Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

Сварочные материалы на никелевой основе должны приме­ няться для сварки между собой стали X группы со сплавами XIII группы. Если зона соединения нагрета в рабочих условиях ниже 500 °С, то термическая обработка может не произво­ диться.

Г л а в а 33. РАЗНОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ (Гирш В. И.)

33.1. Общие проблемы сварки и возможные пути решения

Особенности сварки разнородных материалов и вызываемые при этом трудности связаны в большинстве случаев с сущест­ венным различием физических и химических свойств соединяе­ мых материалов. К числу таких особенностей необходимо от­ нести следующие:

резкое различие в химическом составе материалов. Это приводит во многих случаях к появлению новых нежелатель­ ных с позиций формирования эксплуатационных свойств соеди­ нения фаз, изменению свойств металла в околошовной зоне и изменениям в структуре в результате диффузии компонентов парного металла;

различие в теплофизических свойствах (температуре плав­ ления, теплопроводности, теплоемкости, коэффициента терми­ ческого расширения), что ведет к асимметрии теплового поля, возникновению остаточных напряжений и деформаций;

несовпадение диапазонов сварочных температур одного ма­ териала с допускаемой температурой, при которой не проис­ ходит ухудшения характеристик другого металла;

отличие в природе оксидов, их химической стойкости, тем­ пературах плавления, способности к растворению в основном металле, защитных свойствах и т. п.;

различия электрических и магнитных свойств материалов; неодинаковая способность растворять газы; несовпадение диапазонов режимов термической обработки,

требуемой в ряде случаев для снятия остаточных напряжений. На свариваемость разнородных материалов определяющее влияние оказывает их физико-химическая совместимость, про­ являющаяся в способности образовывать между собой твердые растворы и химические соединения (интерметаллиды). Для двойных металлических систем Юм-Розери сформулировал об­ щие правила, определяющие растворимость в твердом состоя­ нии, образование и стабильность промежуточных фаз. Со­

гласно этим правилам:

растворимость в твердом состоянии ограничена, если раз­ личия в размерах атомов компонентов, участвующих в образо­

вании сплава, превышают 14—15%. При превышении значений атомного диаметра растворяемого элемента указанного пре­ дела растворимость в твердом состоянии будет уменьшаться пропорционально увеличению разницы в атомных диаметрах взаимодействующих элементов, т. е. размерный фактор явля­ ется неблагополучным. При малом различии (менее 14—15%) размерный фактор имеет второстепенное значение и на раство­ римость в твердом состоянии влияют другие факторы;

для многих металлических систем устойчивость фаз и рас­ творимость в твердом состоянии связаны с электронной кон­ центрацией (число всех валентных электронов, приходящихся •на элементарную ячейку при условии, что все узлы в кристал­ лической решетке заняты, или число валентных электронов к числу атомов, т. е. как величина е/а) ;

взаимная растворимость двух элементов в твердом состоя­

с большей валентностью (эффект относительной валентности). Этот эффект не является общим правилом. При сплавлении компонентов с высокой валентностью нельзя предсказать, на основе какого из них будет образовываться более широкая об­ ласть твердых растворов.

Указанное правило, сформулированное Юм-Розери, легло в основу методики анализа возможности образования твердых растворов, предложенной Л. Даркеном и Г. Гури, в основу ко­ торой положено построение эллипсов растворимости (диа­ граммы растворимости) [1]. Методика предполагает графиче­ ское изображение зависимости максимальной растворимости в твердом состоянии различных легирующих элементов от атом­ ного радиуса и электроотрицательности. Электроотрицатель­ ность— количественная характеристика способности атомов химического элемента поляризовать образуемые им ковалент­ ные связи. Электроотрицательность (х) характеризуют срод­ ство атома металла к электрону и является функцией элек­ тронного состояния:

где п — число валентных электронов; г — радиус атома. Диаграмма растворимости строится в координатах электро­

отрицательность— атомный радиус. Оценка растворимости оп­ ределяется по сопоставлению взаимного расположения вспомо­ гательных эллипсов, построенных для конкретных элементов, Участвующих в образовании шва.

На рис. 33.1 приведены эллипсы растворимости для берил­ лия и меди. На диаграмме координаты меди и бериллия ле­ жат за пределами соответствующих больших эллипсов, но

большой эллипс каждого из этих металлов пересекает площадь малого эллипса другого металла. Этот факт позволяет сделать предположение, что в двойной системе этих металлов воз­ можно существование интерметаллических соединений, обла­ стей твердых растворов какого-либо из компонентов в другом металле наряду с возможным образованием зон твердых рас­ творов, интерметаллидов. Экспериментально подтверждено также

новные методы сварки по мере их ухода от условий, соответ­ ствующих условиям построения диаграмм, можно расположить в следующем порядке: шлаковые, газовые, дуговая, плазмен­ ная, электронно-лучевая, лазером, контактная точечная и шов­ ная, пайка, контактная стыковая, высокочастотная, трением, ультразвуком, диффузионная, взрывом, магнитно-импульсная холодная. Последовательность их расположения носит в оп­ ределенной степени условный характер, так как при одном и том же методе, но при разных режимах можно иметь сильно различающиеся картины металлургического взаимодействия.

32.2. Сварка стали с металлами

исплавами других групп

33.2.1.Сварка стали с алюминием

иалюминиевыми сплавами

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметаллидные соединения (Fe2AU—62,93 % Al; Fe2Al5 54,71 % Al; FeAl2 — 49,13% Al; FeAl — 32,57% Al и др.) и эв­

тектику (Al + FeAl3, 7\u,= 654 °C, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничи­ вается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%. т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпа­ дают кристаллы соединения FeAls (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление FeAl3 и Fe2Ab. Они обладают низким пределом временного сопротивления (15—17 МПа). Твердость Fe2AU, FeAl3 и FeAl2 лежит в диа­ пазоне ри = 9600—11500 МПа. С увеличением содержания же­

тивления.

Интерметаллиды химически стойки. Последующая термиче­ ская обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны интерметаллидов. В соединении имеют место три характерных участка: железо (сталь)— интерметаллидная зона — алюминий (алюминиевый сплав). Механические свойства соединений зависят от промежуточной зоны — ее со­ става. количества интерметаллидов, их формы, протяженности, характера расположения и сплошности.

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисная пленка (А120 3 имеет 7’Пл = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положи­ тельных результатов: флюсы для сварки алюминия легко­ плавки, жидкотекучи, плохо смачивают стали; флюсы для стали активно реагируют с расплавленным алюминием.

Характер диффузионных процессов при сварке в твердой фазе алюминия с железом и сталью на начальной стадии вза­ имодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в на­ чальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз FeAl3+Fe2Al5 . В дальнейшем при температуре, соответствую­ щей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диф­ фузия алюминия в сталь [3, 8]. Скорость этого процесса зави­ сит от химического состава материала контактирующих заго­ товок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт интерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий — железо на­ блюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: у2 = 2k\xy где k\ — величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюми­ ния через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мп и другими элементами, а стали —V, Ti, Si и Nj ведет к повыше­ нию энергии активации реакционной диффузии, pix влияние связано с затруднением образования зародышей и промежу­

в стали свободного кислорода и азота ведет к росту темпера­ туры начала образования интерметаллидов. Возникновение ин­ терметалл идного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т- е. имеет место ла­ тентный период (то), по прошествии которого идет интенсив­ ное образование интерметаллидов. Его зависимости от темпе­ ратуры имеет вид [8]

т0 = 6,0-10-13 ехр (192,3/ДГ).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с рас­ плавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется ЕегАЦ, а со стороны алюминия — FeAl3.

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алю­ миниевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет бо­ лее сложный характер и в ее образовании участвует Сг и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные ме­ ханические свойства лишь до образования сплошного слоя интерметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраня­ ется при определенном температурно-временном воздействии. Верхний температурный порог для биметаллических изделий из рассматриваемого сочетания материалов составляет 500— 520 °С.

Основными путями получения работоспособного соединения алюминиевых сплавов со сталями являются следующие:

ограничение протяженности слоя интерметаллидных про­ слоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны с 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими обра­ зование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования интерметал­ лидов на 40—60 °С выше температуры рекристаллизации стали. Этот путь может быть с успехом использован при сварке в твердой фазе.

Различия в пластических свойствах и твердости позволяют успешно применять для рассматриваемого сочетания материа­ лов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметалличе­ ских стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500—600 °С. Предусматривают меры по за­ щите стали от окисления. Высокие механические свойства со­