Металлография сплавов железа

Лямблер И., Греди Т., Хабракен Л.

Металлургия, 1985 г.

5. Способы соединения, родственные сварке

Способами, родственными сварке, называют несколько технологических процессов, основанных на применении устройств и вспомогательных средств типа применяемых при сварке или дающих результаты, близкие достигаемым при сварке. К ним относятся, например, обычная пайка, пайка с большим зазором и специальной подготовкой кромок, наплавка, термическое распыление (металлизация), термическая резка и поверхностные способы нагрева (закалки).

5.1. Обычная пайка

и пайка с большим зазором

Оба эти способа отличаются от сварки тем, что соединение достигается без оплавления кромок соединяемых деталей — только смачиванием, незначительной диффузией и затвердеванием присадочного металла (припоя), температура плавления которого гораздо ниже, чем температура плавления основного металла. При обычной пайке присадочный материал вводится в запаиваемую щель за один раз; при пайке с большим зазором этот материал (припой) подводится на обработанные кромки или к поверхностям стыка, отстоящим одна от другой на некоторое расстояние, постепенно (в несколько приемов).

5.1.1. Обычная пайка

с одноразовым подводом припоя

При этом процессе необходима более тщательная и точная подготовка кромок, чем при сварке, поскольку жидкий припой всасывается в запаиваемую щель под действием капиллярных сил. Получение надежного соединения зависит от эффективности смачивания; поэтому ширина запаиваемого зазора не должна, как правило, превышать 0,1 мм; кроме того, перед пайкой и во время нее необходимо удалять все, что мешает смачиванию (жир, оксиды); для этого необходимо применять предварительную очистку, обезжиривание, травление; плавить припой следует в вакууме или в атмосфере защитного газа; во время пайки нужно добавлять флюс.

Различают пайку мягким или твердым припоем — в зависимости от того, превышает рабочая температура 450 °С или она ниже этого значения.

Для пайки углеродистой стали (<0,45 % С) мягким припоем обычно используют припои рила сплавов свинца с оловом (в соотношении 60:40), которые можно расплавлять источником тепла умеренной интенсивности (паяльником, горелкой с низкой температурой факела).

Для пайки твердым припоем необходим более интенсивным нагрев (факел с более высокой температурой, нагрев электросопротивлением, в индукторе, в печи). Применяется много различных припоев: для пайки стали обычно используют медь, латунь и сплавы медь — серебро. Выбор того или иного припоя зависит от характера источника тепла, от рабочей температуры и от заданных механических свойств. Коррозионностойкие аустенитные стали, не подвергающиеся нагреву для снятия остаточных напряжений, необходимо паять при возможно более низких температурах (с применением сплавов медь — серебро), чтобы предотвратить выделение карбидов.

5.1.2. Пайка с большим зазором

Этот способ пайки, обычно осуществляемый в пламени ацетилено-кислородной горелки, удобен тем, что структура основного металла вблизи от переходной зоны изменяется лишь незначительно.

Деформация по сравнению с наблюдаемой при сварке тоже получается небольшой.

В качестве припоя при пайке с большим зазором стали и чугуна применяют латунь, содержащую 0,15 % Si, которая плавится при температуре около 880 °С; пайка выполняется с флюсом. Стальные конструкции, находящиеся под воздействием механических напряжений, паять нельзя, потому что жидкий припой в таком случае может проникнуть по границам зерен в металл и вызвать трещинообразо-вание.

Как обычная пайка с разовым подводом припоя, так и пайка с большим зазором и подготовкой кромок могут быть применены также для соединения разнородных материалов.

5.2. Наплавка

Наплавка на изделие проводится либо с целью ремонта, либо для нанесения на изделие поверхностного слоя, отличающегося более высокой износостойкостью или стойкостью против коррозии.

Для стали в зависимости от формы детали, класса материала, толщины изделия и площади наплавляемой поверхности применяют наплавку в ацетилено-кислородном пламени, дуговую наплавку при помощи электродов с обмазкой, сварку под слоем флюса, сварку по способам MIGи MAGили плазменную при помощи электродной проволоки без обмазки, порошковой проволоки, ленточных электродов или электродов из железного порошка, а также электрошлаковую сварку. Обычно наплавляют покрытия из высокотвердых хромомар-гаицовистых сталей, мартенситной стали с 13 % Сг, ауетенитной стали с 14 % Мп, кор-розионностойкой хромоникельмолибденовой стали, дисперсионно-твердеющей стали, сплавов системы Сг—Со—W, вольфрамовых или молибденовых сплавов и свинца.

Чтобы по возможности сохранить свойства наплавляемого металла, стремятся получить минимальную степень перемешивания, при которой еще обеспечивается достаточно прочное металлическое соединение. Практикуют также термическую обработку, чтобы предотвратить трещинообразование, коробление и возникновение остаточных напряжений.

5.3. Термическое распыление,

или металлизация

Металл (или другой материал) в виде проволоки или порошка расплавляется при прохождении   через   источник тепла   (факел   горелки,

.плазму, электрическую дугу) и отбрасывается на основной (покрываемый) металл сжатым воздухом.

Во время полета шаровидные частицы распыляемого металла (имеющие диаметр 0,01— 0,15 мм) частично затвердевают еще до удара об основной металл; при этом частицы покрываются оксидной корочкой. Сцепление этих частиц с основным металлом и между собой является чисто механическим процессом. Частицы сцепляются одна с другой настолько прочно, что слон покрытия приобретает высокую плотность. Однако получаемое таким путем покрытие все же остается пористым и содержит к тому же оксидные включения (см. выше).

Лучшее сцепление достигается на чистой шероховатой поверхности, поэтому основной металл непосредственно перед металлизацией подвергают обезжириванию и пескоструйной (или дробеструйной) очистке. Этого достаточно, если нужно нанести только тонкий декоративный или антикоррозионный слой (цинка, алюминия, никеля, монеля, латуни, коррозионностойкой стали типа 18-8 и т. п.). Изделия с таким покрытием обычно используют без дополнительной термической обработки; некоторые покрытия, например, из алюминия, можно после металлизации подвергать термической обработке (диффузионному отжигу).

Если же требуется наносить более толстый слой покрытия, чтобы придать изделиям износостойкость или отремонтировать их, то одной струйно-абразнвной обработки недостаточно; необходима грубая резьбовая обточка поверхности с обкатыванием ее роликами. Качество соединения можно существенно улучшить, если предварительно нанести (тоже методом металлизации) подслой молибдена, так как высокая температура плавления этого металла облегчает сцепление со сталью.

Тугоплавкие материалы (Аl2О2, MgO, W, Zrи т. д.) наносят при помощи плазменной горелки.

Если нужно наносить металлизацией сплавы системы Сг—Со—Wи/или Ni—С—В—Si, то соединение может быть обеспечено даже в результате контакта твердое — жидкое. Метал-лизованный слой получается особо твердым и коррозионностойким, а плотность его сопоставима с достигаемой при наплавке, но коробление при металлизации меньше.

5.4. Термическая резка

Этот общий термин охватывает несколько процессов резки стали оплавлением. Такие процессы подразделяются на две группы в зависимости от того, используется ли химическое действие кислорода или нет.

5.4.1. Способы с использованием химического действия кислорода

5.4.1.1. Газовая (огневая) резка

Экзотермическую реакцию сжигания железа и жидкое состояние получающейся смеси FeOи Fe2O3 используют для того, чтобы разрезать металл при помощи струн кислорода, воздействие которой сосредоточивается в узкой зоне металла, предварительно нагретого до красного каления. В месте встречи струи с металлом происходит оплавление, а тепло горения поддерживает процесс плавления.

Для этого используют специальную горелку с наконечником, имеющим центральное отверстие для режущего кислорода и вокруг него отверстия для нагревательного пламени, т. е. для смеси кислорода с горючим газом (ацетиленом, метаном или пропаном). Этот факел используется для инициирования реакции, а во время процесса газовой резки он подводит дополнительное тепло. Распределение подводимой энергии по всей толщине реза позволяет получить рез постоянной ширины.

В металлургическом отношении развитие этих процессов, как и при сварке, зависит от изменения температуры во времени и от марки стали. При газовой резке в связи с ее высокой скоростью зона термического влияния получается не такой широкой, как при ацети-лено-кислороднон (автогенной) или дуговой сварке. Следовательно, может легче получиться структура подкалки. Поэтому для предотвращения трещинообразования рекомендуется предварительный подогрев подкаливающихся сталей. На поверхностях реза изменяется и химический состав, например, вследствие обогащения углеродом из-за локальной потери железа в низкоуглеродистых сталях или, наоборот, вследствие обеднения углеродом (выгорания его) высокоуглеродистых сталях.

Легирующие элементы могут влиять на реакции окисления и, следовательно, изменять условия резки. Так, увеличение содержания углерода в стали снижает скорость резки (имеется в виду протекание эндотермической реакции. Кроме того, выделяющийся оксид углерода обеспечивает теплоизоляционную защиту. Хром, никель и кремний также затрудняют процесс резки, так как они образуют тугоплавкие оксиды. Сталь, содержащая более 4 % Сг, уже не поддается газовой резке.

Местное воздействие тепла вызывает, как и в случае сварки, возникновение остаточных напряжений, которые, однако, частично снимаются в ходе самой разрезки.

Газовую резку кислородом можно легко выполнять и под водой. Конструкция газового резака при этом соответственно изменяется; для работы на больших глубинах вместо ацетилена к горелке подводят водород.

5.4.1.2. Резка

с применением железного порошка

Производительность газо-кислородной резки может быть повышена, если в режущую струю ввести очень тонкий железный порошок. Полученный таким путем оксид не только вносит большое количество тепла, но и оказывает механическое воздействие как абразивный материал. Таким способом можно резать главным образом коррозионностойкие стали и чугунное литье.

5.4.1.3. Дуговая резка

В этом случае в качестве источника тепла используют дугу, которая зажигается между изделием и пустотелым электродом с покрытием, через который подводится кислород под высоким давлением. Покрытие электрода облегчает процесс резки, выделяя шлакообразующий флюс.

Для подводной дуговой резки применяют пустотелые графитовые электроды.

5.4.2. Резка оплавлением

без использования

химического действия кислорода

5.4.2.1. Дуговая резка

с подачей сжатого воздуха

Электрическая дуга зажигается между омедненным графитовым электродом и изделием. Струя сжатого воздуха сдувает расплавленный металл и освобождает сечение реза.

5.4.2.2. Плазменно-дуговая резка

Используют плазменный резак, конструкция которого предусматривает механическое перемещение дуги. Струя плазмы должна быть достаточно мощной для того, чтобы удалить расплавившийся металл. В отличие от газовой (огневой) резки температура по фронту плазменно-дутовой резки постепенно снижается, так что ширина реза несколько уменьшается (разрез приобретает клиновидную форму).

Такой способ резки рекомендуется для всех электропроводящих материалов, в частности для хромистой и хромоникелевой стали и для литейного чугуна. Температура в цикле резки изменяется по более крутой зависимости, чем при газовой резке стали той же марки.

5.5. Поверхностная закалка

Для повышения износостойкости стали и серого чугуна нагревают поверхность детали горелкой и затем резко охлаждают (закаливают) ее.

Поскольку закаленная таким способом зона имеет небольшую глубину (1—3 мм), опасность охрупчивания невелика.

Пламя ацетилено-кислородной горелки, направленное на поверхность изделия перпендикулярно к ней, является наиболее простым средством эффективного ее прогрева за очень короткое время. Закалка сильной струей воды получается более резкой еще и потому, что большая масса изделия, температура которого остается гораздо ниже точки Ас_исущественно помогает отводу тепла. Поэтому можно легко получить превышающие критическую скорости охлаждения.

Различают два варианта поверхностного упрочнения: локальную закалку (обычно вращающегося изделия) и закалку по всей поверхности (при линейной подаче источника тепла).

Быстрая аустенитизация, малое время выдержки и быстрое охлаждение предотвращают рост зерна и обеспечивают полную закаливаемость с получением очень тонкого мартенсита, более твердого, чем при традиционных способах закалки. Деформация изделий незначительна. Размер нагреваемой зоны зависит от мощности факела и от времени прогрева.

Упрочнение поверхностной закалкой наиболее целесообразно для сталей, содержащих 0,35—0,45 % С. Легирующие элементы, в частности хром, играют важную роль, потому что они увеличивают прокаливаемость и тем самым глубину закаленного слоя.