книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

ния (для сплава Zr + 2,5% Nb — 580 °С; время выдержки 1 ч) при предвари­ тельной деформации металла сварного соединения [3].

Цирконий, гафний и их сплавы хорошо свариваются вольфрамовым электро­ дом в инертном газе при прямой полярности постоянным током с применением технологии и техники, аналогичной технологии и технике сварки титана. Ввиду высокой активности и возможного понижения коррозионной стойкости при насы­ щении примесями внедрения сварку целесообразно проводить в защитных камерах с контролируемой атмосферой. Лучшие результаты обеспечивает сварка в вакууме. Используется в основном электронно-лучевая сварка как в стационарном, так и в импульсном режимах. В последнем случае обеспечиваются лучшие условия качественного формирования шва и регулирования структуры соединения.

Ориентировочные режимы электронно-лучевой сварки сплава Zr + 2,5% Nb толщиной 4 мм при ускоряющем напряжении 20 кВ и скорости сварки 10 м/ч: а) сварочный ток 50—60 мкА при сварке корня шва в стационарном режиме рас­ фокусированным лучом без присадки; сварочный ток 60—80 мкА при заполнении шва с использованием присадочной проволоки диаметром 1,4—1,6 мм; б) свароч­ ный ток 55—80 мкА при сварке в импульсном режиме без присадки.

Контактная сварка может быть использована для сварки циркония и его сплавов (шовная, стыковая, оплавлением). Высокое сопротивление в сочетании с низкой теплопроводностью облегчают процесс контактной сварки. Режимы сварки близки к режимам при сварке титана. Остаточные сварочные напряжения в циркониевых сплавах, как и у титана, меньше условного предела текучести [7].

СВАРКА ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА

Сведения об этих металлах имеются в работах [1, 2, 9, 10, 13, 18, 20, 21, 23, 28]. Перспектива применения ванадия и сплавов на его основе определяется значитель­ ной удельной прочностью при умеренно высоких температурах (650—900 °С), низ­ ким сечением захвата тепловых нейтронов, высокой коррозионной стойкостью в со­ четании с хорошей технологичностью. Недостатком является относительно низкая для тугоплавких металлов температура плавления (1900 С°) и очень большая склон­ ность к окислению,обусловленная неустойчивостью, летучестью и низкой темпе­ ратурой (675 °С) плавления его окисла V20 6. Ниобий и сплавы на его основе отли­ чаются высокой температурой плавления, жаропрочностью, малым сечением захвата тепловых нейтронов, высокой коррозионной стойкостью, самой малой плотностью из жаропрочных металлов (W, Mo, Та, Nb), высокой технологично­ стью и свариваемостью. Недостатками являются большая склонность к окислению и малый модуль Юнга. Основные преимущества сплавов на основе тантала — высокая жаропрочность, коррозионная стойкость, хорошая технологичность и свариваемость. Недостатки тантала — большая плотность, сильная окисляемость при повышенных температурах, высокая стоимость.

В промышленности используют преимущественно сплавы этих металлов, упрочняемые путем упрочнения твердого раствора и образования мелкодисперс­ ной фазы. Наиболее сильными упрочнителями для ниобия являются Zr, Hf, W, Mo, V; для тантала — V, Mo, Hf, W, a также Ru, Re, Os; для ванадия — Ti, Zr, Nb, W. При создании сплавов с повышенной жаропрочностью на основе ниобия и тантала в качестве легирующих элементов используют углерод, азот, бор, которые наряду с некоторым упрочнением твердого раствора образуют вто­ рую дисперсную фазу (карбиды, нитриды, бориды), упрочняющую металл осо­ бенно эффективно при одновременном введении Ti, Zr, Hf. Из рассматриваемых металлов V группы наибольшее применение имеют сплавы на основе ниобия. Составы основных отечественных сплавов приведены в табл. 30.

Отличительными особенностями при сварке этих металлов являются высокая, как и для металлов IV группы, окисляемость, активность и чувствительность к примесям внедрения. Ниобий и тантал образуют тугоплавкие окислы, однако температуры их плавления ниже температуры плавления металла (1460 °С для

Nb20 5 и 1900 °С для Та20 6). Удельный объем окислов значительно превышает удельный объем основного металла, поэтому окисные пленки растрескиваются и отслаиваются, открывая доступ кислороду к поверхности металла. Окисел ванадия (V20 5) летуч и имеет низкую температуру плавления (675 °С); поэтому окисная пленка не защищает металл от окисления. Окисление начинается с тем­

Ванадий, ниобий и тантал с активированной вакуумным отжигом поверх­ ностью начинают в заметной степени поглощать водород при температурах выше 300, 250 и 500 °С соответственно; растворимость водорода в этих металлах при 20 °С велика и достигает 15 000, 10 400 и 5000 см3/ 100 г соответственно.

Чувствительность металлов V группы к влиянию примесей внедрения в связи со значительной растворимостью ниже, чем для металлов VI группы, однако примеси внедрения также вызывают резкое снижение пластических свойств и повышение порога хладноломкости.

Хладноломкость металлов V группы обусловлена растворенными атомами внедрения. Металлы высокой чистоты сохраняют повышенную пластичность даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Повышенное содержание при­ месей приводит к сдвигу порога хладноломкости в область положительных темпе­ ратур (см. рис. 4). Тантал в отличие от других металлов с ОЦК-решеткой не скло­ нен к хладноломкости. Для обеспечения пластичности допустимое содержание

лов к примесям внедрения требует применения способов сварки в контролируемых защитных средах — вакууме, чистых или сверхчистых инертных газах при содер­ жании примесей не более 10~4% 0 2, 4-10"4% N2, влаги 10'4% по объему.

Чувствительность металлов У^группы к термическому циклу сварки зависит от содержания примесей внедрения и легирующих элементов. Эти металлы не претерпевают полиморфного превращения. Образование крупного зерна в шве, рост зерна в зоне термического влияния, рекристаллизация снижают пластичес­ кие свойства и повышают порог хладноломкости. Температура рекристаллизации понижается с увеличением степени деформации (критическая степень деформа­

ции 5—20%) и при больших ее значениях составляет 800 ®С для V, 940 °С для Nb, 1250 °С для Та. Снижение прочности при рекристаллизации, в том числе в зонах сварного соединения, подверженных рекристаллизации, не сопровождается для этих металлов снижением пластичности, если не происходит резкого роста зерна. Так как металлы высокой чистоты имеют порог хладноломкости ниже 20 °С, то они могут хорошо свариваться без подогрева. Прочность сварных соединений Nb составляет 0,6—0,8 прочности основного металла. Металлы с повышенным содер­ жанием примесей и высоким порогом хладноломкости (исключая Та) целесооб­ разно сваривать с подогревом.

Сплавы чувствительнее к термическому циклу и параметрам термического цикла, чем чистые металлы, в связи с более низкой пластичностью, выпадением вторичных фаз и дисперсионным твердением. Например, сварка ниобиевых спла­ вов системы Nb — 2 Me — С с гетерофазным упрочнением за счет выделений кар­ бидов сопряжена с трудностями, обусловленными низкими ударной вязкостью и пластичностью вследствие развития процессов дисперсионного твердения. Сплавы системы Nb — Zr — С с содержанием С < 0,002% не чувствительны к параметрам термического цикла. При ббльших содержаниях происходит распад пересыщенного твердого раствора в процессе охлаждения при сварке [1J. При содержании углерода в этих сплавах свыше 0,02% распад пересыщенного твердого раствора происходит непосредственно в процессе охлаждения при сварке тем интенсивнее, чем больше время пребывания металла в интервале температур 800—1000 СС. Предотвращение распада и сохранение пластических свойств дости­ гаются при определенных скоростях охлаждения. Наибольшая ударная вязкость достигается для сплавов в виде тонких листов при скоростях сварки 40—60 м/ч. Максимальная ударная вязкость сварных соединений ниобиевого сплава Nb —

— W — Mo — Zr — С была получена при скоростях сварки более 40 м/ч [2]. Благоприятное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости материала сварного шва достигается после окончательной термической обработки в интер­

содержащих Nb, V, W, при соблюдении тщательной защиты от атмосферных газов (содержание в сварочной атмосфере 0 2 < 0,003%, N2 < 0,01%) обеспечиваются высокая пластичность и равнопрочность сварных соединений основному ме­ таллу.

Высокие температуры плавления и относительно высокая теплопроводность ниобия и тантала вызывают необходимость применения концентрированных источ­ ников энергии при сварке плавлением. Используют следующие епбеобы сварки: плавлением в вакууме и в среде инертных газов, контактную точечную и ролико­ вую, диффузионную в вакууме, трением па воздухе, в среде инертных газов и в вакууме. Из перечисленных в основном применяют сварку плавлением — элек­ тронно-лучевую и дуговую в среде аргона или гелия. Детали на сварку поступают, как правило, после механической обработки; перед сваркой их подвергают трав­

ментом; непосредственно перед сваркой стыкуемые кромки обезжиривают и обез­ воживают этиловым спиртом.

При дуговой сварке в среде инертных газов лучшие результаты обеспечи­ ваются при сварке в камерах с контролируемой атмосферой или с местной защитой приточным инертным газом в накидных камерах. В случаях, когда требуется высокая точность размеров конструкций, целесообразно применять электронно­ лучевую сварку. Используют сварку сфокусированным, импульсным и расфоку­ сированным лучами; последняя уменьшает вероятность появления трещин и про­ жогов.

Сплавы на основе ниобия и тантала, особенно наиболее жаропрочные, склонны к межкристаллитному разрушению при сварке (горячие трещины) [23], а также замедленному разрушению (холодные трещины). Основные пути повышения со­ противляемости этих сплавов образованию горячих трещин: легирование элемен­ тами, снижающими диффузионную подвижность атомов в решетке или способ­ ствующими созданию фрагментарной литой структуры; повышение чистоты основ­ ного и присадочного металлов по примесям внедрения; применение рациональной технологии сварки,, обеспечивающей сокращение времени нахождения металла при температуре высокой диффузионной подвижности (увеличение скорости охлаждения металла сварных швов).

Механизм замедленного разрушения металлов V группы, как и металлов IV группы, связан с водородной хрупкостью. Однако в связи с большей предельной растворимостью водорода и примесей внедрения чувствительность металлов V группы к этому виду разрушения ниже, чем у металлов IV группы.

В сплавах ниобия пористость наиболее часто возникает в зоне сплавления. Наиболее вероятной причиной возникновения пор могут быть кислород, летучиё окислы ниобия, нитриды, а также СО и С02, образующиеся при взаимодействии окислов с углеродом или карбидом. Прочность сварных соединений при аргоно­ дуговой. сварке ниобиевых сплавов составляет 0,75—0,8 от прочности основного металла, при электронно-лучевой сварке 0,6—0,75, для тантала ~ 1 . Прочность при электронно-лучевой сварке ниже в связи с очищением шва от примесей в ва­ кууме и в связи с особенностями термического цикла. Примерные режимы сварки плавлением приведены в табл. 31 и 32.

Диффузионную сварку осуществляют в установках типа СДВУ-2 при ва­ кууме 10"® мм рт. ст. с нагревом деталей индукционным способом. Машины для сварки трением оснащают герметичными камерами для защиты свариваемых деталей и вакуумной системой. Контактную сварку ниобия, тантала и сплавов на их основе осуществляют по особой технологии. Прилипание электродов умень­ шается при использовании электродов с молибденовыми накладками, а также на основе сплавов W — Mo,

элементов в пограничных областях и препятствия образованию окислов основного металла на границах в результате уменьшения энергии дефектов упаковки и уси­ ления металлической связи. На металлы VI группы благоприятно влияет рений (при содержании > 20—25%); одновременно он повышает прочность и пластич­ ность и резко уменьшает склонность к хладоломкости в связи с интенсивным раз­ витием двойникования при деформации, очищением границ зерен от примесей, повышением предельной растворимости примесей. Сплавы рения с вольфрамом, молибденом, танталом и ниобием являются наиболее жаропрочными. В промыш­ ленном масштабе используются сплавы ВР-27ВП (W — 27% Re), МР-47ВП (Mo — 47% Re). Перспективны сплавы серии МВР27ВП системы Mo — W—Re с содержанием рения ~ 27%. Эти сплавы сочетают высокую жаропрочность, пластичность, свариваемость.

Металлы VI группы и сплавы на их основе обладают наихудшей сваривае­ мостью (за исключением сплавов с рением) среди других тугоплавких металлов прежде всего в связи с ничтожной растворимостью и наиболее высокой чувстви­ тельностью к примесям внедрения.

При сварке этих металлов наблюдаются следующие характерные особенности. Химическая активность металлов этой группы по отношению к примесям внедре­ ния ниже, чем у тугоплавких металлов IV и V групп. Однако при высоких темпе­ ратурах, характерных для сварки плавлением, они активно реагируют с окисли­ телями. Молибден и вольфрам не образуют оксидов, устойчивых при высоких температурах. Лишь оксид хрома Сг^О*- является пассивирующим при высоких температурах. Заметное окисление хрома начинается с температур выше 780° С. Окисление на воздухе молибдена и вольфрама начинается при температуре около 300°С. При температурах пиже475° С на молибдене происходит образование плотно прилегающей окисной пленки. Скорость окисления незначительна и определяется скоростями диффузии ионов металла и кислорода через пленку окисла. В интер­ вале температур 475—700° С наряду с образованием окисной пленки происходит испарение оксида молибдена, ускоряющееся с повышением температуры; при высокой температуре окисной пленки на поверхности молибдена не образуется, и наблюдается только испарение окисла. Пары воды вызывают быстрое окисление молибдена при температурах выше 700° С. В азоте хром устойчив до 650° С, молибден до 1500° С, нитриды не устойчивы, вольфрам и рений не реагируют

сазотом. Хром, молибден и вольфрам образуют тугоплавкие прочные соединения

суглеродом, бором, кремнием.

Вотличие от металлов IV и V групп эти металлы не образуют устойчивых гидридов. Водород в этих металлах образует твердые растворы внедрения и обла­ дает большой подвижностью, десорбируясь при охлаждении, поэтому эти металлы

не склонны к водородной хрупкости. Несмотря на меньшую, чем у металлов IV и V групп, активность, требуется более тщательная их защита (в связи с повы­ шенной чувствительностью к примесям внедрения) путем сварки в высоком ва­ кууме и инертных газах высокой чистоты. Металлы этой группы чрезвычайно чувствительны к термическому циклу сварки при наличии примесей, содержание которых в исходном материале, как правило, значительно выше предела раство­ римости. Увеличение зерна, перегрев, рекристаллизация, появление примесных фаз на границах зерен под действием термического цикла приводят к резкому увеличению порога хладноломкости и склонности к горячим трещинам. Темпе­ ратура порога хладноломкости металла шва и рекристаллизованной зоны терми­ ческого влияния, как правило, выше 20° С. Для рекристаллизованной зоны харак­ терен провал пластичности. Высокая склонность к горячим трещинам связана: а) с наличием примесей внедрения, вызывающих охрупчивание металла и образо­ вание легкоплавких эвтектик по границам зерен; б) с высокими напряжениями и темпом деформаций в связи с большим модулем упругости.

Свариваемость и свойства сварных соединений зависят от неоднородности свойств исходного материала в связи с неоднородным распределением (по площади и толщине) примесей внедрения, различными размерами, формой и количеством частиц второй фазы, состоянием твердого раствора. На участках с повышенным

содержанием примесей при сварке происходит преимущественное образование трещин, местное снижение порога хладноломкости и пластичности.

На свойства сварных соединений влияют параметры термического цикла, прежде всего скорость охлаждения, от которой зависит выделение второй фазы (карбидов, нитридов и др.), вид (глобулярный, игольчатый, пластинчатый) и зоны выделений (на границе, в теле зерна). Оптимальные параметры цикла определяются природой сплава, толщиной металла, методом сварки.

Влияние теплофизических характеристик этих металлов при сварке прояв­ ляется в следующем. Высокие температура плавления и теплопроводность вызы­ вают необходимость сосредоточенности источников энергии для сварки. Высокий модуль упругости в сочетании со значительной зоной упругопластических дефор­ маций способствует появлению больших остаточных напряжений, однако малый коэффициент линейного расширения этих металлов уменьшает такое влияние.

Качественные сварные соединения получаются при использовании металлов высокой чистоты и однородности по примесям. Необходимо использовать также методы сварки, обеспечивающие образование сварного соединения без насыщения примесями внедрения. Основными из них являются методы сварки плавлением: электронно-лучевая, дуговая в среде инертных газов в камерах с контролируемой атмосферой, сварка полым катодом, лазером. Хорошее качество соединений дости­ гается при диффузионной сварке. Возможно получение соединений вольфрама химическим осаждением по реакции

WFeraaH” ^Нггаз ^тв “Ь 6HFra3,

однако для соединений характерны высокий порог хладноломкости (510—560° С) и пористость в результате выделения газов по границам во время затвердевания сварочной ванны.

Хорошее качество сварных соединений достигается при применении присадоч­ ных материалов с пониженной чувствительностью к примесям внедрения. Напри­ мер, легирование металла шва при сварке молибденовых сплавов ВМ1, ЦМ2, ЦМ6 рением в пределах 45—50% Re (по массе) является эффективным средством повышения его пластичности. Для легирования используют проволоку МР47-ВП или фольгу из чистого рения. Введение в молибден элементов-модификаторов (углерод ^ 0,06%) и элементов VIII группы (Fc, Со, Ni, 1г) повышает пластич­ ность в литом и рекристаллизованном состоянии в связи с измельчением зерна, снижение предела текучести, уменьшением структурной и химической неоднород­ ности по сечению соединения. В сплавах, содержащих углерод, цирконий и титан повышают пластичность (<1% ).

Оптимальная техника и технология сварки предусматривают качественную подготовку кромок под сварку, защиту и регулирование параметров режима сваркщ главным образом скорости охлаждения.

Предварительный нагрев способствует переходу металла из хрупкого состоя­ ния в пластическое (при температурах подогрева выше порога хладноломкости), но в то же время оказывает неблагоприятное действие в связи с диффузионным перераспределением примесей, выпаданием их соединений по границам, а также образованием вторичных фаз. Поэтому целесообразность предварительного на­ грева зависит от чистоты используемого металла и системы его легирования. Рекомендуемые температуры предварительного нагрева для молибдена 200—300° С для вольфрама 300—600° С.

На повышение пластичности сварных соединений влияет отжиг основного металла перед сваркой для уменьшения содержания примесей внедрения и их неоднородности. Отжиг после сварки используют для снятия остаточных напря­ жений и улучшения структуры. Температура отжига для молибдена ~1000° С, для вольфрама /■w1250° С.

СВАРКА ТУГОПЛАВКИХ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ

К тугоплавким металлам VIII группы относятся благородные платиновые металлы: легкие (рутений Ru, родий Rh, палладий Pd) и тяжелые (осмий Os, иридий 1г, платина Pt); Ru, Rh, Os, Ir используют в основном в технически чистом виде и в сплавах с платиной. Платину и палладий применяют преимущественно в виде двойных и тройных сплавов с другими платиновыми металлами, а также с медью, никелем, кобальтом, золотом, серебром. Свойства металлов этой группы имеются в [13, 25, 28].

Тугоплавкие металлы VIII группы обладают наименьшей химической актив­ ностью и чувствительностью к примесям внедрения по сравнению с другими туго­ плавкими металлами. Однако, несмотря на малую химическую активность, плати­ новые металлы вступают во взаимодействие с окружающими средами, особенно при высоких температурах. Осмий начинает окисляться при 20°С, рутений —* при 100° С, палладий при 350° С, родий и иридий при 600° С. В окислитель­ ной атмосфере платиновые металлы могут постепенно улетучиваться в виде своих оксидов и особенно галидов, представляющих собой непрочные и летучие соеди­ нения. Семейство платиновых не образует гидридов, но водород может находиться в них в виде твердых растворов внедрения, ухудшая пластичность. Из этих метал­ лов наибольшая абсорбирующая способность к водороду проявляется у палладия и его сплавов. Среди тяжелых платиновых металлов (Os, Ir, Pt) максимальная растворимость водорода наблюдается у иридия, что способствует образованию пор при сварке. Общими особенностями при сварке платиновых металлов являются: склонность к росту зерна и перегреву, летучесть окислов, опасность образования пор, возможно образование горячих трещин.

По особенностям сварки в соответствии с расположением в периодической системе элементов и физико-химическими свойствами платиновые металлы можно разделить на следующие подгруппы (по мере ухудшения свариваемости): а) пал­ ладий, платина; б) родий, иридий; в) рутений, осмий.

Платина и палладий имеют относительно низкие температуру, теплоту плав­ ления и теплоемкость, высокую пластичность и хорошую свариваемость. Эти металлы хорошо свариваются в защитных газах неплавящимся электродом, сопро­ тивлением, газовой сваркой (для которой предпочтительны нейтральные или слабо­ окислительные атмосферы), легко соединяются свободной ковкой на воздухе при температуре 0,75—0,95 температуры плавления. Родий и иридий сваривают в защитных инертных газах и сопротивлением. Особенностями, резко ухудшаю­ щими свариваемость рутения и осмия по сравнению с другими платиновыми металлами, являются: а) высокая окисляемость с образованием нестойких летучих ядовитых окислов; б) высокие прочность и твердость, а также низкая пластичность (осмий практически не поддается механической обработке в холодном состоянии; рутений может быть обработан с большим трудом); в) склонность к хладнолом­ кости; г) в отличие от других платиновых металлов, имеющих ГЦК-решетку, рутений и осмий имеют ГПУ-решетку и большую анизотропию свойств. Отмечен­ ные обстоятельства, а также близость теплофизических свойств к свойствам ме­ таллов VI группы, вызывают необходимость применения для сварки рутения и осмия способов, техники и технологии, аналогичных применяемым при сварке молибдена и вольфрама (сварку: дуговую в защитных газах с контролируемой атмосферой, электронно-лучевую, сопротивлением).

Список литературы

соединений ннобневого сплава системы Nb —W —Mo—Z r—С. — «Сварочное производство», 1975, № 10, с. 29—31. Авт.: Е. Н. Денис и до.