Этот процесс применяется, в частности, для армирования алю­миниевых проводов медными наконечниками. Схватывание в ходе совместной холодной пластической деформации используется в одном из технологических процессов получения двух - и много­слойного проката 1184]. Ленты из свариваемых материалов про­пускают через зачистную машину непрерывного действия. Через несколько секунд ленты попадают в стан, в котором они совместно прокатываются вхолодную с обжатием до 65%. Такая деформа­ция, сопровождаемая некоторым адиабатическим нагревом, доста­точна для образования прочных узлов схватывания, допускающих сматывание многослойной ленты в рулоны. Последующий печной нагрев (не имеющий отношения к холодной сварке) обеспечивает получение прочной композитной ленты.

Применяемая степень деформации, несмотря на адиабатиче­ский нагрев, могущий достигать в очаге деформирования 200— 300° С, недостаточна для прочного соединения лент по всей по­верхности. Однако образование многочисленных узлов схватыва­ния подтверждает принципиальную возможность образования металлических связей между многими разноименными металлами

Рис. 42. Макроструктура соединения алюминия (верх) с никелем [130]

и сплавами. В работе [184]'упоминаются, в частности, следующие материалы, из которых освоено изготовление композитной ленты: никель—низкоуглеродистая сталь—никель; алюминий—железо— алюминий; медь—алюминий—медь; медь—аустенитная или хро­мистая нержавеющая сталь; серебро—бронза—серебро; серебро— латунь—серебро; серебро—монель-металл. При прокатке в очаге деформаций имеется гидростатическая составляющая давления, которая (см. § 2, гл. Ill) облегчает холодную сварку.

Р. Тайлькот при сварке алюминия с медью, железом или никелем с применением круглых пуансонов (большего диаметра со стороны более мягкого алюминия) получил следующие значе­ния emin: Al-fCu— 40%; Al + Fe—50%; Al-fNi—60% [216]. При сварке симметрично наклоненными пуансонами, даже если более мягкий металл (алюминий) предварительно наклепывали, а более твердый (никель) отжигали, степень деформации алюми­ния значительно больше, чем никеля (рис. 42), несмотря на одина­ковую исходную толщину (3 мм) [130 ]. Так, минимальное факти­ческое вдавливание пуансона, достаточное для образования соеди­нения, составило для алюминия 2,05 мм, а для никеля 1,39 мм или соответственно ега1п ~ 68 и 46% при среднем значении ет1п = = 57%.

Из табл. 18 следует, что етШ при сварке разнородных металлов близко к emm для лучше свариваемого металла (это подтвер-

Степень деформации Етщ при сварке одинаковых и разнородных металлов толщиной 3 мм 1130J_ _____________________ Металлы Состояние Етш в % Алюминий АВ000 |- Отожженный.......................................... 55,5 +АВ000 Наклепанный........................................ 51,2 Сплав АМц+АМц Отожженный.......................................... 59,0 Наклепанный........................................ 56,6 Медь М0+М0 Отожженная........................................... 73,3 М0+АВ000 Отожженный.......................................... 55,0 МО — отож., АВ000 накл..................... 51,5 МО+АМц Отожженный.......................................... 57,7 МО — отож., АМц — накл.................... 66,2

ждается и опытами [216] по сварке алюминия с железом, медью и никелем). Предварительный наклеп алюминия уменьшает emln; однако при сварке более твердого сплава АМц с медью МО наклеп, наоборот, повысил вга1п. Прямое сопоставление значений emln для сварки одинаковых и разнородных металлов вряд ли обоснованно, так как действительное значение етш для более мягкого металла выше, а для более твердого существенно щдас средних его зна­чений.

При сварке разнородных металлов может благоприятно ска­зываться их взаимное смещение в зоне соединения, вызывываемое неодинаковой деформацией. Это подтвердилось при сварке сов­местной холодной прокаткой меди с алюминием [201 ]. Если заго­товки перед прокаткой соединяли по контуру, устраняя возмож­ность взаимного сдвига, то необходимая степень обжатия рав­нялась 48%. Без жесткого закрепления є = 42%. При особо благоприятных условиях для взаимного сдвига (прокатка накле­панной меди с отожженным алюминием) значение є снизилось до 28%.

Принципиальное различие сварки одинаковых и разнородных металлов может быть связано с тем, что в первом случае образова­ние соединения всегда уменьшает свободную энергию системы из-за относительно малой энергии образующейся границы (см. § 2, гл. I), в то время как во втором случае это положение не столь очевидно. При сварке разноименных металлов уравнение (1) примет вид

AF = F'n + F'n-Fep> 0, (15)

где Fn и Fn — свободная энергия поверхности свариваемых ме­таллов.

Выше указывалось (см. гл. I), что способность металлов к образованию твердых растворов или интерметаллидных соедине­ний способствует уменьшению энергии границы, что облегчает условия сварки давлением и, в частности, холодной сварки. Нао­борот, разница в атомных радиусах ведет к росту Ргр и затрудняет сварку. Поэтому многие исследователи изучали влияние взаим­ной растворимости металлов и соотношения их атомных радиусов на условия холодной сварки. Все приведенные выше данные ИЗО, 184, 216] относятся к соединению металлов, образующих твердые растворы. Для их схватывания термодинамических пре­пятствий нет, хотя получение прочного соединения из-за хруп­кости узлов схватывания может оказаться при этом и невоз­можным.

Холодную сварку взаимно растворимых и нерастворимых ме­таллов с атомночистыми поверхностями в вакууме до 1 ■ I0_u мм pm. cm. изучали Т. Спалвинс и Д. Келлер 1213]. В вакуумной камере устанавливали плоский образец из металла А и индентор из металла В, перемещаемый соленоидом. Вакуум создавали си­стемой из форвакуумного насоса, ртутного диффузионного насоса и титанового насоса, отделенных азотными ловушками. Сначала образцы очищали в аргоне (при 1 • 10“3 мм pm. cm.) ионной бомбар­дировкой, а затем адсорбированный аргон удаляли с поверхности образцов, подвергая их электронной бомбардировке в вакууме 2 • 10"и мм pm. cm. После этого индентор со сферическим концом радиусом 32 мм прижимали к пластинке усилием 5 Г, не приво­дившим к макропластической деформации. Степень сварки оцени­вали по усилию отрыва индентора от пластинки, а также металло­графически. Оказалось, что в условиях опыта только металлы, образующие твердые растворы, сваривались. Соединение полу­чено: Fe—А1; Ag—Си; Ni—Си; Ni—Мо. Соединение не получено: Си—Mo; Ag—Mo; Ag—Fe; Ag—Ni. Был сделан вывод о необхо­димости взаимной растворимости металлов для обеспечения воз­можности их схватывания без нагрева.

В более поздней работе Д. Келлера и К. Джонсона 1194], однако, подчеркивается, что при очень тщательной очистке по­верхностей схватывание в глубоком вакууме взаимно нераствори­мых металлов (А1—Ni) осуществляется так же легко, как неогра­ничен© растворимых (Ni—Си).

К аналогичным выводам пришли К. Мак-Зван и Дж. Мильнер [201 ]. При холодной прокатке с деформацией 50—60% сваривали взаимно нерастворимые металлы Си—Fe, Pb—Fe, Си—РЬ, а при прокатке с подогревом до 600е С Си—Мо. При этом металлы с ку­бической решеткой давали более прочное соединение, чем металлы с г. п. у.-решеткой (прочность соединения кадмия с железом не превышала 50% прочности кадмия, в то время как соединение свинца с железом и медью приближалось по прочности к показа­телям свинца, а соединения меди с молибденом —■ к меди).

Данные работы [210] показывают, что перенос металла при вдавливании индентора не зависит от степени взаимной раствори­мости металлов (перенос между практически нерастворимыми кадмием и низкоуглеродистой сталыо был такого же порядка, как между неограниченно растворимыми кадмием и медью (соот­ветственно 3 • 10-10 г и 10 • 1010 г). Напомним, что перенос металла при сжатии индентора и пластинки из одинакового металла имеет величину того же порядка: для кадмия — 2-Ю"10 г и меди — 0,5-10'10 г. Недостаточная обоснованность требования о взаимной растворимости металлов, как условия их схватывания, показана в работе Н. Л. Голего [50], исследовавшего схватывание металлов в вакууме I (10“в—10-10) мм pm. ст. Для 29 металлов в одно - и разноименных сочетаниях определяли коэффициент трения при комнатной температуре, малом удельном давлении (порядка 0,05аг) и небольшой скорости взаимного перемещения (1 ммісек). Так исключался заметный нагрев от трения.

Хотя в этих опытах действовали сдвиговые напряжения, облег­чающие холодную сварку (см. § 5, гл. III), они вряд ли могли повлиять на способность к схватыванию. Эту способность оце­нивали по изменению коэффициента трения в процессе взаимного перемещения образцов (на 45 мм). Для некоторых взаимно рас­творимых металлов (Fe—Сг; Fe—Ті; Fe—AI)) коэффициент тре­ния f в ходе опыта резко возрастал (рис. 43, а); для других

считает признаком полного отсутствия схватывания. По-видимому, резкое повышение / происходило после разрушения тонких окис - ных пленок, оставшихся на поверхности очищенных образцов (и не восстановившихся в вакууме). Отсутствие заметного схваты­вания может быть связано в некоторых случаях не только с его физической невозможностью, но и с трудностью механического разрушения пленок (см. гл. IX).

Взаимно нерастворимые металлы (рис. 43, б) иногда схваты­ваются (Fe—Ag; Мо—Си), а иногда заметного схватывания нет (Fe—Sc; Fe—Mg). При оценке этих результатов надо иметь в виду, что при ничтожной растворимости одного металла в объеме дру­гого (например, железа в серебре порядка 0,0004%) их раствори­мость в поверхностных слоях со множеством дефектов, по-види­мому, может быть и намного выше. При одинаковой кристалличе­ской решетке и отличии атомных диаметров до 13% всегда про­исходит схватывание 150]. При большем различии атомных диа­метров схватывания не было (рис. 43, е). Однако и для этих пар в ходе опыта / заметно растет (для Со— Y — с 0,2 до 0,52; для Fe—РЬ — с 0,05 до 0,23). FI. Л. Голего пришел к выводу, что ни различие кристаллической решетки, ни отсутствие растворимости не сказываются на возможности схватывания металлов; сущест­венно влияет на него резкое различие атомных диаметров.

Последнее опровергается опытами по холодной сварке свинца и меди с алюминием 1153]. Пуансон диаметром 5 мм вдавливали со стороны более твердого металла (пластинки алюминия или меди толщиной 1 мм). В паре с алюминием пластинка свинца имела толщину 1 мм, в паре с медью — 2,8 мм. Несмотря на очень большое различие атомных диаметров (для А1—РЬ—22%; для Си—РЬ—36%), получили соединение соответственно при его1п=-75 и 86%.

На основе систематических опытов по трению в работе [177] отмечается, что одним из главных критериев оценки склонности к схватыванию разноименных материалов является их взаимная растворимость и способность к образованию химических соеди­нении. При этом важно и кристаллическое строение металла, b общем случае металлы с г. п. у.-решеткой должны схватываться труднее, так как наличие в них только одной кристаллографи­ческой плоскости (плоскости базиса), по которой они могут пла­стически деформироваться, затрудняет деформацию микронеров - ностей при трении (и холодной сварке) и образование физических контактов, предшествующее возникновению узлов схватывания. Однако пластическая деформация в плоскости базиса идет только в металлах с г. п. у.-решеткой, у которых отношение параметров

решетки — 1,6333 (кобальт, иттрий, редкоземельные металлы).

У титана — = 1,587, деформация идет по нескольким плоскостям

и склонность титана к схватыванию очень велика (аналогично ведут себя цирконий и гафний).

Приведенные данные не позволяют вполне четко установить условия, исключающие схватывание разноименных металлов, а сам факт отсутствия схватывания часто определяется очень условно.

При изучении схватывания (и сварки) разноименных металлов необходимо учитывать процессы образования на соединяемых поверхностях активных центров. При холодной сварке большин­ства металлов активные центры могут быть созданы только в ре­зультате пластической деформации. Можно представить, что при попытке холодной сварки металлов с резко различающимися меха­ническими свойствами (например, закаленной стали и алюминия) будет деформироваться только один из них. Образование актив­ных центров на одном металле при отсутствии их на другом не должно приводить к схватыванию. Поэтому можно предположить, что большое различие механических свойств металлов — одна из возможных причин их практической несклонности к схватыванию.

Уравнение (15) можно рассматривать и как условие смачивания одного металла другим в твердом состоянии [190]. Вряд ли можно ожидать, что все металлы смачивают друг друга в твердом состоя­нии. Однако опыты, проведенные до настоящего времени, указы­вают на возможность более или менее энергичного схватывания практически всех изученных металлов.

Возможность получения прочного соединения разноименных металлов при холодной сварке, так же как для одноименных, существенно зависит от склонности образуемых ими узлов схваты­вания к хрупкому разрушению. Как правило, сварка высокопла­стичного металла (например, алюминия) с менее пластичным (же­лезом, никелем) осуществляется даже легче, чем сварка послед­них в одноименных парах. Это можно объяснить релаксацией остаточных напряжений при снятии внешней нагрузки за счет относительно легкой пластической деформации алюминия.

Сварка двух высокопластичных металлов (например, меди и алюминия) завершается при относительно малой деформации мед в. Возникает вопрос, почему при сварке Си—Си emm = 75 -4-80%, а при сварке Си—AI со стороны меди ега1п не превышает 50%. Для меди и алюминия emln определяется условиями разрушения окисных пленок (см. § 3). По-видимому, при сварке меди с алю­минием неодинаковая деформация металлов приводит к взаим­ному перемещению меди и алюминия в зоне соединения, облегчаю­щему разрушение поверхностных пленок.

§ 5. ХОЛОДНАЯ СВАРКА ПРИ ДЕЙСТВИИ НОРМАЛЬНЫХ

Й ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИЙ

При одновременном действии нормальных W и гангенциаль - ных S усилий возможны два случая: отношение больше или

сжатии в вакууме 1 ■ 10~в мм pm. cm. холодных образцов с чистой поверхностью

меньше коэффициента трения f. В первом неизбежно взаимное перемещение сжатых деталей, которое при большой его скорости ведет к заметному нагреву (процесс не относится к холодной сварке), а при малой скорости в результате разрушения окисных пленок возможна так называемая холодная сварка сдвигом.

Тангенциальные усилия, даже не вызывающие макропереме­щений ^т. е. при </^, существенно влияют на процессы схва­тывания и сварки [202]. В опытах образцы сначала нагревали в вакууме для очистки от окислов. После охлаждения их сжималр нормальной силой, а затем прикладывали тангенциальную (40— 120 Г), недостаточную для преодоления сил трения. Далее сни­мали тангенциальную нагрузку и определяли прочность образо­вавшегося соединения на отрыв. В результате действия танген­циальной нагрузки прочность соединения увеличивалась в не­сколько раз (рис. 44). Полученный эффект объясняется облегче­нием условий пластической деформации при совместном действии нормальных р и касательных s напряжений. По условию Мизеса пластическая деформация наступает при соблюдении неравенства

р2 + 3s2 <72, (16)

где q — предел упругости.

При вдавливанри сферы в плоскость это условие можно на­писать так [1731:

р2 + as3 = k2. (17)

Здесь а и k — эмпирические коэффициенты. В работе [173] по­казано, что между с = и о0 = существует зависи­

мость

ШТ=1+^' <|8>

где Рр — разрушающая нагрузка соединения, полученного при одновременном действии W и S;

Рр — то же, но при действии только W;

_ S

^ W ■ р

На рис. 44 дана зависимость величины —ф - от p, x, указываю­щая на хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.

Поданным Н. Д. Голего, все исследованные им чистые металлы, представляющие различные группы периодической системы (маг­ний, алюминий, скандий, титан, ванадий, хром, железо, кобальт, никель, медь, цинк, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, серебро, кадмий, индий, сурьма, лантан, празеодим, неодим, диспрозий, эрбий, платина, таллий, свинец и висмут), схватываются без нагрева при взаимном перемещении в вакууме одноименных пар образцов с предварительно очищенными поверхностями (аналогич­ные опыты по схватыванию разноименных металлов см. в § 4) [49].

Эффективность совместного действия нормальных и танген­циальных сил при холодной сварке подтверждается в исследова­ниях К - К - Хренова и др. [153] и в работах С. Б. Айнбиндера с сотрудниками 12, 5]. В частности, в работе [2] показано, что при сварке «сдвигом» и малом нормальном усилии, не приводящем к макропластической деформации, уже могут образовываться проч­ные узлы схватывания на отдельных участках контактирующих поверхностей (табл. 19).

Таблица 19

Прочность в кГ/мм2 соединения при сварке «сдвигом» Предел прочности, отне­сенный к общей площади Истинное Металл контакта сопротивле- пне срезу при срезе при отрыве Алюминий............................................. 1,50 0,85 15 Медь....................................................... 2,32 0,20 50 Армко-железо....................................... 2,66 0,06 47 о 'У

Характерно, что железо относительно легко сваривается «сдвигом». Это можно объяснить разрушением пленок при трении и уменьшением нормальных напряжений, необходимых для вы­равнивания поверхностей. Последнее ведет к уменьшению оста­точных напряжений и сохранению узлов схватывания после сня­тия нагрузки. Прочность соединений, особенно на отрыв, мала, что наиболее резко проявляется у железа, склонного к хрупкому разрушению. Истинное сопротивление срезу, отнесенное к факти­ческой площади соединения, во всех случаях очень высоко.