Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 [ 143 ] 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170

тектику (А1 + РеА1з, Гпл = 654 °С, содержание железа в металле 1,8 %)• Растворимость железа в твердом состоянии ограничивается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%, т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпадают кристаллы соединения FeAls (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление РеА1з и РегАЬ. Они обладают низким пределом временного сопротивления (15-17 МПа). Твердость FegAls, РеАЬ и FeAU лежит в диапазоне р,„ = 9600-11500 МПа. С увеличением содержания железа и с повышением температуры твердость снижается. Для FeaAl iio = 2700 МПа. Разупрочнение FeAla и Fe2Al5 начинается при температуре 0,45 Тпл- Для ЕегАЬ характерно аномально высокое значение удельного электрического сопротивления.

Интерметаллиды химически стойки. Последующая термическая обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны иитерметаллидов. В соединенпи имеют место три характерных участка: железо (сталь)-интерметал-лидная зона -алюминий (алюминиевый сплав). Механические свойства соединений зависят от промежуточной зоны - ее состава, количества иитерметаллидов, их формы, протяженности, характера расположения и сплошности.

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисиая пленка (АЬОз имеет Тпл = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положительных результатов: флюсы для сварки алюминия легкоплавки, жидкотекучи, плохо смачивают стали; флюсы для стали активно реагируют с расплавленным алюминием.

Характер диффузионных процессов при сварке в твердой фазе алюминия с железом и сталью на начальной стадии взаимодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в начальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз РеА1з + Ре2А15. В дальнейшем при температуре, соответствующей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диффузия алюминия в сталь [3, 8]. Скорость этого процесса зависит от химического состава материала контактирующих заготовок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт иитерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий - железо наблюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: y - 2kix, где ki - величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюминия через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мп и другими элементами, а стали - V, Ti, Si и Ni ведет к повышению энергии активации реакционной диффузии. Их влияние связано с затруднением образования зародышей в промежуточной фазе. Противоположное влияние оказывает С и Мп в стали. Повышенное содержание в определенных пределах в стали свободного кислорода и азота ведет к росту температуры начала образования ннтерметаллидов. Возникновение ин-терметаллидного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т. е. имеет место латентный период (то), по прошествии которого идет интенсивное образование ннтерметаллидов. Его зависимость от температуры имеет вид [8]

То = 6,0 10-"ехр (192,3/;?Г).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с расплавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется РегАЬ, а со стороны алюминия - РеЛЬ.

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алюминиевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет более сложный характер и в ее образовании участвует Сг и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные механические свойства лишь до образования сплошного слоя ин-терметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраняется при определенном температурно-временном воздействии. Верхний температурный порог для биметаллических изделий из рассматриваемого сочетания материалов составляет 500- 520 X.

Основными путями получения работоспособного соединения алюминиевых сплавов со сталями являются следующие:

ограничение протяженности слоя интерметаллидных прослоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими образование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования ннтерметаллидов на 40-60 °С выше температуры рекристаллизации стали. Этот путь может быть с успехом использован при сварке в твердой фазе.

Различия в пластических свойствах и твердости позволяют успешно применять для рассматриваемого сочетания материалов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметаллических стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500-600 °С. Предусматривают меры по защите стали от окисления. Высокие механические свойства со-

единения получаются при использовании покрытий из цинка на поверхности клина.

Диффузионная сварка ведется при температуре 425-495 °С (время до 10 мин, сварочное давление 210-310 Па). Поверхность заготовки из стали покрывается слоем N1 и W. Последний с алюминием способен образовывать эвтектику. При этом температура сварки должна быть ниже температуры образования эвтектики.

Ультразвуковая сварка позволяет получать нахлесточные, точечные и шовные соединения на тонких заготовках. Колебания подаются со стороны алюминия. Толшина алюминия ограничивается величиной порядка 1,0-1,25 мм.

Сварка трением позволяет получать высокого качества соединения, равнопрочные алюминиевому сплаву в отожженном состоянии. В процессе сварки температура в стыке быстро достигает своего максимума и затем стабилизируется. При сварке аустенитной стали 12Х18Н10Т с АД1 продолжительность латентного периода для температуры 660 °С, что близко к развиваемой в стыке, составляет 100-120 с. Продолжительность сварки ~ 10 с. Поэтому интерметаллидная фаза не успевает образоваться в сколько-нибудь значительных количествах. С другой стороны, непрерывно идущая осадка (главным образом за счет алюминия) способствует получению чистого от иитерметаллидов шва (суммарная осадка ~14 мм).

При наличии в алюминиевом сплаве магния продолжительность латентного периода резко сокращается. Поэтому алюминиевые магниевосодержащие сплавы сваривают на режим.ах, обеспечивающих температуру в стыке не выше 500 °С.

Сварка взрывом таких материалов требует применения барьерного слоя, который наносится на стальную заготовку. Этим способом получают слоистые листы и ленты.

Широкое применение получила сварка прокаткой, которая позволяет регламентировать температуры нагрева зоны соединения. Таким способом в промышленных масштабах сваривается 12Х18Н10Т + АМг6; армко-железо +АМг5 и другие сочетания.

При сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарождения и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным является смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта расплава со сталью прибегают к легированию шва и нанесению покрытий на поверхность стальной заготовки (цинковое, цин-ко-никелевое - как наиболее технологичное и недорогое). После смачивания идет процесс растворения железа в жидком алюминии. Установлено, что образующаяся в процессе растворения фаза РегАи может переходить в расплав в виде кристал-