По данным Г17], в системе Fe—Си, как следует из диаграммы Fe—Си (рис. 34), установлено наличие двух перитектических реакций: 1) б-твердый раствор (6,7% Си) + жидкость (10,3% Си)"^. ^.у-твердый раствор (8,3% Си) при 1478°; 2) у-твердый раствор (~8% Си) + жидкость (97,2% Си) X є-твердьга раствор (96% Си) при 1094° С, и одного эвтектоидного процесса: у-твердый раствор (4% Си) a-твердый раствор (-—-1,4 % Си) + е-твердый раствор (—98,5% Си) при 850° С.

При комнатной температуре в равновесном состоянии сплавы меди с железом представляют собой твердый раствор меди в же­лезе (а); твердый раствор железа в меди (е) и смесь твердых рас­творов (а + є). Следует отметить, что хотя теоретически раство­римость меди в железе при температуре ниже 650° С очень не­большая в действительности при комнатной температуре в твердом растворе с a-железом могут находиться значительные количества меди. Максимальная растворимость меди в у-железе составляет: 8,3% при 1478° С; 7,5% при 1484° С; —8,0% при 1430° С и —7,5—

8,5 % при 1094° С. Растворимость меди в a-железе составляет —0,9% при 800° С; 0,5% при 750° С и 0,3% при 700° С. С даль­нейшим понижением температуры растворимость меди в железе снижается и составляет при 450° С 0,15 ± 0,02% [17]. Раство­римость железа в меди почти линейно уменьшается от 3,8% при 1094° С до 0,3% при 800° С. При температуре 200° С следует ожидать растворимости порядка 1,27-10_5% [17].

В указанной работе отмечается, что в железо-медных сплавах при таких низких температурах равновесного состояния достичь невозможно. Этому способствуют высокие скорости охлаждения, получаемые как при термообработке медистой стали, так и при

сварке, которые не обеспечивают состояние равновесия. Согласно [60], благодаря инертному выделению. меди из твердого раствора а в структуре нормализованной и отожженной медистой стали, со­держащей медь даже в количестве 1 — 1,5%, включения структур­но-свободной меди не наблюдаются, так как при свободном ох­лаждении на воздухе (или даже в печи) медь не успевает выде­литься из твердого раствора с a-железом, в результате чего фикси­руются структуры, отвечающие пересыщенному медью твердому раствору без следов свободной меди.

Г. А. Кащенко [38] считает, что в практических условиях выделение железа из твердого раствора не обнаруживается даже Т.°С г -

mo Cu'Fe

при содержании его в меди до 2% и объясняет это медленным рас­падом и исключительной дисперсностью выделений. Наличие высокодисперсных частиц железа в меди подтверждается и в ра­ботах Е. С. Шпичинецкого и И. JI. Рогельберга, изучавших влия­ние небольшого содержания железа на свойства меди и «-лату­ней. В работе [104] указывается, что причина торможения роста зерна железосодержащих сплавов вызвана именно высокой дис­персностью частиц второй фазы, которые, оттесняясь в процессе рекристаллизации к границам зерен, механически препятствуют их росту.

В условиях сварки процесс кристаллизации протекает на­столько быстро, что растворившееся в жидкой меди железо может не успеть выделиться из твердого раствора с медью и останется в виде пересыщенного твердого раствора с медью. Поэтому, как показали проведенные исследования, даже при наличии в металле наплавки до 2—2,5% железа включения структурно-свободного железа не наблюдаются. Это очень важно, так как коррозионная стойкость и другие физико-механические свойства металла на­плавки существенно зависят от наличия в нем структурно-сво­бодного железа.

На растворимость меди в железе и железа в меди оказывают влияние находящиеся в них легирующие элементы и примеси.

Углерод не растворяется в меди. Примесь углерода, находя­щаяся в стали, несколько уменьшает растворимость меди в твер­дом железе и создает ограниченную растворимость в жидком состоянии.

Марганец, образующий с медью непрерывный ряд твердых растворов, увеличивает растворимость меди в железе [20]. Это объясняется тем, что марганец увеличивает внутрикристаллит - ную растворимость меди в железе. Образуя с железом твердый раствор замещения, марганец снижает критическую точку А3, расширяет область у-твердого раствора. Растворимость же меди в у-твердом растворе выше, чем в a-твердом растворе. Кроме того, медь с марганцем имеют значительную взаимную растворимость, что способствует внутрикристаллитной диффузии.

Кремний хорошо растворяется в меди. Максимальная раство­римость кремния в меди составляет 6,7% при температуре 726° С. С понижением температуры растворимость кремния в меди па­дает, составляя при комнатной температуре 3—4%. Железо в медно-кремниевых сплавах растворяется ограниченно [20]. Кремний оказывает существенное влияние на механические свой­ства сплава. Основное влияние кремния на механические свойства обусловлено, по-видимому, упрочнением зерен твердого раствора, а также его раскислительным действием ввиду высокого срод­ства к кислороду.

Сера и фосфор несколько увеличивают растворимость меди в железе, так как увеличивают межкристаллитную диффузию. Помимо растворимости железа в меди и меди в железе образо­ванию прочной металлической связи между медью и железом способствует ряд близких физико-химических СВОЙСТВ меди и железа, особенно таких, как радиус атома, параметр кристалли­ческой решетки, тип решетки и др. В табл. 11 сопоставлены важ­нейшие физико-химические свойства меди и железа.

Вместе с тем целый ряд факторов затрудняют наплавку меди и ее сплавов на сталь. Основными из них являются [96]: 1) зна­чительное сродство жидкой меди к кислороду; 2) большая раство­римость газов, особенно водорода, в жидкой меди; 3) высокая тепло - и электропроводность меди и др. Тем не менее процесс соединения меди и ее сплавов со сталью протекает успешно.

В ряде работ показана возможность электродуговой сварки меди со сталью и наплавки меди и ее сплавов на сталь [9, 13, 27, 74, 89, 108 и др.]. В зависимости от требований, предъявляе­мых к соединению, могут применяться те или иные способы сварки или наплавки.

Металл наплавки должен быть без дефектов, снижающих прочность изделия, а иногда и плотность. Такими дефектами могут быть поры, раковины, трещины. Поры в меди и ее сплавах при наплавке на сталь могут образоваться в результате взаимодей­ствия жидкого наплавляемого металла с газами. Газы, особенно водород, обладают большой растворимостью в жидкой “меди [96]. Растворившийся в жидкой] меди водород взаимодействует с'кисло - родом меди:

Н2 - f- Cu20 = 2Cu - f - H20.

Аналогично взаимодействует с кислородом меди и окись угле­рода:

СО + Cu20 = 2Си + С02.

Водяные пары и углекислый газ не растворяются в меди, а стремятся выделиться из нее, образуя в ней при выходе поры, а иногда и трещины [96].

Водород может образовывать в меди поры, не вступая в реак­цию с кислородом. На образование пор влияет не столько абсо­лютная величина растворимости водорода в меди, сколько значе­ние коэффициента диффузии водорода в твердой меди - По данным [96], коэффициент диффузии водорода в твердой меди составляет при 1000° С 3,9-10‘6 мл Н21мм-см*-сек, тогда как коэффициент диффузии водорода в твердом железе составляет при 1500° С 1,22-10мл Н2/мм-см2-сек. В результате такой малой скорости диффузии в меди остающийся после затвердевания жидкого металла водород может покинуть металл путем диффузии и де-' сорбции через поверхность наплавки.

Как указывалось выше, жидкая медь обладает значительным сродством к кислороду. В процессе наплавки образуются рас­творы закиси меди в жидкой ванне, благодаря чему активность жидкой меди по отношению к кислороду увеличивается. Твердая медь почти не растворяет закиси меди. Поэтому в процессе кри­сталлизации активность меди по отношению к кислороду, а сле­довательно, и стойкость соединений кислорода резко снижается. Закись меди выделяется в виде самостоятельной фазы в составе эвтектики Си—Си20. Образующаяся эвтектика обволакивает кри­сталлы меди, вызывая хрупкость и трещины в металле наплавки.

По данным [88], стойкость металла наплавки против образо­вания трещин снижается и при высоком содержании железа в ме­талле наплавки. Поэтому способ и режим наплавки должны обес­печивать отсутствие попадания в металл наплавки кислорода, водорода и других газов, а также минимальный переход железа из основного металла в металл наплавки.

Во многих случаях металл наплавки должен обладать высокой коррозионной стойкостью, которая зависит как от количества железа в нем, так и от того, в каком виде железо находится в этом

металле. Когда железо находится в сплаве в твердом растворе либо распределено в нем в виде мелкодисперсных частиц, корро­зионные свойства сплава не нарушаются. По данным [104], кор­розионная стойкость меди и латуней при содержании в них железа до 0,5% не нарушается, т. е. остается такой же, как и у чистого сплава.

Наличие в металле наплавки участков с обособившимися вклю­чениями железа приводит к резкому понижению его коррозионной стойкости, коррозия в таких местах протекает наиболее интенсивно.

Таким образом, для получения металла наплавки с высокой коррозионной стойкостью необходимо свести содержание железа в нем до минимума и, главное, не допустить получения в металле наплавки структурно-свободного железа. Содержание железа и то, в каком состоянии оно находится в металле наплавки, опреде­ляются способами и режимами наплавки (рис. 35).

В случае применения способов наплавки, при которых основной металл расплавляется, происходит перемешивание расплавлен­ной стали с жидкой медью, а также протекают физико-химические процессы на межфазной границе, вследствие чего в металл на­плавки переходит большое количество железа (как указывалось выше, от 4 до 55—60%) и, естественно, оно будет находиться в структурно-свободном состоянии в виде отдельной фазы. Такая наплавка, как будет показано ниже, обладает низкими эксплуа­тационными свойствами.

В случае наплавки плазменной струей основной металл в про­цессе наплавки не расплавляется. Переход железа в металл на­плавки при отсутствии расплавления стали осуществляется только в результате физико-химических процессов, протекающих на межфазной границе. Поэтому для получения металла наплавки с низким содержанием железа необходимо уметь управлять физи­ко-химическими процессами, которые протекают на межфазной границе.