WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Авторы предложенных технологий сварки медных сплавов со сталями практически нигде не ставили задачу обеспечить как временное сопротивление, так и ударную вязкость металла шва и сварного соединения на уровне временного сопротивления и ударной вязкости свариваемого со сталью медного сплава, не рассматривали возможность обеспечения необходимых механических свойств за счет получения необходимых состава как самого металла шва, так и структурных составляющих в нем.

Практически все рассмотренные технологии сварки медных сплавов со сталями в незначительной степени учитывают специфические особенности свариваемых разнородных металлов и практически мало отличаются от технологий сварки однородных металлов (сталей со сталями, медных сплавов с медными сплавами).

Глава 2. Исследование структуры и состава металла шва сварных соединений алюминиевых бронз со сталями Исследованы структура и состав металла сварных соединений алюминиевых бронз БрА9Ж4Н4Мц1, БрАМц9-2, CuAl8Fe со сталями 20 и АБ2, полученных с применением присадочных проволок из сплавов БрАМц9-2, МНЖКТ5-1-0,2-0,2, БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, SGCuAl8. Основные исследования проводились на сварных соединениях алюминиевой бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 со сталью АБ2, полученных с применением присадочной проволоки из бронзы марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5.

Методически в работе были введены три условных варианта степени расплавления стали при сварке: значительная - свыше 25% железа в металле шва (вариант 1, рис.1,а); средняя- железа в металле шва от 16% до 25% (вариант 2, рис.1,б); пониженная - железа в металле шва менее 16% (вариант 3, рис.1,в).

Структура металла шва сварного соединения алюминиевых бронз со сталями (при сварке с их расплавлением) состоит из двух фаз: -фазы - матрицы металла шва и -фазы - включений железистой составляющей и кристаллизационных прослоек (рис.1).

В металле шва с увеличением степени расплавления стали повышается содержание железа от 5 до 40% и более, снижается содержание алюминия от 8,4 до 4,4%, никеля от 5,0 до 3,7%, меди от 80 до 51,5% и менее; увеличивается количество выделений железистой составляющей в нем; в зоне сплавления появляются участки с кристаллизационной прослойкой; толщина которой существенно увеличивается от 5 до 125 мкм и более (рис.1.). Количество выделений -фазы по площади увеличивается от 15-25% при пониженной степени расплавления стали до 40-60% при значительной степени расплавления стали. В зоне сплавления сталь – шов, где движение жидкости относительно невелико содержание железа и количество выделений -фазы большее, чем в остальной части металла шва.

а б в Рис.1. Зона сплавления сталь-шов сварного соединения алюминиевой бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 со сталью АБ2 при различной степени расплавления стали:

а- значительная степень расплавления стали;

б- средняя степень расплавления стали;

в- пониженная степень расплавления стали -фаза имеет ГЦК – кристаллическую решетку и представляет собой сложный твердый раствор переменного состава железа, алюминия, никеля, марганца и др. элементов стали и бронзы (пересыщенный по железу) в меди. В сварном соединении бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 со сталью АБ2, полученном с применением присадки из бронзы БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, матрица металла шва имеет химический состав, приведенный в табл.1; параметр кристаллической решетки -фазы а =3,654-3,660.

-фаза имеет ОЦК – кристаллическую решетку и представляет собой сложный твердый раствор переменного состава меди, алюминия, никеля, марганца, углерода и др. элементов стали и бронзы (пересыщенный по меди) в -железе. -фаза является новой фазой, образующейся в металле шва, при сварке плавлением алюминиевых бронз со сталями. В металле шва сварного соединения бронзы БрА9Ж4М4Мц1 со сталью АБ2, выполненного с применением присадочной проволоки из бронзы БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, выделения -фазы имеют химический состав, приведенный в табл.2, а параметр ее кристаллической решетки a = 2,890-2,895.

Таблица Химический состав матрицы металла шва в зависимости от степени расплавления стали Массовая доля элементов при степени расплавления стали, Основные % элементы значительной средней пониженной Al 5,7-7,4 7,05-7,4 7,9-8,6,6 7,1 8,Mn 0,6-1,3 0,8-1,3 0,8-1,0,8 1,1 1,Fe 3,2-6,4 4,4-6,0 3,3-5,4,4 4,6 5,Ni 3,4-4,5 4,0-4,9 4,2-5,4,1 4,4 4,Cu 78,7-86,9 77,5-85,2 76,6-81,82,8 81,3 80,Таблица Химический состав выделений железистой составляющей Массовая доля элементов при степени расплавления стали, Основные % элементы значительной средней пониженной Al 4,1-6,2 5,1-8,9 5,7-9,5,4 7,1 7,Mn 0,8-1,5 0,9-1,6 1,0-1,1,0 1,1 1,Fe 63,4- 76,2 60,3- 70,0 59,2- 66,70,2 65,3 62,Ni 4,9-7,3 5,4-8,4 6,8-8,5,6 6,9 7,Cu 13,6-19,0 17,3-21,4 18,3-22,17,2 19,8 20,С ~0,07 ~0,065 ~0,Si ~0,28 ~0,26 ~0,Повышение степени расплавления стали при сварке приводит к обеднению фазы (матрицы металла шва) основными упрочняющими элементами – алюминием и никелем (табл. 1) из-за их перехода в образующуюся в металле шва -фазу.

В стали у границы с металлом шва образуется диффузионная прослойка (рис.1,в) в результате диффузии в сталь меди, алюминия и др. элементов медного сплава.

По сечению диффузионной прослойки наблюдается плавное изменение концентрации элементов: от границы со швом в сталь наблюдается плавное уменьшение содержания меди и алюминия и повышение содержания железа (рис.2).

а б Рис.2. Изменение концентрации элементов в диффузионной прослойке от границы сплавления в сталь: а - изменение концентрации железа;

б - изменение концентрации меди, алюминия и никеля Предложена схема формирования структуры и состава металла шва при сварке алюминиевых бронз со сталями, учитывающая, в отличие от сварки однородных металлов, различия теплофизических свойств свариваемых металлов и ограниченную растворимость железа в бронзах и меди в железе.

Железо, перешедшее в сварочную ванну в результате расплавления стали в количествах, превышающих его растворимость в жидком медном сплаве (рис.3), в про цессе охлаждения сварочной ванны кристаллизуется как по ее сечению, так и на оплавленных зернах стали в виде отдельных выделений и кристаллизационной прослойки. В эти выделения и в прослойку диффундируют из сварочной ванны медь, алюминий, углерод и другие элементы, входящие в ее состав, формируя -фазу. Выделения -фазы, наряду с оплавленными зернами стали и бронзы, становятся центрами дальнейшей кристаллизации металла шва. При достижении температуры солидуса оставшаяся жидкая часть сварочной ванны кристаллизуется в - фазу. Из-за высокой скорости охлаждения сварочной ванны избыточные железо в - фазе и медь в -фазе преимущественно сохраняются в них в виде пересыщенных твердых растворов на основе соответственно меди и -железа.

Рис.3. Диаграмма состояния железо-медь Глава 3. Исследование влияния состава и структуры зоны сплавления и металла шва на механические свойства сварного соединения Глава 3 посвящена исследованию влияния состава и структуры зоны сплавления и металла шва на механические свойства сварного соединения алюминиевых бронз со сталями. Также исследованы механические свойства отдельных фаз в металле шва.

Для изучения механических свойств -фазы были выплавлены и испытаны три модельных варианта сплавов, имеющих химический состав, близкий к составу -фазы при значительной степени расплавления стали (табл. 3 и 4). Сплав 1 соответствует составу -фазы при сварке стали 20 и бронзы БрАМц9-2 с применением присадочной проволоки из бронзы марки БрАМц9-2. Сплав 2 соответствует составу -фазы при сварке стали АБ2 с бронзой БрА9Ж4Н4Мц1 с применением присадочной проволоки из бронзы марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. Сплав 3 соответствует составу -фазы при сварке стали 20 с бронзой БрА9Ж4Н4Мц1 с применением присадочной проволоки из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2.

Таблица Химический состав сплавов воспроизводящих состав -фазы Маркировка Содержание элементов, % сплава Cu Al Si Mn Ti Ni C Fe 1 7,7 4,05 0,21 0,33 - - 0,26 ост.

2 4-6 4-5 - 0,6-0,7 - 4-5 0,26 ост.

3 3,31 3,5 0,92 0,57 0,51 11,4 0,28 ост.

Таблица Механические свойства бронзы и сплавов воспроизводящих состав -фазы № сплава, КСU, НV, в, 0,2, 5,, бронза Дж/см2 МПа МПа МПа % % 1 570-654 543-578 0-2,3 0-3,5 2-5 2560-596 559 1,1 0,7 4 2 629-813 - - - 2 - 3 4100-787 2,5 3 707-891 - - - 5-6,1 4370-835 5,8 БрА9Ж4Н4Мц1 590 250 12 - 29 1800- Исследования показали, что либо образцы с составом -фазы разрушались хрупко, либо полученные значения пластических свойств (, ) металла -фазы (на примере сплавов 1-3) существенно ниже свойств применяемых материалов (в 6 и более раз). Значения ударной вязкости металла -фазы в 5-10 и более раз ниже значений ударной вязкости применяемых материалов.

Выполнены исследования по изучению влияния изменения содержания алюми ния в сплавах с составом, близким к составу матрицы металла шва при пониженной степени расплавления стали, на их свойства путем выплавки и испытания соответствующих образцов (табл. 5).

Таблица Химический состав сплавов воспроизводящих состав матрицы металла шва и их механические свойства № Содержание элементов, % Механические свойства Al Ni Fe Mn Cu В, МПа 0,2, МПа 5, %, % 1 7,3 5,0 5,0 0,7 ост. 596-617 246-254 56-61 50-52,2 8,2 5,0 5,0 0,6 ост. 664 276 40,7 31,3 8,5 5,0 5,0 1,0 ост. 708 343 32 26,Исследования показали, что снижение содержания алюминия приводит к существенному снижению временного сопротивления сплавов, что не может не сказаться на свойствах всего сварного соединения в целом (они должны снизиться).

Исследования показали, что повышение степени расплавления стали при сварке приводит к снижению временного сопротивления сварных соединений алюминиевых бронз со сталями (табл. 6).

Таблица Временное сопротивление сварных соединений бронзы со сталью Сталь Бронза Сварочная Варианты сте- Место разв, проволока пень расплав- МПа рушения ления стали 3 573-644 шов, бронАБ2 БрА9Ж4Н4Мц1 БрАЖНМц (пониженная) 623 за 8,5-4-5-1,5 2 547-636 шов (средняя) 1 527-618 шов (значительная) Уменьшение временного сопротивления сварных соединений алюминиевых бронз со сталями с увеличением степени расплавления стали в исследованных пределах вызвано обеднением -фазы (матрицы) металла шва такими упрочняющими элементами как алюминий и никель (табл.1) в результате их перехода в образующуюся в металле шва -фазу (табл.2).

Увеличение степени расплавления стали приводит к снижению ударной вязкости сварных соединений алюминиевых бронз со сталями (табл. 7) из-за увеличения в металле шва количества -фазы (особенно в зоне сплавления сталь-шов, рис.1), кото рая характеризуется высокими твердостью и временным сопротивлением, повышенной хрупкостью и низкой пластичностью и ударной вязкостью (табл. 4).

Таблица Ударная вязкость сварного соединения бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 со сталью АБ2, сваренного с присадкой БрАЖНМц8,5-4-5-1,Степень рас- КСV (Дж/см2) при надрезе по плавления стали границе сплавле- центру шва границе сплавле(вариант) ния сталь-шов ния шов-бронза 29,6-39,2 48,9-50,6 48-33,6 49,7 17,9-20,3 41,2-44,5 45-18,7 43,2 7,5-13,2 39,0-40,7 46-10,7 39,8 Наиболее низкие значения ударной вязкости имеют участки сварного соединения в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью.

Установлена количественная зависимость ударной вязкости и характера разрушения образцов сварных соединений от содержания железа в зоне переменного состава металла шва у границы со сталью (рис 4).

4 14 24 34 44 54 64 74 содержание железа,% Рис.4. Зависимость ударной вязкости (Дж/см2 ) металла шва в зоне переменного состава у границы со сталью от содержания в ней железа При содержании менее 16% железа (25% -фазы по площади) в металле шва ударная вязкость сварного соединения при надрезе по границе сплавления сталь-шов составляет 29-39 Дж/см2, а характер разрушения образцов преимущественно вязкий.

ударная вязкость ( KCV) С повышением содержания железа в металле шва и количества -фазы в нем его ударная вязкость понижается, а характер разрушения образцов изменяется от вязкого к хрупкому.

Таким образом установлено, что при обеспечении пониженной степени расплавления стали, при которой содержание железа в металле шва не превышает 16% (площадь -фазы не превышает 25%), временное сопротивление и ударная вязкость сварных соединений находятся на уровне свойств бронзы.

Глава 4. Разработка технологии сварки алюминиевых бронз со сталями и ее освоение С целью обеспечения временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями на уровне свойств бронзы разработаны два новых технологических процесса сварки, обеспечивающих пониженную степень расплавления стали.

При сварке по первому варианту предварительно на стальную кромку или на поверхность стальной детали (при сварке тавровых) соединений наплавляется подслой из медного сплава. Наплавка подслоя осуществляется по известной технологии (плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой или аргонодуговым способом полунезависимой дугой), обеспечивающей минимальное проплавление стали, для наплавки подслоя применяется проволока того же состава, которая предусмотрена для выполнения сварки стали с бронзой.

Разработаны конструктивные элементы подготовки кромок под сварку, обеспечивающие отсутствие расплавления стали при сварке, а также при заварке корня шва после его выборки (рис.5, а). Наплавленный подслой должен иметь толщину не менее 3мм. Такая толщина подслоя предотвращает расплавление стали при сварке ее с бронзой (рис.5, б). В той части подслоя, где в процессе последующей сварки будет находиться корень шва, его толщина увеличивается до 5-6 мм на высоту 4-5 мм. Если на подслое не будет выступа толщиной 5-6 мм, то в процессе выборки корня шва подслой будет полностью снят или утончен до толщины 2 мм, что приведет в процессе заварки корня шва к контакту сварочной дуги со сталью, и следовательно, к значительному ее расплавлению и к переходу большого количества железа из стали в шов.

а б в г Рис.5. Разделка кромок под сварку и схема процесса сварки:

а- разделка кромок при технологии сварки по варианту 1 с предварительно нанесенным подслоем (где 1- наплавленный подслой); б- процесс сварки по варианту 1;

в- разделка кромок при технологии сварки по варианту 2; г- процесс сварки по варианту После наплавки промежуточного слоя на сталь выполняется сварка подслоя с бронзой. На разработанный «Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями» получен патент РФ на изобретение №2325252.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»