Техника наплавки алюминия бронзы на сталь

Существующие теории трещинообразования при наплавке бронзы на сталь

Несмотря на многочисленные исследования межкристаллитного проникновения, до сих пор нет единого взгляда на механизм последнего. В статьях [23, 24] указывается, что на поверхности кристаллизующейся стали в результате действия упругопластических деформаций растяжения образуется микрощель. Вследствие капиллярного эффекта в неё проникает жидкая медь. В устье микрощели она вызывает дополнительное давление на стенки щели, что приводит к развитию микро надрыва, к образованию трещины большей длины, в которую и проникает жидкая медь.

В работах [25, 26] сделан вывод, что механизм межкристаллитного проникновения имеет диффузионную природу. Есть предположение, что межкристаллитное проникновение является результатом растворения (коррозии) металла под напряжением [27].

В работе [28] высказано мнение, что межкристаллитное проникновение происходит в следствие адсорбционного эффекта.

С позиций предложенных механизмов трудно объяснить все особенности межкристаллитного проникновения. В зависимости от состава медного сплава и стали, глубина межкристаллитного проникновения изменяется от нуля до десятков миллиметров, не смотря на то, что коэффициент диффузии меди в ферритную и аустенитную сталь практически одинаков. Концентрация элементов в начале и конце межкристаллитного проникновения не изменяется, что не характерно для диффузионного процесса. Скорости растворения стали в монель - металле и оловянных бронз близки, а межкристаллитное проникновение отсутствует при наплавке монель - металла и имеет максимальную глубину при наплавке оловянных бронз.

Следовательно, межкристаллитное проникновение нельзя объяснить диффузионными процессами или растворением стали в жидких сплавах.

Рассмотрим возможность межкристаллитного проникновения в результате действия эффекта Ребин&ера. Известно, что эффект адсорбционного понижения прочности металлов проявляется при наличии максимальных растягивающих и скалывающих напряжений, хорошего смачивания поверхности твердого металла жидким, малой растворимости жидкого металла в твердом [29].

Для установления механизма межкристаллитного проникновения необходимо учитывать следующие факторы: могут ли возникать зародышевые трещины в стали при высоких температурах и как они образуются; наблюдается ли в сталях в контакте с жидкими медными сплавами эффект потери прочности и пластичности и зависит ли он от состава сталей и медного сплава, температуры и прочего; когда возникают и как растут напряжения в стали в процессе наплавки; как развивается проникновение.

Исследования механических свойств сталей в участках, контактирующих с расплавами медных сплавов, показало, что в интервале от 1250 °С до температуры затвердевания сплавов в сталях наблюдается эффект абсорбционного понижения прочности и особенно пластичности.

При температурах выше 1250 °С этот эффект отсутствует. В то же время установлено, что прочность и пластичность сталей ферритного и аустенитно - ферритного классов на воздухе и покрытых расплавом жидких медных сплавов во всем рассматриваемом диапазоне температур находится на одном уровне.

Следовательно, эффект Ребиндера в сталях аустенитного, перлитного и ряда других классов, контактирующих с жидкими медными сплавами, может проявляться только в узком интервале температур (ниже 1250 °С) при наличии в стали растягивающих напряжений. В работе [30] показано, что при сварке стали напряжение при охлаждении возникают, начиная с 1250... 1220 °С. При этом напряжения в аустенитных сталях растут интенсивнее, чем в сталях перлитного класса. Таким образом, обнаруживаемое в сталях аустенитного, перлитного, мартенситного и ряда других классов межкристаллитное

проникновение в сталь медных сплавов может быть объяснено эффектом % Ребиндера. '

Эффект Ребиндера - понижение прочности твердых тел в абсорбционно­активной среде вследствие физического и химического взаимодействия в поверхностном слое.

Возникновение зародышевой микротрещины в работах [23,24] связывают с образованием микротрещин в кристаллизующейся стали, в которые и проникает жидкая медь. Однако, межкристаллитное проникновение происходит и в том случае, когда сталь не расплавляется, т. е. в ней могут появиться микротрещины. Можно предположить, что на поверхности стали уже имеются готовые зародыши микротрещины, куда и проникает жидкий медный

%

сплав. Исследование поверхности стальных пластин перед наплавкой на них медных сплавов не выявили в них готовых микротрещин, а в наплавленных пластинах межкристаллитное проникновение имело место. Следовательно, предположение, что причиной зародышевых микротрещин являются готовые микротрещины на поверхности стали, не подтверждается.

В работе [28] указывается, что зародышевая трещина в стали при взаимодействии с жидкими медными сплавами образуется в результате создания в поверхностном слое области устойчивых препятствий для выхода дислокаций на поверхность. Из-за этого в процессе деформирования возникают * области локализованного сдвига с высокой концентрацией нормальных и

касательных напряжений в голове скопления дислокаций перед препятствием. В результате образуется устойчивая зародышевая трещина. При выходе трещин в зону, контактирующую с жидким металлом, последний смачивает поверхности трещин, что приводит к возникновению на них областей искажения решетки. Однако при сварочных процессах такой механизм образования зародышевых трещин в стали вряд ли может иметь место. В работе [31] было показано, что при взаимодействии с расплавами медных сплавов твердая сталь интенсивно растворяется в расплаве, причем скорость этого » процесса существенно выше скорости диффузии медных сплавов в сталь.

Поэтому если даже предположить, что при высоких температурах (1300 °С) t| устойчивые препятствия движении[1] и выходу дислокаций на поверхность стали

и могут возникнуть, то они тут же должны раствориться в расплаве медного сплава.

Можно предположить, что зародышевая микротрещина в стали образуется в результате растворения стали по границам зерен. Исследования стальных образцов при 1100... 1350 °С, на установках ИМАШ-5С и ИМЕТ-1 с нанесенным на поверхность стали расплавами медных сплавов при отсутствии, каких бы то ни было напряжений, а так же стальных образцов, погруженных в расплавы медных сплавов, показали, что в этих случаях идет процесс растворения стали как с ее поверхности, так и по границам зерен. Поскольку к

* образцу не приложены напряжения, в нем невозможно появление эффекта Ребиндера. Глубина растворения стали по границам зерен в исследуемых образцах составляет 5...50 мкм.

Большая глубина растворения не наблюдается, так как при полном растворении по границам зерно или группа зерен переходят в расплав, и процесс растворения по границам зерен начинается снова. В результате растворения в стали происходит неглубокое межкристаллитное проникновение, которое можно рассматривать как образование зародышевых трещин. При сварочных процессах к моменту возникновения в стали напряжений и к началу

* появления адсорбционного эффекта (охлаждение стали до 1250.. .1220 °С) в ней уже могут существовать зародышевые трещины глубиной до 5...20 мкм. Можно предположить, что в вершине зародышевой микротрещины в условиях проявления эффекта адсорбционного понижения прочности и пластичности под действием возрастающих сварочных напряжений происходит разрыв атомных связей, и образование трещины в стали, в которую затекает расплав медного сплава; последнему может способствовать капиллярный эффект. Если расплав достигает вершины образовавшейся трещины, а его температура все еще выше температуры затвердевания, может произойти дальнейшее развитие трещины и ее заполнение расплавом. Трещина в этом случае развивается скачкообразно.

Можно представить и другой механизм распространения трещины в стали. В вершине зародышевой трёщины в стали происходит разрыв атомных связей и образование новых связей между атомами стали атомами расплава медного сплава. Под действием сварочных напряжений растяжения трещина у вершины постепенно раскрывается и растет, пока к ее вершине поступает расплав. В пользу этого механизма говорит тот факт, что почти во всех случаях в конце межкристаллитного проникновения отсутствуют пустоты, которые наблюдаются, например, в тех случаях, когда на поверхностях стали имеются трещины, глубокие и узкие раковины и т. д. Кроме того, в результате изменяющихся теплофизических условий толщина диффузионной прослойки, образующейся в стали у границы с металлом межкристаллитного проникновения, постепенно уменьшается. Если бы сначала образовывалась трещина, а затем в нее затекал расплав, то теплофизические условия были бы неизменными по всей длине проникновения (или, по крайней мере, вдоль каждого из участков металла проникновения), и толщина диффузионной прослойки в стали была бы также одинакова.

Таким образом, проведенные исследования позволяют следующим образом сформулировать механизм образования межкристаллитного проникновения рис. 1.2. [32].

При взаимодействии стали с расплавом медного сплава в интервале от температуры нагрева медного сплава до 1220... 1200 °С (рис.1.2,а), когда сварочные напряжения в стали практически отсутствуют (рис. 1.2,6), а эффект потери прочности и пластичности еще не наступил (рис. 1.2,в), в результате растворения границ зерен в стали происходит межкристаллитное проникновение глубиной от 2...20 мкм (рис. 1.2,г), которые можно рассматривать как зародышевую микротрещину. Ниже температур 1220... 1200 °С в стали под действием сварочных напряжений растяжения и в условиях проявления адсорбционного эффекта понижения прочности и пластичности стали, контактирующей с расплавами медных сплавов [33], в вершине зародышевой микротрещины разрываются атомные связи. Образовавшаяся

L

трещина раскрывается со скоростью поступления к ее вершине расплава медного сплава. После завершения кристаллизации между металлом межкристаллитного проникновения и сталью образуется прочная металлическая связь.