СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВЫБОРА СПОСОБА СОЕДИНЕНИЯ В ТВЕРДОЙ ШАЗЕ

Эффективность применения разнообразных способов соединения в твердой фазе определяется правильным выбором одного из спосо­бов при решении конкретной технологической задачи.

Важнейшим условием правильного выбора способа сварки является знание физико-химических процессов, протекающих в зоне соединения.

В данной книге наиболее подробно были проанализированы два способа сварки: сварка давлением с подогревом и сварка с высоко­интенсивным силовым воздействием Выбор этих способов сварки в качестве объектов исследования не был случайным и определялся следующими их особенностями.

Сварка давлением с подогревом характеризуется низкой интен­сивностью силового воздействия, относительно высокой температу­рой и большой длительностью процесса. Это позволяет последова­тельно анализировать процессы, протекающие на различных стадиях. Причем, изменяя параметры сварки, можно обеспечить разную степень полноты развития каждой стадии, т. е. возможно проведение кинетических исследований каждой стадии в отдель­ности и выявления контролирующих механизмов процесса в целом и постадийно. Таким образом, сварка давлением с подогревом является способом, при котором процессы релаксационного характера на стадии объемного взаимодействия могут развиться до установления равновесия.

Сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием, отличаю­щаяся ничтожно малой длительностью процесса, является спосо­бом, при котором процессы релаксационного характера на стадии объемного взаимодействия ограничены схватыванием контактных поверхностей без последующего развития в зоне соединения про­цессов рекристаллизации или гетеродиффузии.

По интенсивности силового воздействия и длительности про­цесса сварка давлением с подогревом и сварка с высокоинтенсив­ным силовым воздействием представляют собой крайние случаи способов соединения в твердой фазе. Все остальные способы по интенсивности силового воздействия и длительности процесса расположены между этими двумя способами. При всех остальных способах соединения металлов в твердой фазе развитие процессов релаксационного характера на стадии объемного взаимодействия может происходить в разной степени и иметь различные проя­вления.

Исследования, основанные на гипотезе о трехстадийном харак­тере процесса образования соединения между металлами в твердой фазе, и изучение кинетических закономерностей развития каждой стадии в отдельности позволили установить следующее.

Пластическая деформация металла в зоне контакта при сварке давлением с подогревом описывается теми же уравнениями, что и ползучесть. При этом необходимо учитывать непрерывное умень­шение контактного давления по мере развития процесса. Ввиду того, что параметры сварки устанавливаются без учета релаксаци­онных свойств металла в зоне контакта и непосредственно в процес­се сварки не регулируются, в пластическую деформацию вовле­каются объемы металла. Поэтому сварку давлением с подогревом можно характеризовать как процесс с низкой степенью локализации пластической деформации металла в зоне контакта. Все это приво­дит к резкому увеличению длительности образования полного физи­ческого контакта и величины объемной пластической деформации.

Интенсивность процесса активации контактных поверхностей и образования межатомных связей (схватывания) зависит от ча­стоты выхода дислокаций в зону физического контакта, опре­деляемой скоростью деформации, и площади активного центра, определяемой физико-химическим состоянием поверхности. При низкоинтенсивном силовом воздействии с подогревом до Т <0,5Тлл скорость роста схватывания по мере развития процесса сни­жается из-за деформационного упрочнения металла в зоне контакта и связанного с ним уменьшения частоты выхода дислокаций и площади активного центра. Это приводит к резкому увеличению длительности процесса активации всей контактной поверхности и величины объемной пластической деформации. При высоко­интенсивном силовом воздействии скорость деформации металла в зоне контакта необходимо ограничивать так, чтобы длительность активации всей контактной поверхности была больше длительно­сти релаксации напряжений, но меньше общей длительности процесса взаимодействия.

При сварке одноименных металлов с низкоинтенсивным сило­вым воздействием и подогревом при Т > 0,5 Ггш стадия объемного взаимодействия должна быть завершена образованием общих зерен в зоне соединения за счет развития рекристаллизационных процессов. Возможность образования общих зерен по всей зоне соединения за счет развития рекристаллизационных процессов определяется степенью завершенности первых двух стадий. Если в зоне соединения нет несплошностей, т. е. участков, на которых не успели произойти процессы образования физического контакта и активации контактных поверхностей, рекристаллизация про­исходит беспрепятственно путем миграции границ зерен через первоначальную плоскость контакта и в зсне соединения обра­зуются общие зерна. Если зона соединения содержит несплошно- сти большого размера, то они являются эффективными барьерами для миграции границ зерен. Уменьшение их размеров за счет пластической деформации и самодиффузии приводит к тому, что они становятся малоэффективными барьерами для миграции гра­ниц зерен. При этом в зоне соединения образуются общие зерна.

На процесс соединения металлов в твердой фазе решающее влияние оказывают величина сопротивления деформации сваривае­мых металлов и их релаксационные свойства, определяющие интенсивность процессов возврата. Поэтому любые технологиче­ские приемы, обеспечивающие уменьшение или предотвращение деформационного упрочнения металла в зоне соединения при сварке, позволяют резко сократить длительность образования качественного соединения, повысить воспроизводимость резуль­татов, получать прецизионные соединения, снизить необходимые усилия и температуру сварки, рекомендовать строго определенные оптимальные параметры процесса.

В зависимости от особенностей конкретного способа сварки процесс получения качественного соединения может быть завершен схватыванием контактных поверхностей, образованием в зоне соединения общих зерен или образованием новой фазы, свойства которой определяют свойства сварного соединения. Естественно, что степень развития этих проявлений релаксационного характера может быть различной.

С позиций физико-химических процессов, происходящих при соединении металлов в твердой фазе, достаточно просто решается вопрос выбора способа сварки применительно к различным сочета­ниям свариваемых металлов.

Для сочетания металлов, образующих по равновесной диаграм­ме состояния новые хрупкие фазы, не могут быть использованы способы сварки, предусматривающие длительное нахождение свариваемых металлов при высокой температуре (имеется в виду непосредственное соединение металлов без применения промежу­точных прокладок). В этом случае необходимо использовать способы сварки с высокоинтенсивным силовым воздействием. Действительно, получить качественное соединение меди с алюми­нием или титана с алюминием с помощью диффузионной сварки не представляется возможным. Однако данные сочетания металлов успешно можно соединять, как это было показано ранее, с помощью магнитно-импульсной и холодной сварки.

Знание физико-химических процессов, происходящих при соединении металлов в твердой фазе, позволяет также ответить на вопрос о том, какие свойства сварного соединения можно ожидать при использовании того или иного способа сварки. Ясно, что когда процесс образования качественного соединения даже между одноименными металлами ограничен схватыванием контакт­ных поверхностей, то такие соединения, имея прочность при стати­ческом растяжении на уровне основного металла, будут иметь низкие значения вязкости и пластичности, так как в зоне соедине­ния остается структурный надрез. Поэтому сварные соединения, полученные сваркой взрывом или холодной сваркой, имеют низкие значения вязкости и пластичности. Однако, если аналогичные соединения между одноименными металлами получать с помощью диффузионной сварки, то при определенных параметрах режима вязкость и пластичность сварных соединений могут быть на уровне основного металла.

В данной главе не ставилась задача рассмотреть все возможные аспекты разработки технологии соединения металлов в твердой фазе. Такая задача, по-видимому, вообще не может быть решена даже в рамках очень крупной монографии, ибо слишком велико число частных задач и возможных технологических решений. Решение вопроса, вероятно, состоит в том, чтобы технологическую задачу решать не эмпирическим путем, не методом последователь­ных приближений, а методом научного анализа и последующего эксперимента.

1- Значения 2г* при всех t лежат в зонах, ограниченных ли­ниями 2л (/) и L0.

2. Температура процесса оказывает некоторое влияние на по-

Ведение оценки 2г*. Это обусловлено тем, что при повышении Т эффективность влияния барьерного слоя у поверхности снижается ввиду рассасывания дислокаций.

(для объема металла); при Т = 1100° С, t = 5 мин и t = 15 мин. D = 1,47 -10_6 см/с и D = 2,5 -1(Г7 см/с для зоны соединения и объема металла соответственно.

Соответствующие значения кажущейся энергии активации равны:

1. Для зоны соединения 72 ккал/моль. По данным раз­личных исследователей [119, 120, 243], энергия активации объем­ной самодиффузии для никеля лежит в пределах от 63 до 70 ккал/моль.

бикристаллов никеля (99,99%) при углах дезориентации 20—70 составляет 26 ккал/моль; а по данным работы [193 ], значение тем­

пературного коэффициента роста центров рекристаллизации для никеля особой чистоты составляет 24 ± 1 ккал/моль.

Многочисленные металлографические исследования показы­вают: если в зоне соединения образуются общие зерна, то внутри этих зерен по старой границе остается цепочка дефектов, назван­ных ранее дефектами второго типа.

На рис. 105 показана микроструктура сварного соединения, полученного при Т = 1100° С, Р = 1,5 кгс/мм2 и t = 10 мин. Видно, что в теле общего зерна вдоль зоны первоначального кон-

[1] В этих уравнениях и далее символом О Me обозначен комплекс хемосорб­ции.

[2] Данные получены В. Н. Масленниковым.

[3] Чанкветадзе 3. А., Бсриев Н. М.—«Физика и химия обработки материа­лов», 1974, № 4 с. 132.

[4] — кривая разрядного тока; 2 — кривая движения трубки

И Э. С. Каракозов 161

При сварке в твердой фазе давлением с подогревом рост зерен происходит в результате одновременного действия двух активи­рующих факторов: температуры и давления. Однако все известные уравнения для скорости роста зерен и среднего размера зерна при рекристаллизационных процессах учитывают лишь фактор температуры.

Поэтому представляется целесообразным воспользоваться тех­никой дисперсионного анализа для проверки значимости влияния параметров сварки (температуры и давления) на средний размер зерна.

Имеющиеся в табл. 20 и 21 данные позволяют выполнить такой анализ для зоны соединения и объема металла.

Пусть при совместном действии двух факторов Т и Р наблю­даемое значение случайной величины |г/ равно xijt где і — номер уровня фактора температуры, а / — номер уровня фактора да­вления сварки [242].

[6] Для объема металла Em 20 ккал/моль. По данным работы

[194], энергия активации самодиффузии по границам зерен для