Широке застосування в різних областях техніки знаходять біметали. Їх використання веде не тільки до істотної економії дорогих матеріалів, а й досягти якісно нових властивостей виробів. Коли критеріям придатності виробу відповідає шар робочої поверхні, а інша частина є базовою частиною і не піддається прямій взаємодії з факторами, які викликають абразивне і корозійне зношування. Технологія лиття біметалів представляє один із найбільш економічних способів нанесення покриттів, дозволяючи виробляти багатошарові елементи безпосередньо в процесі лиття. Таким чином, вона складає суттєву конкуренцію найбільш розповсюдженим способам наплавлення шляхом зварювання та термічного напилення, оскільки на додаток до економічних переваг вона попереджує розвиток тріщин в зоні термічного впливу[1-3]. В основному існуючі способи виготовлення біметалів литтям діляться на два методи: рідина-рідина та рідина-тверда речовина. Але в більшості не дозволяють отримати біметалевий злиток високої якості, оскільки з'єднання шарів біметалу здійснюється після заливання в піщану форму, а високі температури і середовище призводить до утворення на поверхнях з’єднання окисних плівок, які погіршують умови зчеплення шарів. Внаслідок утворення дефектів та непердбачуваних локальних напруг достатньо складно прогнозувати якість біметалевої продуції.

Метою даної роботи є теоретичні та експериментальні дослідження процесу виготовлення листових біметалів з використанням лазерно-ливарних процесів.

Складові біметалу розділяються на функціональну складову та основу. Функціональна складова виконує необхідні функції, а основа тримає форму та навантаження. Запропонований комбінований процес виготовлення біметалів можна розділити на два етапи. На першому етапі відбувається підготовка поверхні функціонального матеріалу перед подальшою заливкою матеріалом основи в рідкому стані. За допомогою сфокусованого лазерного випромінювання, яке подається разом із захисним газом, формується мікрорельєф з відповідними параметрами: - крок між заглибленнями і виступами, висота виступів або глибина западин рельєфу; - форма виступів/западин в поперечному перетині (прямокутна, трикутна, у вигляді трапеції). На другому етапі підготовлену складову поміщають у виливницю та на оброблену поверхню наноситься розплав матеріалу основи. Розплавлений матеріал перегрівають по відношенню до температури плавлення встановної у виливницю пластини, на величину, що залежить від розмірів нанесеного рельєфу[4]. При цьому форма металічних западин/виступів та їх розміри забезпечують локалізацію тепла в цих елементах, їх оплавлення та утворення металургійного зв’язку.

Перед проведенням експерименту було проведено моделювання температурного поля в процесі сплавлення біметалу. Слід зазначити, що моделювався не сам технологічний процес, а лише температурне поле після завершення процесу лиття рідкого компоненту, тобто область моделювання є сталою. Для врахування багатошаровості розглядалась двошарова область визначення. Верхній шар (основа) перебуває у рідкому стані, а нижній (функціональний) шар – у твердому. У процесі нагріву в області моделювання можуть виникати зони, в яких матеріал перебуває в іншому агрегатному стані. В середині борозен метал може плавитися під дією нагрітого верхнього шару. Поступово розплавлене покриття охолоджується і кристалізується. Тобто модельований процес може супроводжуватися фазовими переходами. Матеріали цих двох частин модельованого об’єкта характеризуються різними теплофізичними коефіцієнтами.

Врахування зазначених неоднорідностей потребує використання наскрізного розрахунку, що дозволить виконувати моделювання однотипно для різних фаз та частин області визначення.

Постановка задачі про фазові переходи складається з основного рівняння, яке описує процеси теплообміну всередині області визначення, початкових та граничних умов. Моделювання температурного поля у двофазовому середовищі полягає у розв’язанні нелінійного нестаціонарного диференціального рівняння з частинними похідними, що визначено на описаній області визначення[5].

Після проведення розрахунку можливий перегляд результатів у вигляді тривимірних графіків, ізоліній чи таблиць. Окрім даних про температурне поле можливий перегляд числових параметрів розрахунку у вигляді положення вузлів сітки, графік часових та просторових кроків та ін. Досить наглядними є тривимірні графіки температур, що відображають зміну температурного поля залежно від часу (Рисунок 1)

На поверхні зразків з сталі 12Х18Н9Т за допомогою сфокусованого лазерного випромінювання в імпульсному  високочастотному режимі формувались концентричні виступи різноманітної форми із різними геометричними розмірами: висота = 0,7 мм, ширина = 1-2 мм. Після цього на поверхню зразків заливався розплавлений чавун марки СЧ20.

Зразки після охолодження розрізалися електроіскровим способом. Далі з них виготовлялися шліфи. Вивчення шліфів виявило стабільне, при певних розмірах і формі виступів, утворення в зоні контакту розплавленого чавуна і сталі, зони сплавлення. На Рис.2 представлені фотографії шліфів поперечного перерізу біметалу «нержавіюча» сталь 12Х18Н10Т - чавун СЧ20.

ВИСНОВКИ

Моделювання проводилось для визначення області зміни параметрів мікрорельєфу при якому в процесі заливання другого компоненту біметалу можна отримувати стабільне з’єднання двох складових, та можливість управління механізмом з’єднання для вибраних матеріалів, а також розрахунку ливарної системи.

Експериментальні дослідження мали за мету уточнення початкових передумов і оцінку міри достовірності отриманих теоретичних рішень, були проведені з використанням визначеної методики і обладнання.

Зіставлення результатів, отриманих при даному експериментальному дослідженні, з отриманим при теоретичному дослідженні на основі методу кінцевих елементів показало достатню міру достовірності розробленої математичної моделі. Розбіг отриманих результатів не перевищував 15%. Зокрема, в теоретичних і експериментальних дослідженнях одночасно спостерігався вплив глибини борозен на ступінь затікання розплаву матеріалу та швидкість його охолодження.

Розроблені методики розрахунку та рекомендації впровадження вищеописаної технології та відповідного обладнання для забезпечення комбінованого лазерного –ливарного процесу. на основі яких можна прогнозувати міцність з’єднання складових під час експлуатації.

Результати даного дослідження повинні забезпечити розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості виробництва біметалевих листів.