СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ (Шиганов И. Н.)

26.1. Основные марки сплавов бериллия и их свойства

Металл Be относится к легким металлам II группы периодической системы элементов. Порядковый номер 4, относительная атомная масса 9,01, принад­лежит к числу редких элементов. Плотность Be 1,82 г/см3, температура плавления 1283 °С. По сравнению 4 другими металлами он обладает самой высокой скрытой теплотой плавления 1151 Дж/г, что превосходит А1 почти в 3 раза, Мп — в 6 раз, a Fe — почти в 4,3 раза. Бериллий обладает до­вольно высокой теплопроводностью, уступая по этому показателю лишь Ag, Си, Аи и А1. Специфичным физическим свойством является его высо­кая проницаемость ідля рентгеновских лучей, которая в 17 раз выше, чем у алюминия. Под воздействием окислительных сред на поверхности берил­лия образуется защитная окисиая пленка, подобная пленке на алюминии и титане. С одной стороны, это делает его коррозионностойким, а с другой стороны, затрудняет процесс сварки. При высоких температурах Be обла­дает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту, водороду, галогенам и т. д. В тонкоизмельченном виде и парообразный Be обладает высокой токсичностью, в связи с чем при обработке его необхо­дима полная защита оператора от воздействия паров и пыли, в частности сварку, необходимо проводить только в герметично закрытых камерах (до­пустимое содержание в атмосфере до 2 мг на 1 м3). Компактный Be не

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ БЕРИЛЛИЯ LI ]

Материал

ов, ГЛПа

°о, а’ МПа

в, %

Блоки горячепрессоваииые обычной чи­

370

266

2,3

стоты

390

273

3,6

Конструкционный сорт

294

196

2,7

322

196

4,6

Тепловой и тормозной высокой чистоты

455

287

3,9

455

287

4,4

Инструментальный с высоким содержани­

476

406

1,5

ем окиси (горячепрессованный)

511

413

2,7

Мелкозернистый (изопрессованный)

580

407

3,7

587

407

4,2

Листы толщиной 1—6,3 мм обычной чи­

стоты;

порошковой обычной чистоты

531

372

16

литой обычной чистоты

352

172

7

Выдавленные порошковые заготовки:

обычной чистоты

655—690

345—518

8—13

высокой чистоты

655—828

345—518

8—13

Поковки обычной чистоты

483—600

435—600

4,5

Проволока (диаметром 0,05—0,63 мм) из

966

793

8

слитка высокой чистоты

Примечание. Числитель — свойства в продольном направлении; знамена­тель — в поперечном направлении.

токсичен и эксплуатация изделий из него не представляет опасности для здоровья людей [1].

Изделия из Be получают прессованием его порошка с последующим спеканием полученных заготовок в вакууме при 450—500 °С, либо плавкой и литьем в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа. В литом со­стоянии Be особенно хрупок. Горячепрессованные брикеты являются исход­ным материалом для прокатки и других видов обработки. Бериллий обла­дает - высокой анизотропией механических свойств, которая зависит от ори­ентации зерен, связанной со схемой деформации (табл. 26.1).

Бериллиевые полуфабрикаты имеют высокий модуль упругости 3-105 МПа. Пластичность Be крайне низка при комнатной температуре, но возрастает при температуре 300—400 °С в 5—6 раз. Бериллий находит применение в различных областях, в том числе как конструкционный материал. Пре­пятствием на пути его широкого внедрения в конструкциях является хруп­кость и низкая пластичность.

26.2. Основные марки алюминиево-бериллиевых сплавов и их свойства

В промышленности нашли наибольшее распространение сплавы на берил - лий-алюминиевых композициях [2] Согласно диаграмме состояния, раство­римость Be в А1 при эвтектической температуре 645 °С составляет 0,3%

Механические свойства

Вид полуфабрикатов

Состояние

ав,

кси.

МПа

МПа

б, %

кДж/ма

Лист 2,0 мм

Нагартованное

495

430

13,0

40

Отожженное

480

370

17,0

50

Лист 4,0 мм

Нагартованное

465

330

12,5

50

Отожженное

440

315

15,5

70

Лист 10 мм

Отожженное

420

280

11,0

80

Пруток 0 35 мм

Отожженное

420

240

20,5

150

Труба 0 30X2,5 мм

Отожженное

365

210

7,0

--

(по массе), при комнатной температуре не превышает 0,1 %, растворимость А1 в Be при температуре 648 °С находится на уровне 4—5% (по массе). Таким образом, в жидком состоянии Be и А1 полностью взаимно раство­римы. В твердом состоянии практически все сплавы этой системы пред­ставляют собой смесь двух фаз, являющихся при комнатной температуре почти чистыми компонентами Отсутствие интерметаллических соединений в системе Al — Be дает ей определенные преимущества при создании кон­струкционных материалов, так как бериллий с подавляющим большинством элементом (за исключением кремния) образует хрупкие интерметаллнды, препятствующие получению более пластичных по сравнению с чистым бе­риллием сплавов.

Al — Be сплавы получают как по металлокерамической технологии с ис­пользованием смесей порошковых компонентов, так и путем сплавления и отливки слитков. Промышленное применение нашли сплавы с дополнитель­ным легированием алюминиевой матрицы магнием Такие сплавы обладают малой плотностью (2—2,2 г/см3), относительно высокой температурой плав­ления (1100—1150 °С), высокой прочностью и в несколько раз более высо­ким модулем упругости (~1,5- 105 МПа) по сравнению с широко используе­мыми алюминиевыми, магниевыми и титановыми сплавами. Наилучшими свойствами обладают сплавы с содержанием Be 40—45 %. Примером может служить промышленный сплав АБМ-1 (ТУ 95.238—80). Свойства сплава при­ведены в табл. 26.2.

26.3. Свариваемость бериллия и его сплавов

При сварке бериллия методами плавления возникает ряд труд­ностей, которые ограничивают области их применения. В связи с хрупкостью бериллия и его высокой химической активностью по отношению к примесям-газам швы весьма склонны к обра­зованию пор, холодных и горячих трещин. Дополнительные за­труднения создает большая склонность Be к росту зерен при нагреве.

Кроме этого, необходимо учитывать, что наиболее высокими свойствами обладает горячепрессованный Be в деформирован­ном состоянии, а после сварки такого металла в литой зоне свойства основного металла недопустимы низки, особенно по
пластичности. В связи с этим методы сварки плавлением Be преимущественно используют для ненагруженных конструкций, например для герметизации.

Основные трудности при сварке Al — Be сплавов возникают в связи с существованием химической неоднородности в зоне термического влияния (рис. 26.1). Наличие ее связано с воз­никновением под действием термического цикла сварки протя - женого (4—6 мм) участка твердо-жидкого состояния материала [3, 4]. В этой зоне происходят как изменения макрообъемов, за­ключающиеся в увеличении сечения в зоне термического влия­ния и уменьшения сечения в шве, так и изменения микро­структуры.

о і г j t 5

Расстояние от границы шба, мм

Рис. 26.1 Распределение бериллия в сварном соединении алюминий—бе - риллиевого сплава [9]

Помимо структурной неодно­родности, существует еще и хи­мическая неоднородность зоны термического влияния, особенно на сплавах системы Al—Be—Mg. В результате теплового влияния сварочного цикла в алюминие­вой матрице металла околошов­ной зоны происходит распад пе­ресыщенного твердого раствора Mg в Al с образованием ста­бильной фазы Mg2Al3.

ходных сварных соединений

Неоднородная по структуре и содержанию элементов зона термического влияния однопро - сплавов системы Al—Be—Mg не уступает по кратковременной прочности литому металлу шва, а по пластичности и ударной вязкости — основному металлу, неоднородность в первую очередь сказывается на циклической прочности.

Предел ограниченной выносливости сварных соединений на базе циклов 106 в 2—3 раза ниже, чем у основного металла, на базе циклов 2-Ю3 это соотношение составляет 1,5—2. Разру­шение, как правило, инициируется наличием в зоне термиче­ского влияния фазы Mg2Al3.

Увеличение температуры нагрева более 1000 °С приводит к - снижению прочности соединений за счет роста зерна.

26.4. Технология сварки и свойства соединений

26.4.1. Аргонодуговая и электронно-лучевая сварка бериллия

Дуговую сварку бериллия осуществляют в камерах с контроли­руемой атмосферой газов: аргона повышенной чистоты или смеси 50 % Аг и 50 % Не. Перед заполнением газами необхо­
димо создавать разряжение в камере. Наилучшие результаты достигаются на соединениях по отбортовке кромок с проплав - дением на 1—1,5 мм.

Наименьший размер зерна, а следовательно, и наилучшие свойства получают при электронно-лучевой сварке в вакууме на режимах, обеспечивающих минимальную погонную энергию. Однако и этот метод не дает возможности получать равнопроч­ные с основным металлом сварные соединения, а тем более близкие с ними по пластичности.

26.4.2. Диффузионная сварка бериллия

Многие сложности сварки плавлением устраняются при ис­пользовании сварки в твердой фазе — диффузионной [1]. Ис­пользуют сварку Be с промежуточной прокладкой и без нее. В случае сварки без прокладки процесс ведут в вакууме (~6,6 МПа) под механическим давлением с нагревом в высо­кочастотном индукторе до температур от 700 до 1000 °С. У го­рячепрессованных и выдавленных материалов существует мак­симум прочности сварных соединений в области температур на­грева 900—1000 °С.

В табл. 26.3 приведены некоторые результаты диффузион­ной сварки Be. На оптимальных режимах сварки достигаются свойства соединения, равные свойствам основного металла. Обязательным условием получения качественного соединения является тщательная подготовка соприкасающихся поверхно­стей, заключающаяся в удалении окисного слоя и снижении пу­тем полировки шероховатости поверхностей до минимума.

Для сохранения чистоты соединяемой поверхности и умень­шения влияния поверхностной шероховатости используют про­межуточную металлическую прослойку. В качестве промежу­точной прослойки рекомендуется использовать серебро. Так как серебро не образует стабильного оксида, его можно нанести заблаговременно на детали либо электролитически, либо осаж­дением в вакууме. Равнопрочные с бериллием соединения до-

ТА БЛИЦА 26 3 УСЛОВИЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ БЕРИЛЛИЯ [1]

Режимы сварки

Прочность Соединения (?в, МПа

Г, °С

Р, МПа

t, ч

среда

900—1200

_

2,5

Вакуум

193

850

20,7

2,5

»

275

775—1000

70

4

Воздух

251

885

13,8

0,25

Вакуум

250

800

13,8

1

»

Равнопрочно основ­ному металлу

стигаются при температуре нагрева 150—200°С и давлении сварки ~70 МПа. Толщина прокладок из серебра имеет опти­мум в диапазоне 15—50 мкм. Для более толстых прослоек проч­ность при растяжении непосредственно связана со свойствами серебра. Когда толщина прослойки уменьшается, прочность при растяжении этих соединений увеличивается из-за сдержи­вания пластического течения. Для очень тонких промежуточных слоев на площади контакта начинают сказываться чистота и гладкость поверхности, поэтому прочность при растяжении су­щественно снижается.

Используя промежуточные прокладки, осуществляют диф­фузионную сварку Be со сталью и Ті.

26.4.3. Аргонодуговая и электронно-лучевая сварка сплавов

Алюминиево-бериллиевые сплавы толщиной до 3 мм свари­ваются обычно аргонодуговой сваркой. Существует достаточно узкий диапазон скоростей сварки (18—24 м/ч), соответствую­щий оптимальному сочетанию благоприятных условий формиро­вания шва с удовлетворительными механическими свойствами и минимальной химической неоднородностью по Be в зоне тер­мического влияния.

Для соединения Al—Be сплавов толщиной более 5 мм эф­фективно применение метода электронно-лучевой сварки. Каче­ство формирования шва и свойства сварных соединений в зна­чительной степени зависят от плотности мощности электронного луча и состава свариваемого сплава.

При низких уровнях плотности мощности, обеспечивающих проплавление на уровне 2—3 мм, практически на всех сплавах удается получить удовлетворительное формирование шва. При увеличении плотности мощности и соответственно глубины про­плавления на большой группе сплавов наблюдается ухудшение формирования шва, заключающиеся в выбросе жидкого ме­талла из сварочной ванны на кромки свариваемых пластин, что приводит к образованию специфического дефекта в виде про­дольной полости или «реза».

Причиной появления подобных дефектов является перегрев содержащегося в сплаве магния выше точки кипения. Подоб­ный перегрев приводит к объемному парообразованию, вскипа­нию и выбросу расплава. Наличие Be в сплаве при кристалли­зации резко повышает его вязкость, что затрудняет формиро­вание шва [5].

Подобные процессы происходят не на всех Al—Be—Mg сплавах, а только на тех, у которых не соблюдается критиче­ское соотношение Mg и Be. Экспериментально определенные критические соотношения элементов сплавов приведены на рис. 26.2.

Существование предела по концентрации в сплаве магния сводит мероприятия по предупреждению дефектов к двум воз­можным вариантам: 1—использованием для узлов, в которых предусматривается электронно-лучевая сварка сплавов с содер­жанием Mg меньше критического; 2 — искусственное снижение концентрации Mg ниже критической только в зоне взаимодей­ствия электронного луча со свариваемым материалом для спла­вов с содержанием Mg выше критического.

si

М д, %

Рнс 26 2 Влияние содержания бериллия на крити­ческую концентрацию магния в свариваемых алю - минийбериллиймагниевых сплавах 1 — с дефектами, 2 — без дефектов

^2

'3

-4

70

50

30

10

2 3 4 5 6 7

Рис 26 3 Влияние доли участия алюминиевой при­садки на предельно допустимое содержание магния в сплаве с 30 % бериллия при содержании магния в присадке /-6%, 2-3%, 3-4%, 4 — 0 %

Второй вариант реализуется за счет использования прокла­док, располагаемых в стыке соединения. Дозировка критиче­ского содержания магния в этом случае осуществляется как за счет доли участия основного металла в объеме сварочной ванны, так и за счет содержания магния в прокладке (рис. 26.3). В качестве прокладок рекомендуются стандартные алюминиевые сплавы. Основным условием является минималь­ное содержание в них, а лучше полное отсутствие легкоплавких элементов (Mg, Mn, Zn, Li).

Использование прокладок является необходимым, но не до­статочным условием получения качественных соединений. Для устранения внутренней пористости и несплошностей необходимо применение продольно-поперечных колебаний электронного луча. Частота продольных колебаний составляет 50—100 Гц, амплитуда 3—4 мм; частота поперечных колебаний 200—300 Гц, амплитуда 1,5—2,0 мм.

Механические свойства электронно-лучевых сварных соеди­нений представлены в табл. 26.5. Использование легированных присадок (АК-8, Д20) позволяет получать прочность на уровне 0,8—0,9 от прочности основного металла при повышенной пла­стичности. Введение в шов дополнительных легирующих эле-

ТАБЛИЦА 26.4

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА

АБМ-І [5]

Метод сварки

Толщина металла, мм

Материал

проклад­

ки

Механические свойства

ов> МПа

кси.

кДж/ма

а, град

0,8

320

1

120

1,5

330

180

65

Автоматическая

2,0

320

180

50

аргонодуговая

2,0

АБМ-1

420

200

45

3,0

310

180

40

3,0

АБМ-1

380

160

40

5,0

АБЗО

360

150

35

Электронно-луче­

4,0

АД1

290

140

25

вая

10,0

АМЗ

300

250

35

10,0

АК8

330

200

25

10,0

Д20

320

250

30

При м'е ч а и и е

Свойстиа

основного

металла: ов >

390 МПа, К. С1

/>50 КДж/мг.

а к 15.

ментов дает возможность повышать прочность за счет термооб­работки, в то время как сами сплавы системы Al—Be—Mg не термоупрочняемы. Термическая обработка шва, сваренного с прокладкой АК-8, по режиму: температура закалки 480— 500 °С в воду, температура старения 155—160 °С, выдержка 12—23 ч, обеспечивает равнопрочность шва с основным ме­таллом.

Сварные конструкции из Al—Be сплавов находят примене­ние в изделиях, работающих под высокими статическими и ди­намическими нагрузками, в коррозионных средах, при необхо­димости снижения веса и повышения жесткости.

СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ (Третьяков А. Ф.)

39.1. Классификация пористых материалов Пористые материалы (ПМ) на металлической основе применяются в каче­стве фильтроэлемеитов, смесителей, газовых линз, глушителей шума и др ПМ классифицируются по назначению, химическому составу и типу струк­турообразующих …

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ (Чернышова Т. А.)

38.1. Классификация Композиционные материалы — это материалы, армированные наполнителями, определенным образом расположенными в матрице Наполнителями чаще всего являются вещества с высокой энергией межатомных связей, высо­копрочные и высокомодульиые, однако в сочетании …

ПЛАСТМАССЫ (Зайцев К. И.)

37.1. Состав и свойства 37.1.1. Получение пластмасс Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических нли ес­тественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимериза­ции или поликондеисацни мономеров в присутствии катализаторов при …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.