МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Основы производства и свойства никеля и его сплавов

Никель и его сплавы (Ni > 55%) обладают высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью, жаростой­костью, пластичностью и применяются в химической, нефтехимической, оборонной промышленности, энер­гетике, электронике и других отраслях. Никель входит в состав многих сталей и сплавов как легирующий эле­мент, а также применяется в качестве антикоррозион­ного покрытия или подслоя под покрытия из других металлов.

Сырьем для производства никеля являются никеле­вые или сульфидные медноникелевые руды, типа nNiO Si02*m Mg0Si02-H20 или сульфид NiS f 15]. Руды содер­жат примерно 1—7% Ni, 2,5% Си, а также примеси, час­то включающие в себя коб&пьт, платину, иридий и дру­гие элементы (Fe, Си, Мп, Si).

Обогащенную руду, содержащую до 75-80% Ni, вос­станавливают древесным углем. В таком черновом спла­ве содержится 99,2-99,6 (Ni + СО)%, 0,3—0,8% Fe и 0,4% Си. Дальнейшее электрическое рафинирование сплава (в водном растворе NiS04) позволяет получать никель, соответствующий требованиям стандарта (ГОСТ 849—70). Такой никель перерабатывается на

Полуфабрикаты (листы, полосы, прутки и проволоку) II і него изготовляются сплавы на никелевой основе.

Физические свойства чистого никеля приведены в і. ібл 17.1.

Таблица 17.J

Технический никель по ГОСТ 849—70 выпускается нескольких марок различной чистоты: от НО (99,99% Ni)

и) 114 (97,6% Ni).

И техническом никеле в качестве сопутствующих примесей содержатся Si, Mn, Mg, С и др.

І Ілиболее широкое распространение получили никс - і ;иые сплавы систем Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Cr-Fe, Ni-Fe и др. IU ' сплавы никеля разделены на 4 группы: конструкци­онные, термоэлектрические, жаропрочные и с особыми і иойствами.

К первой группе относятся медноникелевые спла­вы — монель, мельхиор, нейзильбер, выпускаемые по I ОСТ 492—73. Ко второй относятся сплавы типа хро­мо ні», алюмель, манганин, отличающиеся высоким V ісльньїм сопротивлением, большой величиной термо- I ц ктродвижущей силы, используемые для изготовле­ния термопар, компенсационных проводов, прецизион­ных приборов.

К третьей группе относятся нихромы (Ni-Cr-Fe), ха­рактеризующиеся более высокой жаропрочностью, ока - линостойкостью и электросопротивлением по сравне­нию со сталями и применяющиеся для изготовления электронагревательных приборов, малогабаритных со­противлений и т. д. Такие сплавы выпускаются по ГОСТ 5632—72 и ГОСТ 12766-67. К четвертой группе относят­ся сплавы с высокой магнитной проницаемостью (пер­маллой), упругостью (инвар, ковар), выпускающиеся по ГОСТ 10169—75 и ГОСТ 10994-76 и используемые для изготовления сердечников трансформаторов, магнито - проводов, реле, для деталей, не меняющих своих разме­ров при изменении температуры, для термобиметаллов, в стеклометаллических конструкциях и т. п.

Сплавы никеля с железом используются в сварных конструкциях, работающих в условиях высоких нагру­зок и температур эксплуатации (Т = 1100 °С) [15]. Напри­мер, для газопроводных систем, деталей двигателей, тур­бин широко используются сплавы ХН78Т, ХН77ТЮР. Основными легирующими в них являются Сг, Si (ока- линостойкость), Ті, А1, Со, Mo, Nb (жаропрочность).

Свариваемость и способы сварки

Сварка никеля и его сплавов затруднена вследствие их высокой чувствительности к изменению физических и механических свойств в зависимости от содержания примесей (Р, S) и повышения концентрации растворен­ных газов в металле шва. Последние вызывают порис­тость швов и «водородную болезнь» из-за резкого сни­жения растворимости 02,Н2, N и СО при понижении температуры жидкого металла и ограниченной возмож­ности выхода этих газов при кристаллизации шва. Наи­большее порообразование связывают с насыщением

220 '

Глава 17. Никель и его сплавы

и югом, особенно в присутствии кислорода. Металл шва весьма склонен к охрупчиванию благодаря образованию •мгектики Ni-NiO (Т|1Л= 1438 °С), располагающейся по ір. шицам кристаллитов при затвердевании сварочной и ніны и снижающей прочность границ зерен Поэтому ооеспечение надежной защиты зоны сварки от кисло­рода, применение основных и сварочных материалов высокой чистоты по примесям, раскисление и дегазация і варочной ванны являются основными условиями по­лучения качественных соединений при любых видах

i варки плавлением.

Кроме указанного существенно затрудняют сварку никеля кристаллизационные трещины, вызываемые ш»ра юванием легкоплавких эвтектик типа Ni3S:-Ni (ТГ1Л ■ 645 °С) и Ni3P-Ni (Тп^і= 880 °С). Пластичность такого металла шва становится исчезающе малой. Глубина и

• і орость проникновения серы в никель зависят от тем­пературы нагрева участка сварного соединения. При I 400 °С проникновение серы в никель почти не на-

ii подается, а при Т > 400 °С сера интенсивно взаимодей - С шуст с никелем (особенно чистым). Сульфид никеля M, S2 образуется даже при кратковременных контактах материалами и средами, содержащими небольшие ко - ппества серы (масло, жиры, краски, горючие материа­лы). В связи с этим необходимо ограничивать содержа tin* ї серы и фосфора (<0,03% S и <0,04% Р по массе), в основном и сварочных материалах, и обеспечивать мімплексное легирование шва (например, марганцем).

Из-за низкой теплопроводности никель и никелевые і н (Лны при сварочном нагреве склонны к росту зерна, •по снижает пластические и прочностные характеристи-

• н шва. Снижение роста зерен достигается введением в ванну модификаторов (Ті, Mo, А1) и ограничением по­питой энергии сварки. Химический состав шва за счет ■юполнительного легирования (через электродный

221

металл), как правило, должен отличатся от состава ос­новного металла, так как без этого невозможно достичь необходимых механических характеристик шва.

При сварке сплавов системы Ni-Cu (монель-металл) основным затруднением является повышенная литейная усадка металла шва, что приводит к горячим трещинам, а при сварке сплавов системы Ni-Cr (нихром) появля­ющаяся окисная пленка Сг203 затрудняет формирование шва, увеличивает вероятность образования трещин и несплавлений в корне шва.

Зона термического влияния в большинстве сплавов никеля не закаливается и поэтому подогрева при свар­ке практически не требуется. Однако для сплавов сис­темы Ni-Mo-Cr нагрев после сварки до Т < 700—800 С с последующим охлаждением на воздухе позволяет пре­дотвратить М КК, измельчить и дезориентировать струк­туру швов и снизить уровень сварочных напряжений.

Для соединения никеля и его сплавов используются следующие способы сварки: газовая и угольным элект­родом, покрытыми электродами, под флюсом и в среде защитных газов, плазменная, электрошлаковая. Наи­большее применение для ответственных конструкции нашли сварка в защитных (инертных) газах, электрон но-лучевая сварка и сварка под флюсом.

Технологические рекомендации по сварке

17.3.1. Подготовка кромок под сварку

Основным условием получения качественных соеди­нений никеля и его сплавов является обеспечение вы­сокой чистоты свариваемого и сварочных материалом

(проволоки, покрытия, флюсы) по примесям и газам. Свариваемые кромки и прилегающие к ним участки шириной 20—30 мм тщательно зачищаются механичес­ким способом до металлического блеска и обезжирива­ются ацетоном, чистым бензином или уайтспиритом для удаления налета, содержащего серу (заводская атмосфе­ра, транспортировка, технологическая смазка). В нско - юрых случаях (например, после горячей обработки заго - ишок) пленка окислов с поверхности кромок удаляется і равнением в растворе следующего состава: 1 л Н20, 1,5 л 11 ,S04, 2,25 л HN03 и 30 г NaCl. После травления обя - мтельна промывка кромок в воде с последующей их централизацией в 1%-ном растворе HN03 и просушкой.

Из-за повышенной вязкости жидкого металла ванны глубина проплавления несколько снижается. Поэтому раЛделка кромок делается под более широким углом, а величина притупления уменьшается по сравнению с і оответствующими толщинами заготовок из стали.

11с рекомендуются соединения по отбортовке кро­мок, так как это может привести к шелевой коррозии щ ы попадания агрессивной среды с обратной сторо­ны шва (в «карманах»). Зазоры при сварке должны быть минимальными, чтобы снизить время их заполнения и уменьшить рост зерна при нагреве кромок, а следова - I п>но, уменьшить вероятность трещинообразования. 1 Ірії всех способах сварки следует стремиться к умень­шению числа проходов.

17.3.2. Технология сварки и сварочные материалы

Использование тех или иных марок проволок, элек - I родов, флюсов, газов определяется уровнем требований ь сварным швам и соединениям.

223

При газовой сварке применяют сварочную проволо­ку из никеля марок Н—1, НП—1, НП—2 или комплекс­но-легированных проволок марок НМцАТЗ—1,5—0,6, НМц2,5, HMnTKl —1,5—2,0, обеспечивающих эффек­тивное раскисление металла сварочной ванны и его ле­гирование. Диаметр присадочной проволоки должен составлять dnp= 0,5 S основного металла, но не более 6 мм В качестве флюсов используются плавленые фто - ридные и высокоосновные флюсы марок АНФ—5, АНФ-7, АН-8, 480Ф6, наносимые на свариваемые кромки в виде паст.

Апетилено-кислородное пламя должно быть нормаль­ным (или слегка восстановительным), чтобы избежать пористости шва. Для малых толщин (1—2 мм) использу­ется «левый» способ сварки, а при больших — «правый». Во избежание пористости швов проволока и ядро факе­ла не должны касаться ванны, а ванна не должна пере­мешиваться присадкой в процессе сварки.

Сварка ведется как без разделки кромок (S — 1—3 мм), так и с V-образной разделкой (S > 4 мм) с углом раздел­ки до 70°. Сварные соединения из никеля, как прави­ло, имеют си= 275—315 МПа и а = 90—120°. Нормализа­ция после сварки с Т = 850-900 °С повышает пластичность и вязкость соединении.

При сварке нихрома используют проволоки, близкие по составу к основному металлу. В качестве флюсов при этом чаше используют смесь буры и борной кислоты [15]

Для сварки угольным электродом используются те же флюсы, что и для газовой сварки. Иногда для повыше­ния степени раскисления шва во флюсы добавляют по­рошки алюминия, ферротитана, феррованадия В каче­стве присадочных материалов чаще используют проволоку НМц2,5. Сварка ведется на постоянном токе прямой полярности. С целью избежания перегрева ме-

ітииіа околошовной зоны процесс сварки ведут на по­пы шенных скоростях.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами при­меняется для соединения металла толщиной S > 1,5 мм С использованием постоянного тока обратной полярно­сти При толщине S < 3—4 мм разделка кромок не про­изводится, при больших толщинах применяется V-об - разная (S = 4—12 мм) или Х-образная (S = 8—20 мм) разделки. Угол разделки кромок не менее 70—75°, а ве­личина притупления — 0,5—3,0 мм. Сварка, как прави­ло, осуществляется «на проход», а в случае многопроход­ной сварки необходима тщательная очистка поверхности промежуточных слоев. Длинные швы (1ыв > 500 мм) ре­комендуется выполнять участками с разрывами, кото­рые завариваются после очистки шлака, что повышает и пластичность и снижает уровень остаточных напря­жении.

Сварку ведут преимущественно в нижнем положении шва на медных подкладках, контролируя степень при - ісгания подкладки к металлу соединения Неплотное прилегание кромок к подкладке приводит к окислению проплава и образованию трещин в корне шва. При вы­поре величины сварочного тока с целью избежания пе­регрева электрода пользуются ориентировочной зависи­мостью 1СИ= (35-40)d„, а скорость перемещения дуги (скорость сварки) должна быть на 15% меньше скорос - Iи сварки стали соответствующей толщины (VCBMax = 7— () м/ч). Ориентировочные режимы ручной дуговой свар­ки приведены в табл. 17.2.

Основным дефектом швов при РДС являются поры. Іучшее качество швов (меньше пор) получают при свар­ка электродами с фтористокарбонатными покрытиями (марка П—2Н) или рутилфтористокарбонатными (ОЗЛ - 12). Для технического никеля наибольшее применение

225

получили электроды марок Н—10, Н—37, «Прогресс», ИМЕТ—7, ИМЕТ-10, ВИ—2—6, стержни которых вы­полнены из никеля марок Н1 и Н2. В покрытиях основ­ными составляющими являются мрамор (40—43%) и плавиковый шпат (18—42,5%). При сварке неответствен­ных соединений можно использовать электроды марки УОНИ—13/45. Однако в этом случае весьма высока по­ристость швов. Для сварки никелевых сплавов соглас­но ГОСТ 10052—75 предусмотрены электроды типов Э— 08Н60Г7МТ, Э—08Х25Н60М10Г2. Для никельхромистых сплавов ХН78Т, ХН77ТЮР применяют электроды мар­ки ЦТ—28, обеспечивающие оптимальное сочетание прочности и пластичности и жаропрочности.

При РДС сварке толщин S > 15 мм для улучшения пластичности и снижения пористости часто использу­ют подогрев кромок до 200—250 °С и применяют после сварки нормализацию или производят проковку (про­катку) швов.

Особенностью сварки под флюсом и электрошлако - вой сварки никеля и его сплавов является применение сварочных проволок, идентичных по составу с основ­ным металлом, и фторидных плавленых флюсов (см. табл. 17.3).

Сварку ведут на постоянном токе обратной полярно­сти валиками небольшого сечения (во избежание пере - I рева металла), проволоками малого диаметра (dnp = 2— * мм), на малых вылетах электрода из мундштука, что уменьшает разбрызгивание и улучшает формирование шва (уменьшается перегрев проволоки)

Подготовка поверхности и виды разделок кромок такие же, как и при ручной сварке (механическая зачи­стка, повышенные углы разделки, жесткие требования к величине зазоров и т. п.). При элсктрошлаковои сварке часто используются пластинчатые электроды из спла­вов, соответствующих основному металлу и бескисло­родные фторидные флюсы, например, АНФ—7.

Наиболее распространенным способом сварки нике­ля и его сплавов, обеспечивающим высокое качество (прочность, сплошность, отсутствие пор и трещин) яв - іястся аргонодуговая сварка (преимущественно непла - пищимся электродом), при которой сварочная ванна надежно защищается от газов атмосферы струей аргона, (обавка к аргону до 20% Н2 существенно снижает по­ристость за счет связывания кислорода воздуха водоро­дом и снижения вероятности образования закиси нике - 1н (NiO) — основного фактора порообразования. Добавка водорода должна контролироваться по расходу, особенно при сварке тонколистовых соединений или при сварке корневых швов многослойных соединений

В качестве присадочных материалов применяются проволоки, легированные до 3% титаном (НМцАТЗ— 1,5—0,6, НМиАТКІ—1,5—2,5—0,15), предотвращающие поры и трещины, а в качестве электродов — вольфрамо­вые электроды ЭВЛ—10, ЭВИ-1. Увеличение доти ле­гированных присадочных материалов в шве до 70—85% предупреждает появление горячих трещин.

Сварка ведется на постоянном токе прямой полярно­сти, иногда допускается переменный ток. Начинать про­цесс рекомендуется вне изделия, а при заварке кратеров (обязательная операция) плавно снижать ток, чтобы избежать в них появления трещин. Сварку осуществля­ют либо на медных подкладках, либо с обязательным поддувом аргона в корневую часть шва.

Подготовка и защита свариваемых поверхностей пре­дусматривает зачистку свариваемых кромок на ширину 20—30 мм, обезжиривание кромок и присадочных мате­риалов, защиту аргоном обратной стороны шва, приме­нение сопел специальной конструкции («сапожок») и т. п. При многопроходной сварке последующие швы накладывают после полного охлаждения, зачистки от шлака и обезжиривания предыдущих слоев.

Сборка под сварку должна осуществляться в зажим­ных приспособлениях желательно без прихваток. При необходимости прихватки они должны осуществляться без присадочной проволоки. Для обеспечения гаранти­рованного провара и снижения пористости применяют аргонодуговую сварку с использованием активирующих флюсов (флюсов-паст), наносимых на кромки непос­редственно перед сваркой. Наиболее широко в качестве флюса используется спиртовый раствор смеси компо­нентов Ti02-Li3AlF6, известный под маркой ФС—300.