СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ СВАРКЕ

Экспериментальные и теоретические исследования, про­веденные советскими учеными, показывают, что сварку, наплавку и пайку следует отнести к классу реакций, для которых характерным является двухстадийность процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ. В течение первой стадии происходит образование физического контакта, т. е. осуществляется сближение со­единяемых веществ на расстояния, требуемые для межатом­ного взаимодействия и подготовки поверхности к взаимо­действию. На этой стадии из элементарных процессов важную роль играют процессы электростатического взаимо­действия поверхностных атомов, В течение второй стадии —

стадии химического взаимодействия — заканчивается про­цесс образования прочного соединения.

Далее могут протекать процессы релаксационного ха­рактера, часто приводящие к снижению достигнутой проч­ности вследствие рекристаллизации или образования про­слоек из хрупких химических соединений или фаз за счет гетерогенной реактивной диффузии. Однако эти процессы могут приводить и к повышению прочности соединения, если вследствие диффузии благоприятно меняется химиче­ский состав шва и прилегающих к нему зон.

В случае соединения чистых металлов или твердых рас­творов процессы взаимодействия сводятся к коллективиза­ции (обобщению) «валентных» электронов положительными ионами, вследствие чего между системой атомов, образую­щих кристаллическую решетку, возникает прочная «метал­лическая» связь.

Поверхности твердых тел в атмосферных условиях, как правило, инертны, так как валентности их атомов насыще­ны связью с атомами окружающей среды и чаще всего кисло­родом. На окисленной поверхности твердого тела могут протекать процессы физической адсорбции. Для осуществле­ния хемосорбции (химической адсорбции) на реальной по­верхности требуется затрата энергии на активацию этой по­верхности.

Теплота хемосорбции больше теплоты физической ад­сорбции и при хемосорбции молекула приближается к по­верхности на более близкое расстояние, чем при физической адсорбции. По мере того, как молекула приближается к поверхности, она испытывает вначале влияние физических сил притяжения, которые действуют на больших расстоя­ниях, чем силы химической связи. Для осуществления хе­мосорбции молекула должна обладать определенной энер­гией. В приобретении молекулы или атомом этой энергии и заключается акт активации.

Таким образом, протекание процессов взаимодействия различных типов в контакте соединяемых материалов тре­бует определенной величины энергии для активации состоя­ния поверхностей. Эта энергия может сообщаться в виде теплоты (термическая активация), энергии упруго-пласти­ческой деформации (механическая активация), электрон­ного, ионного и других видов облучения (радиационная активация) [52].

При сварке в твердом состоянии сближение атомов до­стигается за счет совместной упруго-пластической дефор­мации соединяемых материалов в контакте, часто в соче­тании с дополнительным нагревом.

При сварке плавлением и пайке сближение атомов осу­ществляется за счет смачивания и активации поверхности твердого материала за счет тепловой энергии.

В каждом из этих случаев для образования соединения требуется определенное время, обусловленное процессами развития физического контакта и химического взаимодей­ствия фаз. Чем ниже температура процесса, тем легче раз­делить две основные стадии образования соединения друг от друга. При взаимодействии твердого материала с жидким процесс протекает при высокой температуре (по от­ношению к температуре плавления основного металла) и по­этому скорость его высокая. Обе стадии протекают друг за другом в процессе смачивания, и разделить их практически не удается.

Итак, при сварке плавлением, наплавке и пайке обе стадии процесса и следующая за ними диффузия протекают, как правило, настолько быстро, что в случае соединения раз­нородных материалов с ограниченной взаимной раствори­мостью практически трудно получить соединения без хруп­ких интерметаллических прослоек в контакте. Для разра­ботки технологических процессов сварки необходимо иметь представление о допустимой (при сварке плавлением) дли­тельности этих процессов с тем, чтобы правильно выбирать способ и параметры сварки и обеспечивать получение ка­чественного соединения. В работах [7, 20, 18 и др. ] была дана оценка длительности указанных процессов и сопоставлены
результаты расчета с имеющимися в настоящее время опыт­ными данными. Эти процессы рассмотрены как для сварки плавлением, так и для сварки в твердом состоянии.

Внутри кристалла каждый атом удерживается в своем положении силами связи, симметрично расположенными относительно окружающих его со всех сторон соединений

атомов. На свободной поверх­ности кристалла или жидкости атом оказывается неуравнове­шенным вследствие отсутствия связи с одной стороны (ваку­ум) или вследствие ослабления связи, обусловленной иными свойствами окружающей сре­ды. Это обстоятельство вызы­вает повышение энергии по­верхностного слоя кристалла. Если для перемещения внутри тела атому необходима энер­гия Eot то для выхода атома в окружающую среду ему не­обходима энергия причем

Еп > Е0.

При быстром образова­нии физического контакта, что наблюдается при окунании твердого тела в расплав или при сварке за счет расплавления одного из соединяемых материалов, на границе фаз сначала будет наблюдаться пик межфазной энергии Еп аналогичный Еп (рис. 7), так как переход атомной системы в новое состояние осуществля­ется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Поэтому следует ожидать запаздывания химиче­ского взаимодействия фаз, а также задержки диффузионных переходов атомов из одного состояния в другое, пока атом не приобретает энергии, необходимой для преодоления меж - фазного барьера, или пока не произойдет релаксация пика
межфазной энергии. Без учета возможных поверхностных явлений период задержки или ретардации диффузии можно рассматривать как время жизни атома перед потенциальным барьером, т. е.

(1)

тр — период (время) ретардации; Т — температура, К; k ■— коэффициент распределения.

Определение межфазной энергии представляет большие трудности в нестационарном процессе, так как эта энергия в каждом конкретном случае зависит от особенностей са­мого процесса, физико-химической природы рассматривае­мых фаз и поверхностных явлений. Для ориентировочных оценок периода ретардации можно принять допущение, что величина межфазной энергии в случае взаимодействия двух конденсированных фаз изменяется (уменьшается) по экспоненциальному закону. При таком допущении период релаксации равен времени уменьшения возмущения (ис­ходной величины поверхностного натяжения) до от первоначальной величины. Поэтому в первом приближении и для оценочных расчетов величину межфазной энергии можно определить как

(2)

где ЕгиЕж— энергии активации диффузии соответственно

в твердой и жидкой фазах.

С учетом уравнения (2) выражение для оценки периода ретардации диффузионных процессов примет вид

(3)

Расчеты по формуле (3) для различных сочетаний пока­зали, что полученные данные достаточно хорошо согласу­ются с опытными. Это позволяет, несмотря на принятые
допущения, использовать приведенную схему для ориенти­ровочных оценок допустимой длительности контакта твер­дой и жидкой фаз, а также температуры процесса наплав­ки, сварки, а в ряде случаев и пайки.

Как уже рассматривалось ранее, важнейшим процессом, протекающим после релаксации пика межфазной поверх­ностной энергии, является гетерогенная диффузия (прохож­дение атомами границы раздела фаз: растворение и гетеро­диффузия). На основании анализа кинетики процессов, протекающих в зоне контакта, в общем случае длитель­ность тк процесса контактирования твердой и жидкой ме­таллических фаз можно представить 6 Следующем виде:

тк = Тр - f - Тд - J - То. з “I- Тр. х.с» (4)

где тр — время ретардации (релаксации межфазной по­верхностной энергии); Тд-—время развития процессов ге­теродиффузии до образования пересыщенных твердых рас­творов; т0<8 — время, необходимое для образования устой­чивых зародышей новых химических соединений; тр. х.с — время дальнейшего роста химических соединений*

Период ретардации оценивается уравнением (3). Одним из условий получения качественного соединения является ограничение длительности контактирования таким образом, чтобы не допустить образования интерметаллических сое­динений, т. е,

*к "Iі" V

Время, вычисляемое по уравнению ретардации (3), всег­да меньше времени, необходимого для образования интерме­таллидов в зоне контакта. Однако, в связи с невозможностью в настоящее время дать точную оценку релаксации межфаз­ной поверхностной энергии, время, вычисляемое из этого уравнения, по-видимому, существенно превышает истин­ное время ретардации, т. е. фактически из уравнения (3) определяется время Т = Тр - f Тд, а возможно и т = - f

+ тд + то. з. В связи с этим возникла необходимость по­пытаться экспериментально определить Тр и тр + Тд - j - т0 3 и оценить энергию активации процессов гетеродиффузии в зоне контакта.

Для изучения вопросов регулирования тепловых и диф­фузионных процессов на границе раздела твердой и жид­кой фаз В. С. Новосадовым, М. X. Шоршоровым и Ю. JI. Красулиным была разработана специальная методи­ка «жидкая клиновая проба» [7], позволяющая за счет ре­гулирования температуры и длительности контактирова­ния фаз гибко регулировать процессы, протекающие в зоне контакта. Жидкий расплав в пробе заливается в клиновое пространство, ограниченное с одной стороны образцом (твер­дая фаза), а с другой кристаллизатором из меди или другого материала с высокой теплопроводностью (сбоку клиновое пространство с каждой стороны ограничено теплоизоля­ционными стенками). Регулирование длительности контак­тирования по длине образца осуществляется за счет разницы в скоростях и времени кристаллизации в верхней и нижней («капилляр») частях клинового пространства. В нижней части клина длительность контактирования минимальная. Определяется она температурой подогрева образца в зали­ваемой жидкости. Экспериментально определенная величи­на энергии активации гетеродиффузии для соединений с исчезающе малой величиной гетеродиффузии составляет

Еа = 121 дж/кг • атом. Для соединений стали с алюминием,

стали и никеля с медью Еа ж 93,6 дж/кг ♦ атом. Для полу­чения соединений с минимальным развитием гетеродиффу­зии длительность контактирования для пары стали с алю­минием составляет при 700° С около 4 с, а для пар стали и никеля с медью при 1100° С примерно 0,5 с.