СВАРКА разнородных металлов и сплавов

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Важным показателем свойств сварных соединений из разнородных металлов с различными физическими свойствами является устойчивость сварных соединений в агрессивных средах. Как известно, контактирующие металлы совместно с жидкой средой представляют собой элементарную ячейку, которая является источником слабого электрического тока. При наличии тока происходит электролитическое раст­ворение менее благородного из металлов. На интенсивность коррозии влияет физико­химическая природа обоих металлов и поверхностных пленок, величина относитель­ных электродных потенциалов, относительная площадь поверхности взаимодейству­ющих металлов, электропроводимость жидкой среды, электролита и электрическое сопротивление всей ячейки в целом.

Представление о степени опасности скорости контактной коррозии можно со­ставить, сопоставляя значения потенциалов металлов. Значительный ущерб может приносить электролитическая коррозия в том случае, когда два взаимодействующих металла далеко отстоят друг от друга в ряду потенциалов растворения (табл. 43).

Интенсивность разрушения пропорциональна разности потенциалов между соединяемыми металлами, причем коррозии подвержен в основном анодный материал (т. е. материал с более высоким потенциалом). Коррозия возрастает, если омываю­щая металлы влажная среда является хорошим проводником электричества, например представляет собой такой электролит, как морская вода. Коррозия возрастает, если площадь поверхности более благородного металла во много раз превосходит площадь поверхности менее благородного, например при креплении медных листов с помо­щью алюминиевых заклепок.

Имеющиеся в литературе немногочисленные данные о коррозионных свойствах сварных соединений разнородных металлов довольно противоречивы. Вместе с тем отсутствие таких данных препятствует широкому внедрению конструкций из разно­родных металлов.

Режимы коррозионных испытаний сварных соединений стали с медью

и ее сплавами

В работе [136] приведены обзор и анализ имеющейся по этому вопросу отече­ственной и зарубежной информации. Установлено, что коррозионная стойкость раз­нородных соединений зависит от многих факторов, учет которых в реальных усло­виях эксплуатации и надлежащие меры защиты позволяют повысить долговечность конструкций. Рассмотрим имеющиеся данные по коррозионной стойкости сварных соединений наиболее характерных пар металлов.

Коррозионные испытания сварных соединений из биметаллов сталь 10 — брон­за БрОЦ4-3, сталь 10 — медь МЗр, сталь 10 — латунь Л90 в различных средах производились как в лабораторных, так и в производственных условиях (табл. 44). Продолжительность лабораторных испытаний в основном составляла не менее 1000 ч, а производственных — не менее 1500 ч. Выбор в качестве основной среды уксусной кислоты был обусловлен тем, что наиболее коррозионно-активными средами, для которых изготовляется аппаратура из меди и ее сплавов на заводах химического машиностроения, являются уксусная кислота и уксусный ангидрид. Результаты кор­розионных испытаний сварных соединений биметалла сталь 10 — медь МЗр и сталь 10 — латунь Л90 показали, что металл шва по коррозионной стойкости превосходит основной металл (рис. 91).

Коррозионная стойкость сварных соединений с бронзовым плакирующим слоем в уксусной кислоте после ручной дуговой сварки соответствует коррозионной стой­кости основного металла; при автоматической сварке она несколько ниже. Бронзо­вые швы иногда склонны к структурной коррозии, однако при рациональной техно­логии сварки это явление не наблюдается.

Интенсивность контактной коррозии алюминиевых сплавов с другими металлами зависит от среды, в которой они находятся. Медь и сплавы на ее основе, безусловно, явлются одними из наиболее опасных. Отмечается [156], что скорость растворения алюминиевых сплавов значительно возрастает не только в результате прямого контакта в жидкой среде, но и при попадании воды, предварительно омывающей медь, на поверхность алюминия. Однако в сухой атмосфере, например в отапливае-

Рис. 91. Изменение скорости коррозии сварных соединений из биметалла:

О — основной металл; А — ручная сварка; Д — автоматическая сварка

емом помещении, контакт алюминия с медью практически не отражается на скорости кор­розии. Это доказано опытом эксплуатации мест контакта алюминиевых электрических шинопроводов с медными, достаточно ши­роким применением алюминия, плакиро­ванного медью.

Обычно при контакте в различных сре­дах необходимо защищать не только алюми­ний, но и сталь. Чаще всего это приходится делать при работе конструкции в морской воде, где защиту осуществляют покрытиями.

Прямая зависимость коррозии в контакте со сталью от засоленности была установлена в морской атмосфере. Потери при контакте со сталью были даже несколько больше, чем при контакте с бронзой. Контакт сплавов АМг2, АМцЗ, АМц, АМгб, В92 со сталью усиливал коррозию этих сплавов примерно в 1,5—3 раза.

Степень контактной коррозии алюми­ниевых сплавов с коррозионно-стойкой сталью зависит от марки стали. Разность потенциалов алюминия и стали достаточно

велика, но вследствие сильной поляризации контакт их во многих средах мало вли­яет на коррозию в пресной воде. В морской воде контакт опасен. В растворах хло­ридов сплавы АМц, ЛМгб, АМгб почти также быстро растворяются в контакте со сталью 12Х18Н10Т, как и с латунью Л63. Скорость растворения лишь несколько ниже той, которая наблюдается при контакте с медью. Потери массы алюминиевых сплавов в морской воде в контакте с рядом коррозионно-стойких сталей сильно за­висят от соотношения площадей контактирующих металлов [128, 136]. При площади стали, равной 8—10 % площади алюминия, растворения последнего не наблюдается. При увеличении площади стали происходит сильное разрушение алюминия.

Цинк и цинковые покрытия на стали защищают алюминий в контакте с ними. В зависимости от типа атмосферы алюминиевые сплавы в контакте с оцинкованной сталью могут быть и катодом и анодом. В морской атмосфере в течение шести лет контакт алюминия с гвоздями из стали оказался практически не опасным, в то же время сплав типа Д20 был сильно поврежден. В промышленной атмосфере оба сплава подвергались коррозии с относительно небольшой скоростью.

Кадмий и кадмиевые покрытия также защищают алюминий. Кадмий более стоек в морской атмосфере, чем цинк. Никель и никелевые покрытия в ряде сред способ­ствуют интенсивной коррозии алюминиевых сплавов; хром и хромовые покрытия во многих случаях не способствуют значительному усилению коррозии алюминия. В контакте с хромированной сталью алюминиевые сплавы в большинстве пресных вод и морской атмосфере достаточно стойки. В контакте с оловом алюминий подверга­ется несколько большей коррозии, чем в контакте с хромом. Потери массы при кон­такте алюминия с оловом примерно на порядок больше, чем при контакте алюминия с цинком. Сплав состава 75 % Sn, 25 % Zn хорошо защищал сталь в промышленной атмосфере в течение девяти лет. Свинец в контакте с алюминием не вызывает корро­зии в малоагрессивных средах. Аналогичная картина наблюдается в морской ат­мосфере. Соединения А1—РЬ не подвергались значительной коррозии при эксплу­атации в течение 37 лет. Однако в воде, в грунтах контакт с ним является опасным. Сильную коррозию алюминия в морской воде вызывают лакокрасочные покрытия, содержащие свинец, медь, ртуть. Чрезвычайно опасен контакт алюминиевых сплавов с ртутью и ее соединениями. Скорость коррозии алюминия при этом намного выше, чем в контакте с медью*

В контакте с титаном алюминиевые сплавы подвергаются коррозии также, как в контакте с коррозионно-стойкой сталью. Магний, имея значительно более электроотрицательный потенциал по сравнению с алюминием, защищает его. Силь­ную контактную коррозию алюминия вызывает графит, особенно в морской атмо­сфере. Контакт алюминиевых сплавов между собой, как правило, не изменяет ско­рость их коррозии. Однако сплавы с существенно различающимися потенциалами (например, алюминий, сплавы А1—Zn—Mg) в контакте со сплавом Д20 могут под­вергаться заметной коррозии.

Сварные соединения алюминий—медь, алюминий—латунь предназначены для работы в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, которые эксплуа­тируются в различных климатических условиях. Коррозия алюминия при контакте с медными сплавами локализуется на небольшой поверхности вблизи границы кон­такта металлов и носит межкристаллитный характер.

Были испытаны в различных коррозионных средах сварные соединения алю­миний А5—медь МЗр и алюминий А5—латунь ЛС59-1, выполненные аргонодуговой ручной сваркой вольфрамовым электродом и автоматической по флюсу АН-А1.

В качестве присадочных материалов применяли проволоку АДО и опытные про­волоки А1 + 10 % Zn и А1 + 10 % Si. Осмотр показал, что образцы разрушались по-разному. После испытаний в растворе 3 % NaCl + 0,1 % Н202 продукты кор­розии расположены главным образом в околошовной зоне со стороны меди и латуни. Образцы с соотношением площадей 1 : 12, сваренные опытными проволоками с до­бавками цинка и кремния, растрескивались по зоне сплавления. Швы, выполненные автоматической сваркой проволокой АДО, выгодно отличались от других; видимых разрушений на них не наблюдалось.

Сварные соединения алюминий—медь и алюминий—латунь, выполненные аргонодуговой сваркой проволоками АДО, А1 + Si и А1 + Zn при различных соот­ношениях площадей, склонны к коррозионным разрушениям по зоне сплавления. На образцах, выполненных автоматической сваркой проволокой АДО, незначитель­ная коррозия наблюдалась только по краю образца. Следовательно, швы, выполнен­ные автоматической сваркой по флюсу, являются более коррозионно-стойкими, чем те, которые выполнены аргонодуговой сваркой. Легирование швов кремнием и цинком не улучшает их коррозионной стойкости.

Для защиты сварных соединений алюминий—медь от коррозионных разру­шений необходимо применять различные гальванические покрытия и лаки.

На сварное соединение алюминий—медь,, двукратно обработанное в растворе ' цинката натрия, наносили цинк, медь, никель, кадмий, олово, медь—никель, ни­кель—медь—никель толщиной 10 мкм.

Кроме гальванических покрытий использовали лакокрасочные покрытия, лак Л-32 и БФ-2. На образцы, предварительно обезжиренные, лакокрасочные покрытия наносили в два слоя: первый — при нормальной температуре, второй — при темпе­ратуре 100—120 °С и выдерживали при этом в течение часа.

Образцы с гальваническими и лаковыми покрытиями испытывали в парах 3 %-ного раствора хлористого натрия при нормальной температуре в течение 2544 ч. Испытания показали, что цинковое и медное покрытия корродируют, на них наблю­дались продукты коррозии. Кадмий, никель, медь—никель, никель—медь—никель и лакокрасочные покрытия защищают сварные соединения от коррозионных разру­шений. На микрошлифах, выполненных из сварных соединений алюминий—медь с покрытиями, после испытаний в парах 3 %-ного хлористого натрия коррозия не наблюдалась.

Следовательно, сварные соединения алюминий—медь, выполненные авто­матической сваркой по флюсу АН-А1 с присадочной проволокой АДО, можно при­менять в атмосферных условиях. Покрытия никель—медь—никель, медь—никель, кадмий, лак Л-32 и БФ-2 полностью защищают сварные соединения алюминий — медь от коррозионных разрушений.

Поведение титана в коррозионных реакциях при электрическом контакте с дру­гими металлами изучено очень мало. Исследовано изменение электродного потенци­ала во времени для пары титан—медь в растворе соляной кислоты. В гальваниче­ской паре этого типа коррозии будет подвергаться преимущественно менее благородный металл. Степень этой коррозии зависит от силы гальванического тока, возникающего вследствие разницы электродных потенциалов пары ме­таллов.

Рис. 92. Изменение электродного потенциала (X) и гальванического тока (©) для гальванической пары Ті — Си, погруженной в раствор соляной кислоты при 25 °С

В гальванической паре ти­тан—медь разница в потенциа­лах между двумя металлами может быть изменена путем изменения состояния поверх­ности титана. Практически ти­тан может быть либо более, либо менее благородным по отноше­нию к меди, что можно обеспе­чить (рис. 92) путем соответст­вующей степени пассивации по­верхности титана. При аэри­ровании раствора соляной кис­лоты титан становится более благородным, чем медь, и происходит быстрое рас­творение меди. В отсутствии воздуха наблюдается непродолжительная пассивация, после которой начинается процесс коррозии титана, а гальваническая коррозия меди прекращается. Электрохимические явления в гальванической паре титан— медь осложняются пассивирующим действием ионов меди, возникающих в растворе, в результате коррозии меди при электродном потенциале титана.

Исследована коррозионная стойкость биметалла титан—сталь в сравнении со сварными соединениями из титана ВТ1—0 и коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т в условиях производства сульфата аммония. Установлено, что стойкость сварных соединений титан—сталь и титана практически одинакова (для биметалла 0,15 мм/год, для титана 0,13 мм/год), в то время как коррозионная стойкость сварных соединений 12Х18Н9Т составляет 3,5 мм/год [170].

По коррозионной стойкости в условиях производства сульфата аммония би­металл титан—сталь более чем в 20 раз превосходит сталь 12Х18Н9Т и может успе­шно применяться для изготовления оборудования, работающего в агрессивных средах, взамен титана и коррозионно-стойкой стали.

Результаты исследования коррозионной стойкости сварных соединений разно­именных титановых сплавов в растворе, содержащем 25 % хлористого аммония и 10 % азотнокислого натрия (при температуре кипения), и в 20 %-ной соляной кислоте (при температуре +60 °С) приведены в табл. 45.

В общем объеме выпуска стальных биметаллов в нашей стране около 80 % составляют коррозионно-стойкие и износостойкие биметаллы. Применение этих видов биметаллов даст возможность экономить большое количество никеля и других ценных легирующих металлов.

Таблица 45

Коррозионная стойкость разноименных сварных соединений и титановых сплавов ВТ 1-0, ВТ5, ВТ5-1

Коррозионная стойкость соединений разнородных сталей изучена на матёрййлах с коррозионно-стойким плакирующим слоем. Одной из основных причин, сдер­живающих широкое применение таких биметаллов, является большая трудоем­кость получения сварного соединения с необходимым комплексом свойств, и в пер­вую очередь с высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах со стороны плакирующего слоя.

Определение коррозионной стойкости сварного шва со стороны антикоррозион­ного плакирующего слоя сопряжено со значительными трудностями. Специфические условия сварки биметалла требуют получения информации о градиенте коррозион­ной стойкости шва по всей глубине плакирующего слоя. Существующие способы оценки коррозионной стойкости сварных соединений биметаллических материалов, предусматривающие испытания пластины плакирующего слоя со сварным швом при полном удалении основного некоррозионно-стойкого слоя, непригодны для опреде­ления градиента коррозионной стойкости сварного шва.

Авторы работы [160] предложили способ испытаний сварных соединений би­металлических материалов, позволяющий на одном образце получать информацию о коррозионной стойкости сварного шва по всей глубине плакирующего слоя.

В разработанной конструкции образца плакирующий слой вместе со швом сре­зан вдоль шва под углом от внутренней поверхности к наружной. Наличие среза на образце позволяет при небольшой толщине плакирующего слоя свести градиент коррозионной стойкости материала сварного шва по его глубине к изменению кор­розионной способности по длине образца.

Разработаны конструкции устройств, позволяющих без удаления основного слоя производить коррозионные испытания плоских и трубных сварных образцов. Приведены результаты коррозионных испытаний сварных образцов из биметалли­ческого соединения 12Х18Н10Т + Х40Н50М. Плакирующим слоем в указанном сочетании является сплав Х40Н50М. Плакирование стали 12Х18Н10Т сплавом Х40Н50М производили сваркой взрывом и путем выполнения шестислойной на­плавки при ручной аргонодуговой сварке с присадочным материалом из сплава Х40Н50М. Биметаллические пластины сваривали встык с V-образной разделкой кромок ручной аргонодуговой сваркой по двум вариантам: вариант I — заполне­ние 2/3 толщины основного слоя стали 12Х18Н10Т проволокой Св-02Х19Н9, наложе­ние переходного слоя заподлицо с нижними кромками плакирующего слоя прово­локой Св-10Х16Н25АМ6, окончательное заполнение разделки со стороны сплава Х40Н50М проволокой Х40Н50М6Г2; вариант II — сквозное заполнение разделки проволокой Х40Н50М6Г2. Из сваренных пластин вырезали диски диаметром 50 мм, на которых со стороны сплава Х40Н50М выполняли срез с уклоном 1 : 12 при тол­щине плакирующего слоя 4 мм. Изготовленные диски зажимали во фторопласто­вую обойму и испытывали в кипящем азотно-фторидном растворе в специальном сосуде из сплава Х40Н50М.

Показано, что использование при сварке биметалла разнотипных присадочных проволок создает заметный градиент распределения компонентов по высоте свар­ного шва и, как следствие этого, приводит к неравномерной коррозии сварного шва по глубине плакирующего слоя со значительными разрушениями при прибли­жении к основному слою.

Сварка биметалла с применением однородной проволоки практически исклю­чает образование градиента распределения легирующих компонентов по высоте шва, что и способствует сохранению повышенной коррозионной стойкости шва по всей глубине плакирующего слоя.