Сварка стали с медью и ее сплавами, а также наплавка сплавов меди на сталь позволяют не только создать рациональные сварные конструкции, но и обеспечить значительную экономию цветного металла. Для оценки свариваемости стали с медью и ее сплавами следует прежде всего сопоставить мужду собой ^имико-фи - зические свойства этих металлов:

Как видим, наблюдается некоторая близость кристаллохими­ческих свойств меди и железа (тип кристаллической решетки при повышенных температурах, параметры, атомные радиусы, количе­ство электронов в наружном слое атома). Поэтому медь с железом образует раствор с предельной растворимостью Fe в расплавлен­ной меди —3% (см. рис. 215). В равновесном же состоянии (при ком­натной температуре) меди вое-железе растворяется до 0,3%, ажелеза в меди - г-до 0,2%. Ухудшает их взаимную растворимость присут­ствующий в стали С, а улучшает — Sin Мп. Следует также отметить, что хрупких интерметаллидов медь с железом не образует.

Более существенная разница в физических свойствах ухудшает свариваемость этих двух металлов (пониженная температура плав­ления меди, резко отличные по величине теплофизические коэффи-

циенты). Кроме того, отрицательно влияет также повышенная окисляемость меди и значительное поглощение ею газов.

Основной проблемой свариваемости стали с медью и ее сплавами является образование встали, находящейся в контакте с жидкой медью или сплавом меди, околошовных трещин, заполненных цветным металлом (рис. 241). Возникновение подобных трещин объясняется расклинивающим действием жидкой меди, проникаю­щей в микронадрывы встали по границам зерен при одновременном действии и термических напряжений растяжения. Начальное про­никновение меди по границам зерен стали, протекающее под влиянием капиллярного эффекта, диффузии и растворения стали в меди, облегчается далее тем, что поверхностная энергия на границе Fey — Сиж примерно в два раза меньше, чем на границе Fey—Fey. Поэтому прочность гра­ницы зерна, находящейся в кон­такте с жидкой медью, оказыва­ется сниженной, а развивающиеся напряжения растяжения — доста­точными для окончательного раз­рыва ослабленной границы и мгно­венного заполнения медью обра­зовавшейся трещины. Проникно-

вение цветного металла в сталь на глубину > 2,5 мм в некоторых случаях снижает статическую, и особенно усталостную, проч­ность стали.

На глубину проникновения меди или ее сплава в сталь влияют следующие факторы:

1) химический состав как стали, так и цветного металла. Напри­мер, бронзы, легированные Ni, Al, Si, менее проникают в сталь, чем оловянные или латуни; в аустенитных сталях развитие трещин большее;

2) доля расплавляемой в соединении стали, время контакти­рования стали с жидкой фазой. В этом отношении наилучшие ре­зультаты достигаются, если сталь вообще не расплавлять. Если же ограничить максимальную температуру нагрева стали до 1450° С, то длительность контакта ее с жидкой фазой составит —1,5—4 сек. Этим обеспечится получение качественного соеди­нения.

Ухудшает свариваемость стали с медными сплавами образование в околошовной зоне у границы сплавления промежуточных хруп­ких прослоек (рис. 242). Их возникновение и развитие связано с диф­фузией некоторых элементов из стали и сплава меди. Чтобы пре­дупредить образование прослоек такого типа, следует применять

способы и режимы сварки, обеспечивающие минимальные нагрев стали и длительность ее контакта с жидким сплавом меди. Весьма эффективна также предварительная наплавка на сталь проме­жуточных слоев из сплавов, уменьшающих возможность обра­зования хрупких прослоек и перехода железа в наплавленный ме­талл.

§ 61. СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛИ С НИКЕЛЕМ И ЕГО СПЛАВАМИ

При изготовлении аппаратов в химическом и нефтяном машиностроении возникает необходимость сваривать никель с низко­углеродистой, а также с аустенитными хромоникелегыми сталями. Для сопоставления и анализа ниже приведены химико-физические свойства никеля и железа:

Как видим, никель ближе к железу, чем медь, в особенности по кристаллохимическим свойствам. Поэтому никель и железо обра­зуют взаимные растворы неограниченной растворимости и не склонны создавать интерметаллические соединения или диффузион­ные прослойки в зоне сплавления.

Проблемой свариваемости никеля со сталью является чувстви­тельность железоникелевых швов к пористости и к образованию кристаллизационных трещин.

Установлено, что максимальной склонностью к образованию пор обладают швы, содержащие 30—60% Ni, при использовании сварочных материалов с повышенной окислительной способностью. Следовательно, причиной пористости можно считать кислород, по­падающий в сварочную ванну. В момент кристаллизации изменения в растворимости кислорода весьма значительны, образующиеся же оксиды углерода и пары воды, не успевая полностью удалиться из металла, приводят к пористости.

Повышенная чувствительность железоникелевых швов к кри­сталлизационным трещинам связана с присутствием в металле шва S, Р и Оа. При этом чем больше никеля в швах, тем сильнее про­является отрицательное действие серы и фосфора, так как образуе­мые ими эвтектики с никелем более легкоплавки, чем с железом. Кислород же, как полагают, способен изменять состав и свой­ства межкристаллитных прослоек, усиливая вредное действие серы.

Помимо вредного влияния серы, фосфора и кислорода, склон­ность железоникелевых швов к кристаллизационным трещинам свя­зана с их грубым, транскристаллитным строением однофазной аус­тенитной структуры.

Получению плотных и стойких против кристаллизационных трещин швов при сварке никеля со сталью способствует снижение содержания никеля в швах до 30%, применение сварочных мате­риалов, лишенных окислительной способности, с минимальным содержанием серы и фосфора. Весьма благоприятно влияет одно­временное внесение в сварочную ванну раскислителей и модифика­торов (например, Mn, Cr, AI, Ті), а также элементов с повышенной энергией активации (например, Мо). Эти металлургические средства воздействия дополняют рядом технологических мероприятий — тщательной подготовкой сварочных материалов и основного металла, в некоторых случаях уменьшением проплавления стальной состав­ляющей и др.