Свариваемость материалов

Композиционные порошки, получаемые методами конглбмерирования или плакирования, находят все более широкое применение вследствие их разно­ образия и относительной простоты изготовления. Плакированные никелем алюминиевые порошки типа НА-67, ПНА применяются для получения про­ межуточных слоев жаропрочных покрытий или как составная часть меха­ нических смесей. Для напыления теплоизолирующих покрытий рекоменду­ ются керамические порошки с покрытием из алюминия (А120 3—Al, Zr02—А1). Композиционные порошки с органическими связками типа ПТ-НА-01 пред­ назначены для напыления промежуточных слоев, а ПТ-19Н-01, ТП 19Вк-01 и для восстановления изношенных деталей. В порошки ПН74Х19Ю5-К и ПН62Х16Ю20-К введены А1 и нихром, что позволяет применять их для создания жаропрочных покрытий. Порошки типа ПКВН и ВНп-15 включают различные количества вольфрама, плакированного алюминием, который при­

дов. Оксиды имеют низкие теплопроводность и электропроводимость и значи­ тельную жаропрочность. Для напыления нередко используют порошки слож­ ных составов, представляющие собой соединения оксидов двух или более металлов или их смеси (ПХНШ). Температура плавления сложных оксидов, как правило, более низкая, чем простых, что отражается на жаропрочно­ сти покрытия. При работе в высокотемпературной атмосфере восстанови­

нагреве могут протекать превращения, сопровождающиеся существенным из­ менением объема, что приводит к отделению от основы или растрескиванию.

Карбиды тугоплавких металлов имеют температуру размягчения свыше

обеспечивают высокую износостойкость металлорежущего инструмента, на­ пыленного карбидами.

35.3. Особенности технологии напыления

Технологический процесс получения покрытия включает в себя подготовку наплавляемых материалов и основы, нанесение металлизационного подслоя (в случае необходимости) и по­ крытия. Подготовка напыляемых материалов включает про­ сушку порошкового напылителя, чистку проволоки или прутков, мойку и сушку поверхности обрабатываемой детали, при необ­ ходимости ее поверхностную обработку: нарезку, насечку, на­ катку; при нанесении слоя толщиной более 1 мм — струйную абразивную обработку. Качество нанесенного слоя определя­ ется режимом обработки, который включает в себя большое ко­ личество факторов, неучет которых может привести к браку.

Кним относятся:

дистанция напыления: при малых расстояниях от сопла воз­

можна деформация детали, при больших — рыхлость покрытия и его отслоение;

угол напыления; оптимальный угол 90°. При отклонении от 90° качество слоя снижается, при углах меньше 45° процесс производить не следует;

температура поверхности детали; рекомендуется предвари­ тельный подогрев изделия до 120—150 °С;

толщина единичного слоя не должна превышать 0,25 мм. При неравномерности толщины общего слоя покрытия может произойти отслаивание и растрескивание;

скорость подачи распыляемого материала; она определяет нагрев частиц, их окисление, охлаждение в процессе движения и силу соударения. Выбранная скорость подачи должна, поддер­ живаться постоянной во время всего процесса.

35.4. Оценка качества напыленного слоя

К показателям, определяющим качество напыленного слоя, относятся прочность сцепления его с подложкой (на отрыв, из­ гиб и на срез), пористость, износостойкость, твердость. В зави-

Рис. 35.4. Виды испытаний на прочность соединения покрытия с ос­ новным металлом:

а — по штифтовой методике; б — на отрыв; в. г — на сдвиг

симости от назначения и условий работы детали могут предъ­ являться требования стойкости к окислению или коррозии при работе в специальных средах, термостойкости, теплопроводно­ сти, твердости при повышенных температурах, оптические ха­ рактеристики и др.

Для определения прочности соединения покрытия с основным металлом ГОСТ 14760—69 рекомендует штифтовую методику (рис. 35.4). При вытягивании штифта 1 материал покрытия 2 подвергается воздействию как отрывающих, так и срезывающих нагрузок. Установлено, что <х0Тр/тср покрытия при газопламенном напылении составляет 0,364—0,385, поэтому отношение должно быть больше 0,1, т. е. при применении штифта диаметром 2 мм толщина покрытия s должна быть не менее 0,2 мм. При этом сопряжение штифта и шайбы 3 необходимо выпол­ нять по скользящей посадке.

Наиболее часто испытания на отрыв и на сдвиг проводятся по клеевым методикам (рис. 35.4, б, в) или при использова­ ний специально изготовляемого цилиндрического образца (рис. 35.4, г).

Из неразрушающих методов контроля наиболее применимым является ультразвуковой, иногда совмещенный с оптической го­ лографией.

Для определения плотности покрытия применяют методику гидростатического взвешивания (ГОСТ 18898—73); стойкость к износу косвенно оценивают по результатам определения мик­ ротвердости (ГОСТ 9450—76), макротвердости по Виккерсу (ГОСТ 2999—75), Бринеллю (ГОСТ 9012—59) или Роквеллу (ГОСТ 9013—59). При определении жаростойкости руковод­ ствуются ГОСТ 6130—71 или ГОСТ 21910—76, стойкости при атмосферной коррозии ГОСТ 17332—71 или ГОСТ 13819—68.

Раздел 11

^н ЕМЕТАЛЛ И Ч ЕСКИ Е МАТЕР ИАЛ Ы

Г л а в а 36. СТЕКЛО И КЕРАМИКА (Бачин В. А.)

36.1. Состав и основные свойства материалов

36.1.1. Стекло

Стекло — аморфный материал, получаемый путем сплавления стеклообразу­ ющих оксидов типа Si02, В203, Р2О5, AI2O3. В соответствии с этим разли­ чают классы стекол — силикатные, боратные, германатные, фосфатные, алюминатные и др. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (табл. 36.1).

По назначению стекла могут подразделяться на большие группы. Оптические стекла — это однородные прозрачные неокрашенные специ­

ально стекла (табл. 36.2).

эффициенты их линейного расширения в некоторых случаях близки с отдель­ ными металлами и сплавами (табл. 36.3).

Определяющим свойством стекла является его способность постепенно и непрерывно изменять вязкость в определенном интервале температур. Вязкость стекла в точке трансформации равна 1012-3 Па*с. До температуры

трансформации стекло находится в хрупком состоянии, а выше этой точки оно обратимо переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при ме­ ханических ударах, ни при внезапном резком увеличении температуры.

36.1.2. Ситаллы

Ситаллы — это искусственные материалы, полученные путем кристаллизации стекол определенного состава. Для получения ситаллов необходимо выбрать соответствующий состав стекла, ввести в этот состав катализатор кристал­ лизации и сварить стекло, а затем провести специальную термическую об­

работку.

Назначение термической обработки состоит в том, чтобы обеспечить, во-первых, образование максимального числа центров кристаллизации; вовторых, необходимую степень закристаллизованности; в-третьих, заданный

фазовый состав ситалла В зависимости от химической природы ситаллы классифицируются сле­

дующим образом: ситаллы сподуменового состава (СО—115М) ситаллы кордиеритового состава и свинецсодержащего состава.

36.1-3. Керамика

К традиционной керамике относят изделия из глины и кремнезема, которые являются основными компонентами керамики, фаянса, фарфора, эмалей и

других материалов.

В настоящее время наряду с многокомпонентной оксидной керамикой

2 . Бескислородная керамика на основе нитридных и карбидных соедине­ ний (SiaN4, SiC, TiC и др.), а также комбинированная керамика на основе

оксикарбидов и оксинитридов (миалоны и др.).

3. Магнитная керамика, основа которой — оксиды Fe20 3, MnO, NiO

(ферриты).

4. Пьезокерамика на основе титаната, цирконата свинца (ЦТС-19). Кроме того, промышленность постоянно разрабатывает новые виды ке­

рамических материалов. Наиболее распространенной керамикой являются разные марки керамики на базе оксида алюминия, так называемые высоко­ глиноземистые керамики. Так, на основе оксида алюминия разработана боль­ шая группа керамических материалов (табл. 36.4).

Керамика относится к хрупким материалам, поэтому ее реальная проч­ ность примерно на три порядка меньше теоретической. Прочность керами­

36.1.4. Металлы и сплавы для сварки со стеклом, ситаллом и керамикой

При правильном конструировании сварного узла температурные коэффици­ енты линейного расширения (ТКЛР) стекла, керамики и металла должны быть максимально согласованы. В противном случае напряжения, возника­ ющие при изменении температуры, могут привести к разрушению сварного соединения. Наиболее широко для соединения со стеклом и керамикой ис­ пользуют железоникелевые сплавы, ковар, нержавеющую сталь, а из чистых металлов Си, Ni, Ti, Al, Mo, Wi и некоторые другие. Основные свойства металлов, которые могут быть использованы при разработке металлокерами­ ческих и металлостеклянных узлов, приведены в табл. 36.6.

36.2. Свариваемость материалов

Способы сварки плавлением, как правило, непригодны ддя соединения металлов с керамическими и стеклообразными мате­ риалами вследствие природной несовместимости соединяемых композиций. Наибольшую перспективу создания неразъемных соединений из стекла и керамики имеет диффузионная сварка

(ДС).

На свариваемость стекла, ситаллов и керамики с металлами существенное влияние оказывает их химический состав, струк-

Т А Б Л И Ц А 36.6

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СВАРКИ СО СТЕКЛОМ И КЕРАМИКОЙ [б]

тура, состояние поверхности, наличие и концентрация неравно­ весных дефектов, а также ряд других физико-химических свойств соединяемых материалов. Так, на свариваемость кера­ мики с металлами влияет ее микроструктура, т. е. увеличение размеров зерен керамики, содержащей стеклофазу, приводит к уменьшению протяженности границ и, следовательно, участ­ ков наиболее активного взаимодействия.

Наличие стеклофазы в керамике ускоряет процесс сварки, соединение получается более прочным. При сварке керамики, не содержащей стеклофазы, например ВК100-2. с металлами, тре­ буются большие энергозатраты, чем для керамики с наличием •стеклофазы (RK94-1).

36.2.1. Природа и механизм образования соединения

Необходимым условием образования сварного соединения ме­ таллов со стеклом и керамикой является химическое взаимодей­ ствие [1], механизм которого зависит от свойств элементов. В ус­ ловиях ДС наиболее вероятны две топохимические реакции — присоединения (1) и замещения (2):

риодической системы Менделеева, практически все переходные металлы и сплавы на их основе (Fe, Ni, Со, W, Мо, Мп и т. д.), а по схеме реакции замещения (2) взаимодействуют s- и р- элементы — непереходные металлы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому разработка технологии ДС стекла и керамики с металлами должна производиться как с учетом физико-хими­ ческих свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохимических процессов, происходящих в зоне контакта.

36.2.2. Причины образования дефектов

Наиболее распространенным дефектом металлостеклянных и металлокерамических узлов является образование трещин из-за высокого уровня остаточных напряжений, вызванных боль­ шим различием коэффициентов термического расширения соеди­ няемых материалов. Согласование теплового расширения соеди­ няемых материалов устраняет опасность возникновения терми­ ческих напряжений. Соединять материалы с несогласованными ТКЛР также возможно, но толщины металлической детали при этом сильно ограничены [1,2, 3].

поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа об­ работки, а к травлению прибегают только в случае необходимо­ сти изменения структуры поверхностного слоя.

36.3.2. Подготовка металлов к сварке

Химические активные металлы (s- и p-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, ситаллом и керами­ кой тщательно очищаются от посторонних загрязнений, а также от оксидов, присутствующих на их поверхности. Переходные ме­ таллы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед

•соединением со стеклом и керамикой проходят специальную об­ работку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности [1,3, 6].

36.3.3. Режимы сварки

При разработке технологии ДС стекла и керамики с метал­ лами широко используют промежуточные прокладки. Назначе­ ние прокладок главным образом сводится к снижению энерге­ тических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы Диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в табл. 36.7.

36.3.4. Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов

Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рис. 36.1).

1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или ке­ рамику, Ири этом ТКЛР металла имеет большее значение, чем