ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

Назад: 5.3. Технология сварки меди и ее сплавов

5.4. Технология сварки никеля и его сплавов

Характеристика никеля и его сплавов

Полуфабрикаты из никеля различной чистоты (листы, полосы, ленты, проволоку и др.) и его сплавы используют для изготовления различных деталей и конструкций, применяемых в приборостроении, химическом машиностроении, электротехнической промышленности и в других областях машиностроения. Отличительными свойствами никеля является сочетание высокой прочности, пластичности (например, никель НП-О имеет s_в = 38-45 кгс/мм², d =32-50 %, Т_пл = 1450 ⁰С) и постоянство механических свойств в широком диапазоне температур.

Промышленность выпускает пять марок полуфабрикатного никеля по ГОСТ 849: НП-0 - 99,98 % Ni; НП-1 (99,9 %); НП-2 (99,5 %); НП-3 (99,3 %); НП-5 (99,0 %). В никеле НП-0 содержание примесей измеряется тысячными долями каждой. В никеле НП-1 допустимое содержание углерода, кремния и меди достигает сотых долей процента. Содержание серы и фосфора во всех марках никеля ограничивается 0,001 % каждого элемента.

Относительно невысокие механические свойства технического никеля и низкая его жаропрочность ограничивают использование никеля для изготовления конструкций. Как конструкционный материал, более широкое распространение в промышленности получили сплавы на основе никеля.

Никелевые сплавы могут быть разделены на три основные группы: коррозионно-стойкие (кислотостойкие); жаропрочные и жаростойкие (окалиностойкие).

Коррозионно-стойкие (кислотостойкие) сплавы на никелевой основе используют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах различных кислот при нормальных и повышенных температурах. К наиболее применяемым сплавам этой группы относятся монель - металл, инконель, хастеллой.

Монель - металл содержит 27 ÷ 29 % Сu, 2 ÷ 3 % Fe и 1,2 ÷ 1,8 % Мn. Этот сплав устойчив в растворах серной кислоты, морской воде и в концентрированных щелочах. Инконель (14 ÷ 17 % Сr, 6 ÷ 10 % Fe) применяют для изготовления деталей повышенной прочности, он отличается высокой коррозионной стойкостью, может работать в окислительной среде при высоких температурах.

Сплавы хастеллой имеют несколько модификаций. Сплавы А, В и С содержат молибден в пределах 20 ÷ 22, 26 ÷ 30 и 16 ÷ 17 % соответственно. Хастеллой С имеет добавки вольфрама (3,75 ÷ 5,25 %) и хрома (15,5 ÷ 17,5 %). Хастеллой А применяют для изделий, работающих в соляной кислоте при температуре до 70 ⁰С, в разбавленной серной кислоте вплоть до температуры кипения. Хастеллой В применяют для изделий, работающих в соляной кислоте всех концентраций вплоть до температуры кипения и может быть использован для изделий, работающих на воздухе при температурах до 760 ⁰С. Хастеллой С применяют для изделий, работающих при средних температурах в окислительных средах и на воздухе до температуры 1090 ⁰С.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе разделяют на деформированные и литые. Деформированные жаропрочные сплавы находят применение главным образом для изготовления напряженных деталей газотурбинных двигателей, работающих при повышенных температурах.

Большинство жаропрочных сплавов содержит хром в концентрациях 19 ÷ 22 и 13 ÷ 16 %, а также присадки Ti, Al, Mo, W, Nb, С, В, Ва, Са, Zr. Вредными примесями в этих сплавах, снижающими жаропрочность, могут быть примеси легкоплавких металлов Pb, Sn, Sb, Bi. Наибольшее распространение в отечественной промышленности из этой группы сплавов находят применение сплавы ХН78Т, ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН75МБТЮ, ХН7ВМТЮ.

Литые жаропрочные сплавы в большинстве случаев имеют более высокие пределы длительной прочности. Это связано с наличием в них дендритной структуры и с образованием в процессе кристаллизации боридных и карбидных фаз по границам кристаллов. По способу упрочнения литые сплавы разделяют на сплавы с карбидные упрочнением и сплавы с интерметаллидным упрочнением.

К первой группе сплавов относятся хастеллой В и С и сплав ВХН1; последний содержит до 1,2 % С, 1,5 ÷ 2,5 % Si и 35 ÷ 40 % Cr. Основной упрочняющей фазой в хастеллоях В и С служит двойной карбид Ni₃ (Мо, Сг)з С, а в сплаве ВХН1 - карбид типа – Ме₇С.

Ко второй группе сплавов с интерметаллидным упрочнением относятся сплавы ЖСЗ, ВНВЗОО, ВЖ36-Л2, ЖС6, ЖС6К, ВЖЛ8. Упрочнение в этой группе сплавов достигается в основном за счет появления в них фазы типа Ni (Al, Ti).

Жаростойкие (окалиностойкие) сплавы на никелевой основе используют для изготовления нагревательных элементов печей и для изделий, работающих при температурах 700-1100 ⁰С. Повышение жаростойкости никеля достигается введением в его состав 15-35% Cr. Дополнительное повышение жаростойкости никелевых сплавов, содержащих хром, достигается введением в них алюминия и малых добавок церия, кальция, тория и кремния.

Особенности сварки

В контакте с кислородом на поверхности никеля образуется пленка из закиси никеля NiO. Растворимость закиси никеля в твердом металле ничтожно мала. Растворимость в жидком металле - значительна. При температуре 1438 ⁰С закись никеля образует с никелем эвтектику, в которой содержится до 1,1 % NiO.

Растворимость водорода в никеле изменяется с изменением температуры. При переходе из твердого состояния в жидкое растворимость водорода в никеле скачкообразно возрастает и вблизи температуры плавления (1465 ⁰С) достигает 38,85 см³/100г. При дальнейшем повышении температуры растворимость водорода в никеле продолжает возрастать.

Азот практически нерастворим в твердом никеле вплоть до температуры плавления. В жидком никеле, особенно в условиях дугового разряда, растворимость азота может достигать больших значений. Уменьшение растворимости азота и водорода при охлаждении может вызвать образование пор.

В связи с высокой растворимостью водорода в жидком никеле критическая концентрация его в защитной атмосфере, способная вызвать пористость, велика и для реальных условий сварки труднодостижима (40 % и более). Поэтому возникновение водородной пористости при сварке никеля высокой чистоты маловероятно. Основной и наиболее опасный источник пор в условиях дуговой сварки в аргоне никеля высокой- чистоты - азот. Присутствие в защитной атмосфере азота более 0,05 % приводит к появлению пор в металле швов.

При сварке технического, никеля марок НП-2, НП-3 и НП-4, содержащего углерод (0,15 ÷ 0,2 %), образование пор возможно в связи с развитием реакции:

NiO + С = Ni + СО.

При сварке никеля с высоким содержанием кислорода в атмосфере, содержащей водород, может протекать реакция «водородная болезнь»:

NiO + Н₂ = Ni + Н₂О.

Развитие реакций восстановления Ni из NiO особенно вероятно при охлаждении, когда NiO в связи с уменьшением растворимости выделяется в виде самостоятельной фазы. В связи с этим реакции восстановления NiO могут не только служить причиной пор, но и вызывать охрупчивание никеля, из-за образования микротрещин под действием высокого давления образующихся газообразных продуктов реакции.

Поскольку при сварке окисление никеля не исключено, то (для получения соединений с достаточно высокими свойствами, свободных от пор и трещин, необходимо обеспечить раскисление ванны. Эта задача может быть, решена частично путем применения флюсов, способных связывать окислы никеля, или введения в ванну сильных раскислителей (Al, Ti и др.).

Важная особенность никеля - его высокая чувствительность к присутствию серы, которая образует легкоплавкую эвтектику (Ni + Ni₃S) с температурой 645 ⁰С. Образование эвтектики приводит к снижению пластичности металла и образованию трещин при кристаллизации. В связи с этим содержание серы в никеле различных марок ограничивается 0,001 %. Снижение вредного влияния серы достигается введением в никелевые сплавы до 1,5 % Мn.

Для предупреждения кристаллизационных трещин, вызываемых присутствием серы, в практике находит применение присадочная проволока с добавками 2,5 и 5 % Мn (НМц2,5 и НМц5). Металлургические особенности сварки никелевых сплавов указанных групп зависят от системы легирования и концентрации содержащихся элементов.

Наибольшую опасность при сварке этих сплавов представляет образование кристаллизационных трещин, возникающих в связи с развитием ликвационных процессов при кристаллизации металла. Основной путь борьбы с их возникновением заключается в применении присадочных металлов высокой чистоты, свободных от примесей, способных образовывать легкоплавкие выделения при кристаллизации.

Способы сварки

Наиболее широко для соединений никеля различной чистоты и сплавов на его основе используют сварку в аргоне неплавящимся (вольфрамовым) и в меньшей степени плавящимся электродами. Сварку вольфрамовым электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности. Для получения соединений, свободных от дефектов, весьма важна хорошая защита ванны от контакта с окружающей атмосферой.

Для никеля и некоторых его сплавов возможно также применение газовой, дуговой сварки покрытыми электродами и автоматической сварки под флюсом. При газовой сварке никеля рекомендуется применение флюсов на основе прокаленной буры и борной кислоты, наносимых в виде пасты на пруток и кромки, свариваемого металла.

Для дуговой сварки никеля марок Н-1 рекомендуются электроды марок Н-10 и Н-37 с покрытием основного вида. Возможно также применение электродов «Прогресс», построенных на основе шлаковой системы ТiO₂ –CaF₂-NaCI с добавками марганца, титана и алюминия как раскислителей.

При сварке никеля используется керамический флюс ЖН-1 (12 % CaCO₃, 60 % CaF₂, 5 % Mn, 6 % Ti и Al) или плавленые бескислородные флюсы марок АНФ-5, АНФ-8, 48-ОФ-6 в сочетании с проволоками НП-1, НП-2, НМц-2.5.

Выбор способа сварки в значительной степени зависит от особенностей конструкций, их назначения и требований, предъявляемых условиями эксплуатации. При сварке конструкций из никелевых сплавов с особыми свойствами (коррозионно-стойких, жаропрочных и жаростойких) основное внимание при разработке технологии уделяется сохранению этих свойств сварными соединениями. В этом случае очень большое значение имеет правильный выбор присадочного металла, тепловой цикл процесса и режим последующей термообработки.

Далее: 5.5. Технология сварки титановых сплавов