www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатационные свойства металлов и сплавов зависят от напряженного состояния, температуры, эрозионного воздействия внешней среды, облучения и других факторов. Создание сплавов, хорошо сопротивляющихся всем этим воздействиям, во многих случаях невозможно или не оправдано с экономической точки зрения. Учитывая высокие требования к современным материалам и неоднородность внешнего воздействия на отдельные части изделий, целесообразно использовать композитные материалы и конструкции, сваренные из разнородных металлов и сплавов.

В СССР и за рубежом освоено производство многих видов биметаллических полуфабрикатов. Методом совместной прокатки сваривают: 1) крупногабаритные листы с плакирующим слоем из коррозионностойких сталей, титана, меди, латуни, монеля, никеля для нефтехимической аппаратуры и различных емкостей; 2) полосы с износостойким слоем для горных, металлургических, землеройных машин, тепловозов, режущего инструмента; 3) биметаллическую ленту из малоуглеродистой стали с антифрикционными сплавами для подшипников скольжения; 4) листы и ленты из малоуглеродистой или нержавеющей стали с алюминием и сплавами на его основе для штамповки деталей емкостей, переходников, деталей электронно-вакуумных приборов, криогенной техники, облицовки и т. д.; 5) полностью или локально плакированные листы, полосы и ленты алюминий + медь для электрических машин, теплообменной аппаратуры и др.; 6) плиты и листы из алюминиевых сплавов с гонким плакирующим слоем алюминия для химического и транспортного машиностроения; 7) ленты и полосы из сочетания различных цветных металлов и сплавов Аu+бронза, Аu или Ag+латунь, слоистые полосы припоя, Ti+сталь, термобиметаллы, Ti+Fe+Al и др. для изготовления деталей приборов; 8) ленты и полосы с плакирующим слоем из тугоплавких металлов и сплавов на их основе для изделий, работающих при высокой температуре.

Методом совместного экструдирования (прессования) разнородных металлов получают биметаллические трубы Cu+сталь, А1+алюминиевые сплавы, Ni+сталь, а с помощью волочения — биметаллическую проволоку сталь + Cu, сталь+Al, Ag+Cu, Ni+Cu и др.

Плоские и трубчатые биметаллические полуфабрикаты для дальнейшей прокатки, волочения или вырезки готовых изделий получают сваркой взрывом из сочетаний многих материалов, перечисленных выше.

Сварка разнородных металлов (прессовая, диффузионная в вакууме, трением) широко внедряется на машиностроительных заводах. Например, за последние годы разработаны методы сварки крупногабаритных деталей из Cu+сталь для металлургического оборудования, двухслойных валков и штамповых кубиков из высоколегированной и углеродистой стали, биметаллических роторов высокооборотных электрических машин, бронзовых вкладышей со ступицей зубчатых колес планетарных редукторов, трубчатых переходников из Аl+сталь, Mg+Ti, а также различных деталей из композиций: Cu+W, Ti+Mo, Ni+Mo, Та+сталь, Ti + Nb, Mo+Pt, Mo+сталь X18H10T, Ag+Fe, Al + Pd, Nb+сталь, Mo+W, 0Т4+бронза Бр.ХОД сплав Pd—Cu или сплав Аu—Ni, или Аu + бронза Бр.ОФ6,5-0,15, W+сплав W—Re, Cu+сталь Х17, ковар+Cu, Мо+сталь 1X17, Аl+малоуглеродистая сталь и др.

Одновременно с расширением сортамента повышаются требования к качеству биметаллических соединений. Кроме высоких механических свойств в состоянии поставки, часто необходимо обеспечить сохранение свойств соединения при нагреве (Al+Fe, Ti+Fe и др.), избежать поглощения газов при изготовлении биметалла (лента Al+Fe+Ti, листы Ti+сталь и др.), получить тончайший слой плакировки (до 5—10 мкм Аu, Ag и др.), обеспечить вакуумную плотность (Al+Fe, Mg+Ti), ограничить взаимодиффузию элементов (фольга Ta+Nb+Ta) и т. п.

Между тем сварка разнородных металлов и сплавов — сложный механический и физико-химический процесс, состоящий далеко не только из сближения атомов металла на расстояния межатомного взаимодействия. С помощью современных методов структурных исследований и моделей взаимодействия атомов вещества удалось объяснить многое в этом процессе и правильно поставить задачу теоретического расчета сварки разнородных металлов. С этой целью оправдано деление процесса сварки на элементарные процессы: 1) физической адсорбции, т. е. образования контакта между фазами; 2) химического взаимодействия — активации атомов поверхности и трансляции связей через межфазную поверхность контакта; 3) диффузии — переноса вещества через поверхность соединения с соответствующим изменением его свойств и структуры.

Последовательное применение уравнений, описывающих кинетику этих элементарных процессов, принципиально позволяет рассчитать уровень ожидаемой прочности по заданной продолжительности, температуре, давлению и параметрам, характеризующим состояние материалов во время сварки. Многие из этих параметров, например энергия активации, известны только для чистых металлов с определенным типом решетки при малой скорости деформации и интенсивности напряжений. Точные расчеты режимов сварки, как правило, невозможны, однако можно оценить порядок исследуемых величин, наметить оптимальные условия сварки, структуру переходной зоны, промежуточные материалы и способы подготовки поверхности перед сваркой.

Недостаточно исследованы свойства биметаллических материалов, в частности влияние исходной структуры, нагрева, размеров отдельных зон, формы сварного соединения, наличия дефектов и т. д., на свойства соединений. Не в полной мере используются слоеные металлические полуфабрикаты для получения гомогенных материалов со специальными свойствами.

В предлагаемой книге рассмотрены физико-химические закономерности образования соединений, структура и кинетика формирования переходной зоны соединения, свойства биметаллических соединений и другие, связанные с этими явлениями смежные вопросы. В качестве объектов выбраны чистые металлы, а также промышленно важные стали и сплавы. При этом использованы данные отечественных и зарубежных исследований последних лет, а также материалы исследования авторов, выполненные ими в Проблемной лаборатории диффузионной сварки в вакууме, в ЦНИИЧМ и МИСиС.

Главы I—V написаны К. Е. Чарухиной и В. А. Мастеровым, в том числе IV и V совместно с Н. Ф. Казаковым, главы VI—VII написаны С. А. Голованенко.

Назад, на страницу описания