zwartych i siatki , a także ledeburytu .Z tego powodu twardość tych stref jest znacznie podwyższona .

SPIS TREŚCI

1. Ogólne wiadomości o zgrzewaniu tarciowym .

1.1. Zalety i wady zgrzewania tarciowego.

1.2. Parametry zgrzewania tarciowego.

1.3. Zastosowanie zgrzewania tarciowego.

2. Zeliwo sferoidalne. Klasyfikacja , skład chemiczny.

2.1. Zeliwo sferoidalne niestopowe.

2.2. Skład chemiczny żeliwa sferoidalnego.

2.3. Struktura osnowy.

3. Przykłady wykorzystania zgrzewania tarciowego .

3.1. Zgrzewanie żeliwa sferoidalnego ze stalą kwasoodporną.

3.2. Zgrzewanie żeliwa sferoidalnego ze stalą konstrukcyjną .

4. Podsumowanie.

Literatura

4. Podsumowanie.

Jak wynika z powyższej pracy zgrzewanie tarciowe żeliwa znajduje coraz większe zastosowanie w przemyśle. Zaletą tej technologii spajania jest fakt , że istnieje możliwość uzyskania połączenia o wytrzymałości przewyższającej wytrzymałość samego materiału. Wśród żeliwa najszersze zastosowanie znalazło żeliwo sferoidalne , które można łączyć z innymi materiałami ( różnymi gatunkami stali ) np. stalą kwasoodporną ( 1H18N9T ), stalą konstrukcyjną ( 20 )

Istnieją również badania nad zgrzewaniem żeliwa szarego.Własności uzyskanego połączenia zależą od zabiegów cieplnych przeprowadzanych po wykonaniu złącza .Jako przczynę niskiej wytrzymałości złącza uznano wystąpienie struktury martenzytycznej .Takim zabiegiem zwiększającym wytrzymałość jest np. wyżarzanie normalizujące.

Duży wpływ na wytrzymałość i własności złącza mają same parametry zgrzewania taciowego ( czas zgrzewania , siła tarcia , siła spęczania ).

LITERATURA

1. Dymski Stanisław : Badanie struktury zgrzewanego tarciowo żeliwa

sferoidalnego ze stalą austenityczną .

Zeszyty Naukowe Mechanika ( 38 ) - 1995

2. Hirsch J. von : Konstruktionsschweissen von Stahl mit Kugelgraphit mit

Baustahl. Konstruieren und Giessen , 13, nr 2 ,1988

3. Honey Ches : Prezentacja zgrzewania tarciowego . Biuletyn Instytutu

Spawalnictwa Nr 5 /93.

4. Kacpszak W. ,Lasociński J. : Badania możliwości zgrzewania żeliw

sferoidalnych . Przegląd Spawalnictwa Nr 9 /76.

5. Michalski R. , Kamiński Z. : Zgrzewanie tarciowe. WNT W - wa 1975.

6. Oleszycki Henryk : Badania możliwości zgrzewania materiałów trudno-

zgrzewalnych - żeliwa sferoidalnego. IS Gliwice 1988.

Część I

7. Oleszycki Henryk : Badania możliwości zgrzewania materiałów trudno-

zgrzewalnych - żeliwa sferoidalnego. IS Gliwice 1989.

Część II.

8. Oleszycki Henryk : Przemiana eutektoidalna w żeliwie sferoidalnym w

warunkach zgrzewania tarciowego. Bydgoszcz 1989.

9. Oleszycki Henryk : Zgrzewanie żeliwa sferoidalnego ze stalą . Zeszyty

Naukowe Nr 193 - Mechanika Nr 38 / 95.

10. Oleszycki Henryk , Karulski T. : Zgrzewanie tarciowe żeliwa sferoidal-

nego. Zeszyty Naukowe Nr 184 - Mechanika

Nr 36 / 94.

11. Riechter H. , Patzkill A. : Ubertragung von Mikroreibschweissversuchen

auf bauteilgrosse Proben am Beispiel der Verk -

stoffkombination Baustahl / Gusseisen mit Kugel -

graphit Schweissen und Schneiden 37, Z.2 ,1989

12. Smarzyński Stanisław : Spawalnistwo Wydawnictwo ATR 1989

13. Tolke P. : Schweissen von Eisen - Kohlenstoff - Gusswerkstoffen .

Journal de la Soudure , Nr 10 , 1975.

---