Свариваемость материалов

ветственно. Поэтому при затвердевании расплава уже при со­ держании железа порядка 0,1 % будут образовываться интерметаллиды TiFe и TiFe2 , которые резко снижают пластические свойства материала.

Титан и железо имеют существенное различие в кристалли­ ческом строении и физических свойствах (гл. 1, табл. 1.5).

Сварка взрывом осуществляется с промежуточными про­ кладками и без прокладок. В последнем случае может иметь место появление интерметаллидов TiFe и TiFe2 в местах вкрап­ ления литого металла и перемешивания. При отжиге таких соединений идет дальнейший рост интерметаллидной фазы, вы­ деление карбидов титана. В зоне контакта может наблюдаться появление пор. В качестве прокладок используют ниобий, ва­ надий, никель, медь, серебро, железо и сплавы из тугоплавких материалов.

Диффузионной сваркой получают удовлетворительные ме­ ханические характеристики, когда ширина слоя интерметалли­

материала. Применение прокладок из V и Си при сварке ВТ6, ВТ5-1 со сталью 12Х18Н9Т позволило получить предел проч­ ности вплоть до 530—570 МПа. В соединении не обнаружива­ ется интерметаЛлидных фаз даже после длительного нагрева при высокой температуре (1000 °С в течение 10 ч). Слой Си при сварке предотвращает образование карбидов ванадия, охрупчивающих соединения. В соединении V—Си легкоплав­ кие соединения и интерметаллиды не образуются. Соединения, выполненные через комбинированные прокладки меди (тол­ щина 0,01 мм) и ванадия (0,07 мм), дают предел прочности 489—503 МПа при 450 °С, удельная вязкость 350 кДж/м2, угол

загиба 50—60°.

Для получения стабильных результатов целесообразно в качестве прокладочного материала использовать тонкую мно­ гослойную ленту (V+Cu + Ni), полученную методом горячен прокатки в вакууме. С использованием такой ленты соедине­ ния ВТ5-1 и АТЗ с 12Х18Н10Т дают предел прочности при рас­ тяжении 500—590 МПа.

При сварке титана с низкоуглеродистыми сталями хорошие результаты дают прослойки из серебра.

Положительные результаты дает нагрев при диффузионной сварке в расплаве солей (70% ВаС12+30 % NaCl). При этом обеспечивается быстрый и равномерный нагрев, хорошая за­ щита металла в процессе сварки и охлаждения.

Контактная и ультразвуковая сварка листовых заготовок производится с применением промежуточных прокладок. При контактной сварке не допускается подплавления поверхности

Клинопрессовой сваркой в среде аргона титановых сплавов со сталью 12Х18Н9Т получают положительные результаты че­ рез прокладку А1 или через Си [5]. Нагрев при использовании алюминия 350 °С, при меди 850 °С. Толщина прослойки 0,1— 0,2 мм.

Из способов сварки плавлением наибольшее распростране­ ние получила электронно-лучевая и аргонодуговая сварка ти­ тана со сталью с применением вставок из ванадия и его сплавов.

33.3. Сварка меди и медных сплавов с металлами

исплавами других групп

33.3.1.Сварка меди с алюминием

Диаграмма состояния алюминий — медь свидетельствует, что в этой системе существует ряд устойчивых при комнатной тем­ пературе химических соединений: 0-фаза (А12Си), т]-фаза (А1Си), £2-фаза, б-фаза (А12Си3), у2-фаза (А1Си2), у-фаза (AUCug). Они имеют высокую твердость и низкую пластич­ ность [8]. При комнатной температуре медь обладает сравни­ тельно малой растворимостью в алюминии, несмотря на сход­ ство в кристаллическом строении этих металлов.

В сравнении с сочетанием алюминия с другими металлами (например, Ni, Fe) для взаимодействия А1 с Си характерны большие скорости роста прослоек интерметаллидов и малая продолжительность латентного периода. Для каждого способа существует достаточно узкий диапазон значений технологиче­ ских параметров режимов сварки и температурно-временных условий эксплуатации биметаллического соединения. Работа биметалла А1 + Си допускается при температуре, не превышаю­ щей 4.00 QC во избежание интенсивного роста диффузионного слоя и резкого ухудшения механических свойств. При нагреве

образование б-фазы, которая диффундирует в латунь, в ре­ зультате чего появляется уг-фаза и a-твердый раствор. Насы­ щение б-фазы с другой стороны алюминия ведет к образова­ нию 6-фазы.

Всвязи с тем, что существуют достаточно пластичные

сплавы системы А1—Си, содержащие до 7 % Си, и бронзы с содержанием А1 до 10 %, является перспективным такое ве­

ного плакирования алюминиевых деталей медью (токоведущие элементы трансформаторов, шинопроводы, токоподводы к элек­ тролизерам) точечной сваркой, получения стыковых соедине­ ний проводов, шин и других элементов компактных сечений. Материал заготовок — технически чистая медь и алюминий.

Методом холодной прокатки получают биметаллические ли­ сты, полосы (карточная и рулонная прокатка). Степень об­ жатия при сварке прокаткой 60—75 %.

В связи с необходимостью создания в зоне соединения на­ правленного течения металла эта специфика процесса накла­ дывает определенные ограничения на соотношения толщин ис­ ходных заготовок. В связи с этим получить листовой материал при толщине больше 4 мм и малой толщине плакирующего слоя затруднительно или вовсе не представляется возможным. Для электротехнической промышленности получают слоистый

сварке встык, кроме возможностей самого оборудования, нет. Реально сваривают элементы с площадью сечения до 1000 мм2. Техника подготовки и сварки не отличается от общих техноло­ гических закономерностей холодной сварки.

При этом способе сварки образование интерметаллидов ис­ ключено, так как процесс идет без предварительного нагрева.

Сварка трением и ультразвуковая применяется для более широкой номенклатуры свариваемых алюминиевых и медных сплавов. Основная особенность, присущая этим методам, со­ стоит в том, что в силу их специфики из зоны соединения не­ прерывно идет эвакуация нежелательных продуктов взаимо­ действия материалов (интерметаллидов). При сварке трением меди со сплавом АМц на шлифах наблюдается прерывистая узкая (~1,5 мкм) зона интерметаллидов.

При ультразвуковой сварке соединение выполняется вна­ хлестку точками или непрерывным швом. В силу специфики процесса толщина заготовки, со стороны которой подводятся колебания, ограничена величиной порядка 1,2—1,5 мм из-за гистерезисных потерь в толще материала.

Диффузионная сварка дает доброкачественные соединения при сварке Си с А1 и некоторыми его сплавами при макси­ мально возможном ограничении температуры нагрева, времени сварки и при использовании барьерных подслоев и покрытий. В качестве материала таких слоев могут быть использованы Zn, Ag, Ni.

Сварка плавлением может осуществляться только в том случае, когда обеспечивается в основном плавление алюминия. Это может позволить получать в шве металл с ограниченным (6—8% ) содержанием меди, что обеспечивает оптимальное со­ четание свойств соединений. Основные пути решения задачи: применение рюмкообразной разделки кромок, снижение опас­ ности перегрева металла в корне шва, легирование металла

в 3—5 раз уменьшить протяженность интерметаллидной про­ слойки со стороны меди (до 10—15 мкм). Кромка медной за­ готовки при этом разделывается под углом 60°. Введение Zn через присадку при аргонодуговой сварке под флюсом приво­ дит к тому, что содержание меди не превышает 12%. а коли­ чество цинка в шве может достигать 30 %. Соединения, полу­ чаемые в таких случаях, разрушаются при испытании по алю­ минию вдали от шва.

Электролитическое нанесение на медную кромку слоя олова или цинка при сварке металла малой толщины (3—8 мм) поз­ воляет получать доброкачественные соединения, так как слой покрытия, выполняющий роль барьера, кроме того, создает перед движущейся волной жидкого металла прослойку, облег­ чающую смачивание поверхности расплавом алюминия.

Применение более жестких режимов сварки (больших, чем необходимо для сварки алюминия) способствует получению удовлетворительного качества соединения. С уменьшением ско­ рости сварки увеличивается переход меди в шов, растет время пребывания зоны контакта материалов при температуре интен­ сивного роста интерметаллидов. Рекомендуется [3] выбирать погонную энергию из соотношения q/v= (18,8—20,9)6, где 6 — толщина свариваемого материала.

Смещение электрода в сторону более теплопроводной меди должно, составлять (0,5—0,6)6.

33.3.2. Сварка меди с титаном

Особенностью металлургического взаимодействия Ti с Си, ока­ зывающего влияние на условия и саму возможность получения соединений между ними и качество соединения, является

способность этих металлов вступать в химическое взаимодействие с образованием интерметаллидов состава Ti2Cu (39,88 % Си), TiCu (57,0% Си), ТЮиз (79,92% Си), давать легкоплавкие эвтектики при концентрации меди 66 и 43 % с температурой плавления соответственно 855 и 955 °С. Титан и медь образуют систему с ограниченной растворимостью и эвтектоидным рас­ падом p-фазы. Максимальная растворимость меди в а-титане и 0-титане составляет 2,1 и 13,4 % при 990 °С. Растворимость Ti в Си при 400 °С 0,4 %. Поэтому в условиях сварки плавле­ нием, когда материал обеих заготовок находится в жидком состоянии, в металле шва при кристаллизации будут неиз­ бежно появляться интерметаллиды и легкоплавкие эвтектики. Последнее обстоятельство сопряжено с опасностью возникно­ вения трещин. Рассматриваемые материалы резко отличаются по температурам плавления и другим теплофизическим харак­ теристикам.

В связи с указанными металлургическими и физическими особенностями для этой пары материалов наибольшие перспек­ тивы имеют процессы сварки давлением. Применение методов сварки в жидкой фазе возможно при условии плавления только медной заготовки (режим сварко-пайки) с ограничением про­

Диффузионная сварка без применения промежуточных барьерных слоев возможна в узком диапазоне режимов и дает соединения с низкой прочностью. Для получения равнопроч­ ного соединения используют прослойки из ванадия, молибдена, ниобия.

При сварке ОТ4, ВТ14 с медью Ml и бронзой БрХ0,8 ис­ пользуются прослойки из Мо и Nb толщиной 0,1—0,2 мм в виде фольги или напыленного слоя. В последнем случае после на­ пыления на Ti проводят отжиг в вакууме при температуре 1300 °С в течение 3 ч. Применение этих материалов обуслов­ лено тем, что они с Ti образуют твердые растворы, а с Си не дают хрупких фаз. При диффузионной сварке лучшие резуль­ таты получены при использовании радиационного (печного) нагрева. Температура нагрева 950—980 °С. Продолжитель­ ность 0,5—5 ч. Более высокие температуры и продолжитель­ ность относятся к печному нагреву.

Сварка плавлением ведется с расплавлением только меди. Использование жестких режимов способствует сокращению времени контакта расплава с твердым титаном.

Электронно-лучевая сварка на жестких режимах дает со­ единения с удовлетворительными механическими свойствами только на тонких листовых заготовках. При аргонодуговой сварке предварительное напыление плазменным методом мед­

ного покрытия толщиной 0,15—0,25 мм на титановую кромку, смещение электрода от оси стыка в сторону Си на 2,5—4,5 мм и разделка титановой заготовки под углом 45° несколько улуч­ шают условия формирования шва, но не предотвращают пол­ ностью появления интерметаллидов. При последующем нагреве такого соединения до 400—500 °С резко снижается прочность и пластичность.

Радикальным решением при сварке плавлением является применение вставок из Nb или Та. При электронно-лучевой сварке получают соединения с высокой пластичностью (угол загиба 180°). При АДС этот показатель составляет 120—160°. Ударная вязкость на уровне 700—800 кДж/мм2. Разрушение при испытании сварных соединений происходит по границе с медным сплавом.

33.3.3. Сварка меди с тугоплавкими металлами

Медь с молибденом взаимно нерастворимы, но жидкая медь способна смачивать его поверхность. Поэтому для получения соединения этого сочетания материалов нашли применение сварко-пайка, диффузионная и электронно-лучевая сварка. В электронной промышленности получил распространение спо­ соб заливки в специальные оправки в вакууме расплавом меди молибденового стержня с последующим изготовлением из по­ лученной заготовки деталей механической обработки.

Сварка Си с Nb осложнена значительным различием в тем­ пературах плавления и теплопроводности и различной реак­ цией на присутствие водорода. Поэтому для сварки плавле­ нием пригоден только Nb с низким содержанием водорода. Nb с Си образует ограниченные растворы. При 950 °С в Ni растворяется 2,2 % меди.

При аргонодуговой сварке вольфрамовый электрод распо­ лагают над медной кромкой при небольшом ее превышении над кромкой второй заготовки (порядка 0,2—0,25 мм). При элек­ тронно-лучевой луч смещают в сторону медной заготовки по­ рядка 0,75 ее диаметра. Процесс сварки критичен к точности сборки и расположению пятна нагрева на изделии. В случае отклонения — непровары, прожоги, подрезы. Из-за высокой теплопроводности расплав быстро кристаллизуется и в шве могут фиксироваться выделяющиеся пузырьки газа. Этот де­ фект устраняется при повторном переплаве.

Сварные соединения, выполненные аргонодуговой и элек­ тронно-лучевой сваркой, равнопрочны основному материалу (разрушение при испытании идет по меди) и достаточно пла­ стичны (угол загиба 120—180°).

Сварные соединения W с Си, выполненные диффузионной сваркой непосредственно, имеют низкую прочность. Подслой

Ni позволяет получать сварные соединения с уровнем прочно­ сти до 133 МПа (температура сварки 700 °С, сварочное дав­ ление порядка 15 МПа, время сварки 15 мин). При этом зна­ чительно увеличивается усталостная прочность соединения в условиях термоциклирования.

33.4. Сварка титана с алюминием

Основные трудности получения непосредственного сварного со­ единения этого сочетания металлов связаны с образованием химических соединений TiAl при 1460 °С (содержание А1 36,03%) и TiAl3 при 1340 °С (содержание А1 60—64%) в ре­ зультате перитектической реакции. Предельная растворимость Ti в А1 мала и составляет 0,26—0,28 % при 665 °С. При 20 °С эта величина снижается до 0,07 %. Алюминий в титане обра­ зует ограниченные области а- и (5-растворов. Технически чи­ стый А1 и Ti обладают высокой пластичностью. Эти материалы сильно отличаются по температуре плавления и другим тепло­ физическим величинам. Сплавы титана имеют значительно бо­ лее высокую прочность и твердость.

В связи с отмеченными особенностями получить соединение при расплавлении обеих заготовок с получением металла шва, представляющего твердый раствор, практически невозможно. Шов всегда будет содержать интерметаллиды, сильно охрупчивающие соединение.

Из методов сварки в твердой фазе получила применение холодная сварка технически чистых алюминия и титана. Тех­ ника холодной сварки принципиально не отличается от сварки других сочетаний металлов. Полученные соединения равно­ прочны основному металлу.

Диффузионной сваркой удается сваривать достаточно боль­ шую номенклатуру сочетаний титановых и алюминиевых спла­ вов при высоком качестве соединения. Сварка ведется при тем­

в течение 10 ч и при 600 °С в течение 1 ч не приводит к сни­ жению механических свойств и вакуумной плотности. Интен­ сивный рост интерметаллида (Al3Ti) начинается после 2-ч вы­ держки при 600 °С. Толщина прослойки интерметаллида при диффузионной сварке достигает 12 мкм, что существенно не отражается на механических свойствах. Разрушение образцов, полученных диффузионной сваркой, при испытаниях идет по алюминиевой заготовке.

Сварка методами плавления возможна в случае, когда бу­ дет обеспечено расплавление только А1 при минимальном пе­ регреве и при ограничении времени контакта расплава с по­ верхностью титановой заготовки, т. е. в режиме сварки-пайки.

При этом время контакта с расплавом должно быть меньше времени ретардации образования интерметаллидов. При тем­ пературе 700—800 °С и выдержке 15 с интерметаллиды еще не образуются. Повышение температуры до 900 °С и выше приводит к появлению в зоне контакта соединения TiAl3. Та­ ким образом, техника сварки должна быть такой, чтобы в зоне контакта температура не превышала 850 °С. Такие условия можно получить, расплавляя только алюминий.

Раздел 10 МАТЕРИАЛЫ

— :------ ДЛЯ НАПЛАВКИ И НАПЫЛЕНИЯ

Г л а в а 34. НАПЛАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (Гаврилюк В. С.)

34.1. Материалы для износостойкой и коррозионностойкой наплавки

Сущность наплавки состоит в нанесении методами сварки либо другими спо­ собами на поверхность детали слоя, обладающего требуемым комплексом свойств. Непременным условием наплавки является получение хорошего сплавления, отсутствие или в отдельных случаях минимальное количество пор и трещин.

34.1.1. Перлитные материалы

Состав перлитных материалов (Нп-25, Нп-20ХГСА, Нп-90ХГСА и др.) обеспечивает в зависимости от скорости охлаждения наплавки перлитно-сор- битную структуру. Твердость наплавленного металла находится на уровне 25—40 HRC. Износостойкость наплавленного слоя значительно уступает мар­ тенситной структуре, поэтому сопротивление износу при трении невысоко. Наплавочные материалы этого класса часто применяют для создания «под­ слоя», на который наплавляют слой повышенной твердости.

при абразивном износе, наплавка этого типа характеризуется пониженными пластическими свойствами, хрупкостью, склонны к образованию холодных трещин. При работе в условиях ударного нагружения возможны отколы по основному металлу или в зоне сплавления.

Низколегированные мартенситные материалы (Нп-40ХЗГ2МФ, Нп40Х2Г2М, НП-50Х6ФМС и др.), процент легирующих элементов в которых относительно невысок, обеспечивают в наплавке мартенситно-бейнитные структуры и отличаются сравнительно невысокой твердостью (45—50 HRC). Свойства наплавки повышаются в основном увеличением содержания в ней углерода и хрома, что приводит к соответствующему увеличению доли мар­ тенситной составляющей.

Значительно большей твердостью характеризуются борсодержащие мар- тенситные наплавки (ЛС-У10Х7ГР1, ПЛУ-25Х25ГЗФ2РН, ПП-АН125, ПП-АН170), в структуре которых по границам высокоуглеродистого мартен­ сита расположены твердые карбиды и бориды. Материал отлично сопротив­ ляется абразивному износу, задирам, но из-за повышенной хрупкости не может быть рекомендован для работы в условиях динамических нагрузок. Наплавка обладает повышенной склонностью к образованию горячих и хо­ лодных трещин, поэтому ведут ее, как правило, с подогревом и применением одного или нескольких подслоев.' Отпуск в результате наложения несколь­ ких слоев гшактически не снижает твердости.

Для обеспечения повышенной сопротивляемости к задирам применяют наплавочные материалы, содержащие в своей структуре наряду с мартенси­

рита. Износостойкость наплавки повышается с увеличением углерода. Низ­ коуглеродистые наплавки, помимо достаточной износостойкости, обладают повышенной жаростойкостью и антикоррозионными свойствами. Увеличение

34.1.3. Высокомарганцовистые аустенитные материалы

к выделению по границам зерен карбидов и вторичной перлитной фазы, приводящих к снижению пластичности. Уменьшение содержания С снижает вероятность образования, вторичных фаз. В зоне сплавления основного низ­ коуглеродистого или низколегированного металла и наплавки возможно об­ разование хрупкой мартенситной прослойки и появление трещин. Для избе­ жания их рекомендуют применение промежуточного слоя из хромистомарганцовистой наплавки типа Нп-30Х10Г10Т.

34.1.4. Высокохромистые материалы

Высокохромистые материалы на основе железа типа Э-300Х28НЧСЧ, Э-320Х25С2ГР позволяют получать структуру, матрица которой состоит из аустенита с вкраплениями мелкодисперсных частиц карбидов В и Сг, при­ дающих наплавке высокую твердость. Поскольку твердость в основном опре­ деляется количеством карбидов, она практически не изменяется в процессе нагрева и не зависит от скорости охлаждения. Тем не менее, наплавку с л е ­

дует производить при предварительном подогреве деталей до температур

большому повышению твердости и появлению способности наплавки ^ вто­ ричному твердению: износостойкость при этом повышается.

превосходят последние по стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Технологические свойства аустенитной наплавки достаточно высоки. Од­ нако при наплавке на стали мартенситного класса следует опасаться появ­ ления холодных трещин в зоне сплавления. Рекомендуется применять пред­ варительный подогрев до относительно невысоких температур — 100— 150 °С.

Превышение этой температуры может привести к замедленному охлаждению наплавки и ее охрупчиванию.

34.2.Виды наплавочных материалов

34.2.1.Покрытые электроды

Электроды для ручной дуговой наплавки изготавливают по ГОСТ 10051—75. В качестве стержня обычно используют про­ волоку диаметром от 3 до 5 мм, реже до 8 мм.

ГОСТ 10051—75 устанавливает 44 типа наплавочных элек­ тродов (табл. 34.1). Значительное количество электродов для наплавки слоев с особыми свойствами изготавливается по от­ раслевым ТУ. Проверка твердости наплавленного металла про­ изводится по ГОСТ 9466—75 и ГОСТ 9013—59, а химического состава и остальных свойств — по ГОСТ 9466—75.

Твердость наплавки характеризуется индексами, указываю­ щими ее величину по Виккерсу и Роквеллу, а следующие цифры (1 или 2) указывают соответственно, в каком состоянии она измерялась; непосредственно после наплавки — 1 или после последующей термообработки — 2.

Так, например, в электродах марки ОЗН-350Ц 400/41-1 ин­ дексы характеризуют: 400 — твердость по Бриннеллю, 41— по Роквеллу, 1 — характеристики определялись непосредственно после наплавки.

34.2.2. Проволока стальная сварочная

Проволока для наплавки (ГОСТ 2246—70) и проволока сталь­ ная наплавочная (ГОСТ 10543—75) для автоматической на­ плавки под флюсом1, в защитных газах, а также для газовой наплавки может изготовляться из стали, выплавленной электрошлаковым (Ш), вакуумно-дуговым (ВД), или вакуумно­ индукционным (ВИ) переплавами (табл. 34.2). Обычно для наплавки применяют проволоки диаметром от 0,8 до 6 мм. С целью уменьшения оксидов в металле наплавки проволоки содержат увеличенное количество раскислителей — Mn, Si, Al, Ti.

34.2.3. Порошковая наплавочная проволока

Порошковая проволока (ПП) представляет собой тонкостен­ ную металлическую оболочку, заполненную легирующими и шлакообразующими порошками, стабилизаторами дуги и рас-