Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Некоторые характеристики медных сплавов и сталей и их взаимодействия между собой. Анализ результатов работ по разработке технологии сварки плавлением медных сплавов со сталями 11
1.1 . Некоторые характеристики медных сплавов и сталей и взаимодействия их основных элементов между собой - 11
1.2.Обзор работ по сварке плавлением меди и ее сплавов со сталями 13
1.3 .Анализ литературных данных. Задачи исследования 25
Глава 2. Исследование структуры и состава металла шва сварных соединений алюминиевых бронз со сталями 28
2.1 . Структура металла шва и сварных соединений 31
2.2.Химический состав металла шва и металла отдельных структурных составляющих в нем 51
2.2.1 .Химический состав металла шва 52
2.2.2.Химический состав матрицы металла шва 57
2.2.3 .Химический состав выделений железистой составляющей 60
2.2.4.Химический состав кристаллизационной прослойки 62
2.2.5.Химический состав диффузионной прослойки 65
2.2.6.Химический состав металла шва и структурных составляющих в
нем при различных сочетаниях основного и присадочного материалов... 67
2.3.Фазовый состав металла в зонах сварного соединения 69
2.4.Формирование состава и структуры металла шва 75
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Исследование влияния состава и структуры зоны сплавления и металла шва на механические свойства сварного соединения 82
3.1 . Механические свойства структурных составляющих 83
3.2.Влияние содержания железа на механические свойства металла шва.. 87
3.3.Влияние степени расплавления стали на временное сопротивление сварных соединени 91
3.1. Влияние состава и структуры металла шва и зоны сплавления его со сталью на ударную вязкость сварных соединений 99
Выводы по главе 3 116
Глава 4. Разработка технологии сварки алюминиевых бронз со сталями и ее освоение 118
4.1.Технология сварки бронзы со сталью с использованием подслоя 118
4.2.Технология сварки бронзы со сталью с применением специальных технологических приемов 123
4.3.Разработка и освоение технологии ручной и механизированной сварки алюминиевой бронзы со сталью в различных пространственных
положениях 129
Выводы по главе 4 133
Общие выводы по работе 135
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 153
- Некоторые характеристики медных сплавов и сталей и взаимодействия их основных элементов между собой
- Структура металла шва и сварных соединений
- Механические свойства структурных составляющих
Введение к работе
В судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности при изготовлении многих ответственных изделий необходимо применять сварку медных сплавов со сталями (соединения трубных решеток из медных сплавов со стальным корпусом при изготовлении конденсаторов; соединения стальных ниппелей, фланцев, штуцеров, переборочных стаканов с трубами из медных сплавов в трубопроводах забортной воды, хладона, систем углекислотного тушения, топливных трубопроводах, в системах дизель-генераторов и воздухоохладителей; соединения деталей из медных сплавов и стали в судовой арматуре; соединения стальных ребер жесткости с фланцами из медных сплавов на крышках охладителей в теплообменных аппаратах; соединения облицовочных полос или втулок из алюминиевых бронз со стальными деталями в узлах трения; соединения полос из алюминиевых бронз со стальным полотном дверей; соединения направляющих из алюминиевых бронз со сталью; соединения медной стенки кристаллизатора со стальной рубашкой; соединения массивной медной головки со стальными трубами фурм кислородного дутья; соединения углеродистых сталей с медью при изготовлении мартеновских фурм; соединения медноникелевого сплава с углеродистой сталью при изготовлении холодильных установок, испарителей, сосудов давления и др.).
Многие из приведенных выше ответственных изделий изготавливаются из сварных соединений алюминиевых бронз со сталями.
Сварка медных сплавов со сталями имеет определенные особенности и трудности, основными из которых являются малая растворимость меди в железе и железа в меди, различия в температуре плавления, составах, структуре и свойствах соединяемых металлов, возможность образования в шве новых структурных составляющих, отсутствовавших в исходных металлах и др.
Проведенный литературный обзор показал, что процессы формирования металла шва, особенности сварки сложнолегированных алюминиевых бронз со
сталями, влияние степени расплавления стали, состава и структуры металла шва на свойства сварных соединений меди и ее сплавов со сталями изучены недостаточно. Технология сварки разрабатывалась преимущественно для получения сварных соединений меди, медно-никелевого сплава МНЖ5-1 и бронзы БрАМц9-2 с углеродистыми сталями. Применяемая технология сварки и сварочные проволоки из сплавов марок МНЖКТ5-1-0,2-0,2, БрАМц9-2, SG СиА18 не обеспечивают временное сопротивление сварных соединений (другие свойства практически не рассматривались) на уровне свойств основных материалов, особенно при сварке сложнолегированных бронз с высокопрочными сталями. Исследования, проведенные в последнее время во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» по изучению механических свойств сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, показали, что при сварке по используемой в промышленности технологии значения ударной вязкости металла шва, особенно в зоне сплавления сталь-шов, в 3-4 раза ниже ударной вязкости бронзы. Временное сопротивление сварных соединений также ниже временного сопротивления бронзы. Причины такого понижения механических свойств сварных соединений ранее не исследовались.
Выполненные в настоящей работе исследования позволили установить причину получения низких значений ударной вязкости и временного сопротивления сварных соединений алюминиевых бронз со сталями и разработать новую технологию сварки, обеспечивающую получение временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений на уровне свойств бронзы, что дает возможность создавать современные конструкции с применением сварных соединений разнородных алюминиевых бронз и сталей.
Дель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы являлось разработка научно обоснованной технологии аргонодуговой сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, обеспечивающей получение временного сопротивле-
ния и ударной вязкости металла сварных соединений на уровне свойств бронзы.
Для достижение поставленной цели решались следующие задачи:
-исследование структуры металла шва сварных соединений в зависимости от степени расплавления стали;
-исследование химического и фазового состава металла шва и отдельных структур в нем;
-разработка схемы формирования состава и структуры металла шва при сварке;
-определение влияния состава и структуры металла шва на механические свойства сварных соединений;
-определение влияния технологии сварки на степень расплавления стали;
-разработка технологии сварки, обеспечивающей получение временного сопротивления и ударной вязкости сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями на уровне основного материала - бронзы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: -установлено, что при сварке алюминиевых бронз со сталями структура металла шва состоит преимущественно из двух сложных фаз переменного состава: а- фазы с ГЦК - решеткой (твердый раствор на основе меди) в виде матрицы металла шва и ф-фазы с ОЦК - решеткой (твердый раствор на основе а-железа) в виде ее выделений по сечению металла шва и кристаллизационной прослойки у границы сплавления со сталью; определены их химические составы и параметры кристаллических решеток;
-установлена закономерность изменения состава а- и ф- фаз, количества выделений ф- фазы и толщины кристаллизационной прослойки в зависимости от степени расплавления стали. С повышением степени расплавления стали увеличивается количество выделений хрупкой ф- фазы и толщина кристаллизационной прослойки, что приводит к существенному уменьшению ударной
вязкости металла сварных соединений и к изменению характера их разрушения от вязкого к хрупкому. При этом матрица металла шва обедняется упрочняющими элементами - алюминием и никелем, диффундирующими из жидкой а-фазы в образующуюся ф- фазу и в сталь, что приводит к уменьшению временного сопротивления металла шва;
-установлено, что для повышения временного сопротивления и ударной вязкости металла шва и сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями до уровня свойств бронзы технология сварки должна обеспечивать пониженную степень расплавления стали. Определены технологические параметры аргонодуговои сварки, обеспечивающие пониженную степень расплавления стали за счет того, что между дугой и сталью во все время процесса сварки имеется слой жидкого металла из медного сплава, предотвращающего непосредственное горение дуги между неплавя-щимся электродом и сталью;
-предложен критерий обеспечения конструктивной прочности разнородных сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями (по временному сопротивлению и ударной вязкости): среднее содержание ф- фазы в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью не должно превышать 25%;
-сформулирована схема формирования металла шва при сварке медных сплавов со сталями, учитывающая различия в теплофизических свойствах свариваемых металлов и ограниченную растворимость железа в бронзах и меди в железе и заключающаяся в следующем. Железо, перешедшее в сварочную ванну в результате расплавления стали в количествах, превышающих его растворимость в жидком медном сплаве, в процессе охлаждения сварочной ванны кристаллизуется как по ее сечению, так и на оплавленных зернах стали в виде отдельных выделений и кристаллизационной прослойки. В эти выделения и в прослойку диффундируют из сварочной ванны медь, алюминий, углерод и другие элементы, входящие в ее состав, формируя ф-фазу. Выделения ф-фазы, на-
ряду с оплавленными зернами стали и бронзы, становятся центрами дальнейшей кристаллизации металла шва. При достижении температуры солидуса оставшаяся жидкая часть сварочной ванны кристаллизуется в а- фазу. Из-за высокой скорости охлаждения сварочной ванны избыточные железо в а- фазе и медь в ф-фазе преимущественно сохраняются в них в виде пересыщенных твердых растворов на основе соответственно меди и а-железа.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- показано, что для обеспечения временного сопротивления и ударной вяз
кости металла шва сварных соединений алюминиевых бронз с углеродистой и
низколегированной сталью на уровне свойств основного металла (бронзы)
сварку следует выполнять таким образом, чтобы среднее содержание железа и
количество ф- фазы (по площади) в зоне переменного состава металла шва у
границы сплавления со сталью не превышали соответственно 16 и 25%;
-разработана новая технология аргонодуговой сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированными сталями, обеспечивающая пониженную степень расплавления стали, при которой содержание железа и ф- фазы в зоне переменного состава металла шва у границы сплавления со сталью не превышает соответственно 16 и 25%, а временное сопротивление и ударная вязкость сварных соединений находятся на уровне свойств бронзы;
-разработана и освоена на ОАО «ЛМЗ» технология аргонодуговой сварки в различных пространственных положениях плавящимся и неплавящимся электродом трубных досок из алюминиевой бронзы CuA18Fe с корпусом и фланцами из стали St 37-2 ( российский аналог Ст 3) применительно к изготовлению конденсатора и выпущена согласованная с ОАО «ЛМЗ» технологическая инструкция «Сварка трубных досок из алюминиевой бронзы марки CuA18Fe с корпусом и с фланцами конденсатора из стали St 37-2» №103-15;
- основные положения и результаты выполненной работы по разработке
технологии сварки алюминиевых бронз с углеродистыми и низколегированны-
ми сталями с пониженной степенью расплавления стали внедрены на ФГУП «Адмиралтейские верфи» при аргонодуговой сварки изделий МСЧ.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования влияния степени расплавления стали на структуру, химический и фазовый состав металла шва сварных соединений алюминиевых бронз со сталями;
особенности формирования как состава и структуры металла шва, так и отдельных структурных составляющих в нем при сварке разнородных алюминиевой бронзы и стали;
влияние степени расплавления стали при сварке на механические свойства (временное сопротивление и ударную вязкость) металла шва и сварного соединения в целом;
новая технология сварки алюминиевых бронз со сталями с пониженной степенью расплавления стали.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались: на ежегодной конференции молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2006, 2007г.г.); на семинаре «Петровские чтения» в рамках научно-технической конференции «160 лет Котлонадзора России» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.); на X всероссийском научно-практическом семинаре «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования» (г. Санкт-Петербург, 2004г.); на втором научно-практическом семинаре предприятий стран СНГ «Дуговая сварка. Материалы и качество» (г. Магнитогорск, 2005г.); на семинаре «Технология дуговой сварки и наплавки при решении задач современной промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2006г.); на научно-практической конференции «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике» (г. Санкт-Петербург, 2007г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 научно- технических работ, из них 6 в журнале, рекомендованном ВАК РФ, получены 3 патента Российской Федерации.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований и 2 приложений. Общий объем составляет 153 страницы компьютерного текста, включая 29 рисунков и 28 таблиц.
Некоторые характеристики медных сплавов и сталей и взаимодействия их основных элементов между собой
Особенности сварки медных сплавов со сталями обусловлены как значительными отличиями в составе и в тепло физических свойствах свариваемых сплавов, в типе и параметрах кристаллических решеток отдельных элементов и фаз, так и весьма ограниченной взаимной растворимостью основных элементов свариваемых материалов: меди и железа.
Медь в периодической системе элементов Менделеева имеет атомный номер 29 и стоит в одном ряду с железом (атомный номер 26) и никелем (атомный номер 28). Алюминий имеет атомный номер 13 и стоит в другом ряду, чем медь, железо и никель. Медь, алюминий, никель и у-железо имеют одинаковую ГЦК- кристаллическую решетку с параметрами а0 =3,6; 4,04; 3,51; 3,5бА соответственно; а- железо имеет ОЦК- кристаллическую решетку с параметром ао =2,8бА[63].
Рассмотрим некоторые физические свойства основных элементов и применяемых материалов (табл. 1.1).
Медь и ее сплавы, представленные в таблице, обладают более низкой температурой плавления (на 400С и более) по сравнению с железом и сталью (табл. 1.1).
Медь в сравнении с алюминием, никелем, железом, сталями и сплавами на медной основе обладает высокой теплопроводностью, в 1,6 раза больше, чем у алюминия, и в 3,3 раза больше чем у других рассматриваемых материалов (табл. 1.1).
Латуни, медно-никелевые сплавы, алюминиевые бронзы типа БрА9Мц2 имеют в 1,3-2,8 раза теплопроводность выше чем у сталей. Сложнолегирован-ные алюминиевые бронзы типа БрА9Ж4Н4Мц1 и оловянные бронзы имеют близкую теплопроводность со сталями (табл. 1.1).
Коэффициент линейного расширения меди и ее сплавов в 1,4 и более раз больше, чем у рассматриваемых сталей (табл. 1.1).
Одним из основных процессов, обеспечивающих получение сварных соединений, является процесс смачивания жидким медным сплавом стали и растекания жидкого медного сплава по поверхности твердой стали. Это особенно важно, когда свариваемые металлы имеют существенные отличия в температурах плавления. В работе [28] исследователи показали, что скорость растекания тонкого слоя медного сплава по поверхности стали СтЗ составляет: для бронзы БрКМцЗ-1 в вакууме при температуре 1373К -(1,8-КЗ,0) -10 5 см/с; при температуре 1473- (8,3- -23,0) 10"5 см/с; для бронзы БрАМц9-2 в аргоне при температурах 1433-1443К-(2,8-3,0) -10"5 см/с; при температуре 14573К-(2,95-3,96) -10"5 см/с; для меди Ml в аргоне при температурах 146-КЗ1473К- 3,85-10"5 см/с. Такая скорость растекания говорит о хорошей смачиваемости стали медными сплавами, что обеспечит образование прочной металлической связи между медными сплавами и сталью даже при отсутствии расплавления последней.
Согласно диаграмме состояния железо-медь [42, 50] при комнатной температуре в равновесном состоянии в медных сплавах с железом могут содержаться твердый раствор меди в железе (а ), твердый раствор железа в меди (є) и смесь твердых растворов (a + s ). Максимальная растворимость меди в 8-железе составляет 6,5%), в у-железе - 8%, в а -железе 1,4% при 850С и 0,3% при 700С. В свою очередь медь растворяет в себе железо в следующих количествах: при температуре 1094С - 4%, при 750С - 0,4% и при 650С - 0,2%. При дальнейшем понижении температуры растворимость железа в меди меняется чрезвычайно слабо, практически оставаясь постоянной. Растворимость железа в алюминиевых бронзах по данным работ [93, 96] составляет 2-3%.
Приведенные характеристики рассматриваемых элементов и материалов могут оказывать влияние на процесс формирования металла шва и их необходимо учитывать при разработке технологических процессов сварки для обеспечения получения качественных сварных соединений алюминиевых бронз со сталями.
Структура металла шва и сварных соединений
Исследование структуры металла шва и сварных соединений выполняли на шлифах, полученных из сварных соединений алюминиевых бронз со сталями (табл.2.1).
Шлифы для исследования подвергали травлению травителем, состоящим из ускусной ледяной кислоты - 30 мл, азотной кислоты -20мл (с концентрацией Д = 1,4), ацетона - 50 мл. Длительность травления шлифов 1 с. После травления производили промывку шлифов вначале уксусной кислотой, затем водой.
Исследование структуры металла сварных соединений производили методами оптической металлографии с применением микроскопов «Neophot-2», «Inimet Union 7565», «Axiovert 40MAT» и электронной микроскопии на микроскопе «SEM 535».
Микротвердость металла отдельных зон сварного соединения определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20-100 г. Площадь, занятую выделениями в металле шва, по отношению к площади шва в рассматриваемой зоне определяли с использованием программы Image Expert Pro 2.0.
Металлографические исследования сварных соединений сталь-бронза показали, что структура металла шва в них значительно отличается от структуры металла шва в сварных соединениях бронзы с бронзой или исходного присадочного металла и тем больше, чем больше степень расплавления стали [13, 14, 36-41, 87]. Структура металла шва сварных соединений бронзы с бронзой или исходного присадочного металла (металла, наплавленного присадочным материалом в медную водоохлаждаемую форму), выполненных с применением приведенных в таблице 2.1 сварочных проволок, состоит из:
- оо-твердого раствора на основе меди при применении проволоки из сплава МНЖКТ 5-1-0,2-0,2 (рис.2.1, а, б);
- ос-твердого раствора на основе меди при применении проволоки SGCuA18 (рис.2.1, в);
- а-твердого раствора алюминия и марганца в меди и эвтектоида (сс+уг) (где у2 - соединение типа от СизАІ до С119АІ4) при применении проволоки из бронзы БрАМц9- 2(рис.2.2, в, г);
- а-твердого раствора алюминия, никеля, железа, марганца в меди, эвтектоида (а+ае) и эг -фазы (рис.2.2, а, б), где se - фаза - соединение, обогащенное железом (до 70%), имеющее сложный состав (присутствуют все элементы, входящие в сплав) и объемно-центрированную кубическую решетку типа a-Fe при применении присадочной проволоки из бронзы БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5.
Структуры металла шва и зоны его сплавления со сталью и бронзой при различной степени расплавления стали для различных сочетаний применяемых материалов приведены на рисунках 2.3-2.9.
Исследования показывают, что вне зависимости от составов применяемых в работе основных и присадочных материалов металл шва сварных соединений алюминиевых бронз со сталями состоит из матрицы (медный сплав) и выделений новой фазы. Эти выделения в металле шва и в зоне сплавления его со сталью представляют собой новые структурные составляющие, отсутствовавшие в исходных материалах: выделения в металле шва новой фазы (железистой составляющей) и прослойки в зоне сплавления сталь-шов (рис.2.3-2.9).
Размеры отдельных выделений железистой составляющей в металле шва находятся в пределах от 1-2 до 50 мкм и более (рис.2.3-2.9). Эти выделения могут наблюдаться в виде единичных только у границы сплавления металла шва со сталью (рис.2.3,а,б; 2.4,а,б; 2.5,а,б) или располагаться по всей площади металла шва или отдельных его участков (рис.2.3,д,е; 2.4,г-е; 2.5,г-е; 2.6; 2.8). Форма выделения так же бывает различной: точечные, округлые, в виде денд-ритов, звездочек, глобулей (рис.2.3-2.7). Также выделения, но в небольших количествах, могут наблюдаться и в металле подслоя, предварительно наплавленного на кромку стали с применением присадочной проволоки, предназначенной для сварки бронзы со сталью (рис.2.3,а,б; 2.4,а,б; 2.5,6).
Механические свойства структурных составляющих
При сварке плавлением алюминиевых бронз со сталями, как правило, происходит расплавление стали. Поэтому в металл шва переходит определенное количество железа. В зависимости от степени расплавления стали оно может достигать 40 % и более. Это приводит к образованию в металле шва ф-фазы, которая заметно отличается по химическому составу от применяемых материалов. Образование в металле шва ф-фазы в виде ее выделений в металле шва и в виде кристаллизационных прослоек в зоне сплавления- со сталью может оказать существенное влияние на свойства сварного соединения. В работах [29, 32, 97] были рассмотрены свойства кристаллизационных прослоек, образующихся при наплавке меди и сплава МНЖКТ 5-1-0,2-0,2 на сталь ВСтЗ, и диффузионных прослоек, образующихся при плазменной наплавке (без расплавления стали) алюминиевых бронз на сталь. Эти исследования показали, что прослойки обладают высокой прочностью, низкой пластичностью и ударной вязкостью и что диффузионные прослойки оказывают отрицательное влияние на временное сопротивление наплавленных образцов при испытании на растяжение при толщине прослойки более 120 мкм при наплавке бронзы БрАМц9-2 на сталь.
Свойства ф-фазы (выделений и кристаллизационных прослоек, образующихся в металле шва при сварке алюминиевых бронз со сталями при различной степени расплавления стали), ранее не исследовались. Поэтому в настоящей работе выполнен комплекс исследований механических свойств рассматриваемых новых структурных составляющих, образующихся при сварке алюминиевых бронз со сталями.
Новые структурные составляющие - выделения ф-фазы и прослойки, образующиеся при сварке алюминиевых бронз со сталями, обладают малыми размерами, что не позволяет непосредственно исследовать их механические свойства. Для изучения их механических свойств были выплавлены в индукционной печи с поддувом аргона три варианта сплавов, имеющих химический состав, близкий к среднему составу ф-фазы.
Химический состав выплавленных сплавов, соответствующий составу новых структурных составляющих, представлен в табл. 3.2. При этом сплав 1 соответствует составу ф-фазы при сварке стали 20 и бронзы БрАМц9-2 с применением присадочной проволоки из бронзы марки БрАМц9-2; сплав 2 соответствует составу ф-фазы при сварке стали АБ2 с бронзой БрА9Ж4Н4Мц1 с применением присадочной проволоки и бронзы марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5; сплав 3 соответствует составу ф-фазы при сварке стали 20 с бронзой БрА9Ж4Н4Мц1 с применением присадочной проволоки из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2.
