Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №9

Технологические экзотермические смеси и их необходимые энергетические характеристики

В.Г. Лебедев, Б.В. Лебедев

Технологические экзотермические смеси (ТЭС) — это порошкообразные смеси различных компонентов, вступающих в экзотермические реакции, которые могут быть использованы при пайке, сварке, напылении, термообработке (ТО) — отжиге, закалке, отпуске, химико-термической обработке (ХТО) — диффузионном насыщении поверхностей, нанесении защитных покрытий, плакировании, термомеханической обработке (ТМО) — для упрочнения деталей машин.

По виду изготовления или по своему рецептурному составу ТЭС могут быть безгазовыми или с газовой фазой.

По виду использования для конкретных технологических целей существуют следующие смеси:

• насыпные (r = 0,8 г/см³), в основном применяемые для тигельной сварки,

• уплотненные (r = 0,8–2 г/см³) в сгораемых и несгораемых оболочках, применяемые, как правило, для пайки, пайки-сварки, сварки, наплавки, напыления и разрезания металлов,

пастообразные (r = 2–2,5 г/см³) твердеющие и нетвердеющие, применяемые для тех же целей, что и уплотненные смеси,

• прессованные (r = 2,5–4 г/см³) в виде таблеток, шашек, наборов шашек и таблеток в оболочках и без оболочек, применяемых для пайки, сварки, пайки-сварки, наплавки, напыления, резания металлов, для выполнения ТО, ХТО, ТМО, а также для использования в качестве топлива.

Попытки получить термитный стержень, рабочие характеристики которого были бы в какой-то степени сравнимы с характеристиками обычного сварочного электрода, предпринимались давно, однако без существенного успеха [2]. В лучшем случае удавалось получить прихват соединяемых деталей, причем шов был пористым и засоренным шлаком. Причина этого заключается в том, что вопросу разделения системы "металл — шлак" уделялось мало внимания, неверно выбиралась тепловая мощность смеси, не учитывались тепловой КПД и время теплового насыщения.

Тепловую мощность смеси можно подсчитать с достаточной степенью точности, используя классические представления [3], т. е. рассматривая процесс нагрева поверхности детали некоторым сосредоточенным источником тепла.

Используя эти представления, получено достаточно простое выражение для расчета условной тепловой мощности источника тепла. Мощность названа условной т. к. в расчетном выражении неизвестен КПД

где Т — температура, °С;

е — коэффициент тепловой активности, Дж/м² К^0.5;

D — диаметр стержня, м;

v — скорость перемещения стержня вдоль шва, м/с;

Z — толщина свариваемого металла, м;

а — коэффициент температуропроводности, м²/с;

h — КПД.

Для того, чтобы определить КПД термитного стержня, выделяющего тот или иной присадочный материал, необходимо рассмотреть процесс нагрева при данном виде сварки.

При нагреве металла термитными стержнями теплоперенос осуществляется расплавленной смесью металла и шлака, а в случае наличия в термите газовой фазы — газовой струей. Приближенно можно считать, что теплоперенос осуществляется в основном расплавленным металлом по следующей схеме: перегрев металла до температуры 2600–2800 °C в ядре реакции, перенос металла на холодную поверхность детали, кристаллизация части металла с выделением теплоты кристаллизации, теплообмен между кристаллизованным металлом и свариваемым.

Учитывая, что часть металла, попадающая на холодную поверхность свариваемого изделия, кристаллизуется с высокой скоростью, этот процесс теплообмена может быть описан достаточно корректно граничными условиями четвертого рода. Если контактную температуру кристаллизованного металла считать долей температуры поступающего термитного металла, то именно эта доля окажется равной КПД.

В этом случае КПД термитного стержня будет:

η = ε_T/(ε_T + ε_M)

Это выражение показывает, что тепловой КПД термитного стержня тем выше, чем больше разность между коэффициентами тепловой активности выделяющегося и свариваемого металла.

Формулы расчета мощности сварочного стержня показывают, что для нагрева до одинаковой температуры образцов одинаковой толщины термитный стержень с железным термитом должен обладать мощностью в 1,4 раза большей, чем такой же стержень с медным термитом (рис. 1).

Рис. 1. Необходимая тепловая мощность термитных стержней, выделяющих медь (1) и сталь (2) до Т=1100 °C

Как видно, получение высоких температур нагрева свариваемого материала за счет использования стержня с железным термитом затруднительно. Если же учесть, что для сварки изделий из железоуглеродистых сплавов температура нагрева должна составлять 1550 °C, можно определить причину неудач, которые сопровождали сварку термитными стержнями на базе стандартного железного термита.

Как известно, при сварке значительное влияние на процесс оказывает не только мощность теплового источника, но и время, за которое устанавливается необходимая температура нагрева. Иными словами, большое значение имеет время теплового насыщения.

Время теплового насыщения определялось путем моделирования процесса повышения температуры свариваемого металла с учетом теплообмена по граничным условиям четвертого рода и передаточной функции температуры.

где Т_0T, Т_0M — начальные температуры свариваемого и термитного металлов,

ε_T и ε_M — коэффициенты тепловой активности свариваемого и термитного металлов,

Z — толщина свариваемого металла,

t — время нагрева.

Результаты расчетов приведены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Зависимость температуры стали, свариваемой стержнем, выделяющим медь, от времени разогрева на поверхности (1) и на глубине 3 мм (2)

Рис. 3. Зависимость температуры стали, свариваемой стержнем, выделяющим железо от времени разогрева на поверхности (1) и на глубине 3 мм (2)

Как видно, в системах Cu-сталь нагрев металла на глубинах 3–4 мм до температуры плавления меди или даже до температуры плавления стали осуществляется за приемлемый промежуток времени до 15 с, который может быть сокращен за счет большего перегрева термитного металла при использовании соответствующей рецептуры.

Использование термитных стержней системы Fe-сталь в настоящее время наталкивается на большие трудности, т. к. время нагрева свариваемой стали до температуры плавления чрезвычайно велико, что влечет использование термитных стержней большой длины, а это технологически и экономически нецелесообразно. Термитные стержни этой системы, имеющие обычную длину 150–200 мм, при наиболее распространенных скоростях горения 5–8 мм/с не могут обеспечить разогрев свариваемого металла до необходимой температуры за время своего горения, в результате чего сварка невозможна.

Необходимые мощности термитных стержней системы Cu-сталь, изготовленных из уплотненных ТЭС, находятся в пределах 10–20 кВт при сварке толщин 1-10 мм.

Максимальный КПД термитного стержня может быть получен в том случае, если коэффициент тепловой активности термитного металла как можно больше коэффициента тепловой активности свариваемого металла.

Время теплового насыщения до температур сварки у системы Cu-сталь находится в приемлемых пределах, что может быть реализовано при сварке. Системы, где в качестве термитного металла выделяется железо, в настоящее время трудно реализуемы.

В качестве термитного металла может быть рекомендована медь, т. е. система Сu-сталь, что позволяет сваривать толщины до 10 мм. Для получения прочных швов к термитному металлу необходимо добавлять соответствующие легирующие элементы, чтобы формировать шов из высокопрочной бронзы, что вполне достижимо.

_{Литература}

_{1. Шидловский А.А. Основы пиротехники. — М.: Оборонгиз, 1973.}

_{2. А.с. 53891 СССР. Способ термитной сварки. — М.: 1937 / Карасев М.А.}

_{3. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. — М.: Госнаучтехиздат, 1951.}

_{4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. — М.: Выс. ш шк., 1967.}

_{5. Рыкалин Н.Н. Теория нагрева металла местными источниками тепла // Тепловые явления при обработке металлов резанием. — М.: НТО Машпром, 1969.}

_{6. Резников А.Н. Теплофизика резания. — М.: Машиностроение, 1969.}