Общие сведения о тугоплавких и активных металлах.

За последние годы в связи с развитием таких отраслей техники, как электроника, атомная энергетика, ракетостроение, химическое ма­шиностроение и другие, возникла необходимость использовать конструкционные материалы, обладающие очень высокой жаропроч­ностью, коррозионной устойчивостью в ряде агрессивных сред и дру­гими специальными свойствами. К числу таких материалов отно­сятся Мо, Та, Nb и Zr, которые отличаются тугоплавкостью и осо­бой химической активностью в нагретом состоянии. Некоторые теплофизические характеристики этих металлов и железа приведены в табл. 54.

Молибден принадлежит к мономорфным металлам с характерной объемноцентрированной кристаллической структурой. При сварке молибдена и его сплавов мало растворимые в металле кислород и углерод создают легкоплавкие эвтектики. Как и титан, молибден

сильно окисляется при нагреве выше 500—600 °С и образует легко испаряющиеся оксиды. Ухудшенная свариваемость молибдена и его сплавов объясняется образованием кристаллизационных тре­щин в шве, малой пластичностью сварных соединений и пори­стостью металла.

Растворимость кислорода в молибдене незначительна и (по не­которым данным) при 1100 °С составляет лишь 0,0045, а при 1700 °С— 0,0065%. Если молибден нагре­вают на воздухе, то сначала образуется оксид Мо03, имею­щий высокую упругость испаре­ния и температуру кипения 1480 °С. Этот оксид может вза­имодействовать со вторым окси дом — Мо02, образуя легкоплав кую эвтектику (температура плавления —780 °С), сосредото ченную на границах зерен и ос­лабляющую прочность металла.

Растворимость углерода в мо­либдене также очень мала: при 20 °С она составляет 0,004, а при 1925 °С—~ 0,02—0,03%. Поэтому карбиды молибдена Мо2С сосредоточиваются также на границах зерен. К числу мало раство­римых в молибдене элементов относятся N2 и В. Присутствие в ме­талле кислорода, углерода и бора, а по некоторым сведениям и азота, может послужить причиной возникновения кристаллизационных трещин.

Из сплавов молибдена наибольшую склонность к кристаллиза­ционным трещинам показали системы Мо—Ni, Мо — Fe, Мо — Со, Мо — Be, Мо —- Si.

Сварным соединениям из молибдена и сплавов на его основе свойственна потеря пластичности при насыщении металла вредными примесями — Ог, С и N2 (рис. 231). Как видим, особенно резко
повышает температуру этого перехода кислород: металл, содержащий 0,0002% 02, становится хладноломким даже при +200 °С. Примеси азота и углерода влияют в меньшей степени. В соответствии с уста­новленным пределом растворимости содержание кислорода в металле шва не должно превышать 0,0002, углерода —■ 0,003 и азота 0,0001 %. Для более полного удаления кислорода из металла шва целесооб­разно использовать раскислители, например Ті (0,5 1,0%), Th (1 %), А1 (0,025%), Се (0,1%), Zr (< 0,25%) и др.

Нельзя забывать, что при сварке чистого молибдена, лишенного тугоплавких составляющих, создаются весьма благоприятные усло­вия для роста зерен как в шве (рис. 232, а), так и в околошовной зоне (рис. 232, б). Повышенная склонность металла к охрупчива-
нию обусловлена прежде всего крупнозернистой структурой металла шва с рекристаллизационнымн зернами (рис. 232, в) зоны термиче­ского влияния, где возможно избирательное обогащение границ зерен примесями.

Пористость сварных швов также связана с наличием вредных примесей, попадающих в металл из окружающей среды или из за­щитного газа. При этом возникновение газовых пузырей в металле может быть вызвано кипением оксидов МоОя, находящихся в ме­талле, образованием СО, а также уменьшением растворимости газов (02; N2) при переходе металла из жидкого состояния в твердое.

Обычно поры бывают сосредоточе ны по оси шва и у границы сплав ления (рис. 233).

Рекомендуются следующие пути получения качественных сварных соединений из молибдена и его сплавов:

1) применять для сварных кон­струкций молибден и его сплавы, содержащие минимальное коли­чество 02, С и N2; выбирать спо соб и технологию сварки, не допус­кающие внесения этих вредных примесей в зону сварки;

2) легировать металл элемен-

тами-раскислителями, которые, по­вышая температуру рекристалли­зации и роста зерен, одновремен­но снижают склонность металла Рис. 233. Микропоры в металле К охрупчиванию (Ті, Zr и др.); шва на молибдене, расположенные

3) максимально снижать вели - У границы сплавления, чину погонной энергии для повы­шения пластичности сварных соединений (чтобы предотвратить выделение примесей по границам зерен, уменьшить рост зерна и пр.).

Ниобий и тантал. По своим физическим и химическим свойствам Nb и Та близки друг другу, что обусловливает одинаковое поведе­ние их в условиях сварки. По свариваемости эти металлы анало­гичны титану.

При сварке ниобия и тантала нужно предотвращать их окисле­ние, а также снижение пластичности сварных соединений. Ниобий и тантал очень активно поглощают из окружающей среды 02, Ns и Н2 и подобно тигану образуют соответствующие твердые растворы или химические соединения. Тантал, например, с 300 °С активно поглощает кислород, с 400 °С — азот, с 350 СС — водород. В ре­зультате этого повышаются прочность и твердость металла шва и околошовнон зоны, снижается пластичность металла. Однако эти

изменения механических свойств не приводят к резкому охрупчива­нию, характерному для сварных соединений молибдена.

Растворимость водорода в ниобии и тантале при увеличении тем­пературы снижается, что связано с образованием и распадом гидри­дов. Склонность сварных швов на ниобии и тантале к кристалли­зационным трещинам незначительна, но ее может усиливать отри­цательное влияние углерода, соединения которого (Nb2C и Та»С) образуют эвтектики с ниобием и танталом. Так же ведет себя и Si. В связи со сказанным, сварку ниобия и тантала, как и молибдена, следует осуществлять такими способами, которые сводили бы к ми­нимуму окисление металла и насыщение его вредными примесями.

К числу активных металлов, которым свойственна повышенная температура плавления, относится и цирконий. По физическим и химическим свойствам он близок к титану. Свариваемость цирко­ния и его сплавов отдельно нами не рассматривается.