Структура и свойства сварных соединений меди. Влияние термического цикла и легирующих элементов на свойства меди.
Техническая медь обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается в горячем и в холодном состоянии. Из-за высокой теплопроводности для расплавления равного объема металла для меди требуется в два раза больше тепла, чем для стали, поэтому ОШЗ при сварке меди значительно шире, что способствует развитию деформаций в сварных конструкциях. Медь как конструкционный материал для сварных изделий используется в холоднокатаном отожженном состоянии.
Примеси влияют на физические и технологические свойства меди. Условно их можно разделить на три группы:
1) примеси, ограниченно растворимые в твердой меди (кислород, фосфор, сера);
2) примеси, образующие с медью твердые растворы при сравнительно высокой концентрации (свыше 1,0 %) – железо, никель, мышьяк;
3) примеси, обладающие малой растворимостью в твердой меди (свинец, висмут).
Наиболее вредная примесь – кислород: снижает пластичность и коррозионные свойства меди ухудшается свариваемость. Кислород мало растворим в меди в твердом состоянии и при затвердевании выделяется в виде эвтектики медь-закись меди (Cu – Cu2О), располагающейся по границам кристаллов, и снижает свойства меди (рис.1.1).
Рис. 1.1 – примесь кислорода в меди
В меди кислород присутствует в виде отдельных глобулярных включений закиси меди. Такая форма и характер распределения практически не оказывают отрицательного влияния на пластичность меди при повышенных температурах.
Содержание кислорода в шве можно уменьшить путем раскисления сварочной ванны различными элементами: марганцем, кремнием, железом, фосфором, хромом, никелем и др.
Это повышает прочность, снижает пластичность, изменяет физико-химические свойства металла шва и влияет на характер кристаллизации, склонность к образованию трещин. При автоматической сварке меди под слоем флюса для металла шва характерно крупнозернистое ориентированное строение. Структура однофазная. При недостаточном раскислении или неудовлетворительной защите сварочной ванны в шве присутствуют выделения закиси меди глобулярной формы. Эвтектика Сu + Сu2О имеет точечное строение, где отдельные темные точки представляют собой выделения закиси меди, а основа эвтектики – твердый раствор кислорода в меди. Эвтектика плавится при температуре, несколько ниже температуры плавления меди, поэтому при кристаллизации она скапливается по границам зерен и способствует образованию горячих трещин. Сварные соединения чистой меди обладают высокой пластичностью, но прочность шва ниже прочности основного металла. Для достижения равнопрочности сварного соединения рекомендуется применять проволоку из медных сплавов, в состав которых входят марганец, алюминий, кремний и др.
Введение в шов до 1,0 % алюминия практически не изменяет его структуры. Она остается столбчатой и крупнозернистой, как и в шве чистой меди. Швы, легированные кремнием, характеризуются резко выраженным дендритным строением. В околошовной зоне (ОШЗ) происходит значительный рост зерна. Алюминий и кремний практически не влияют на величину зерна в шве и ОШЗ. Заметное влияние оказывают хром, железо, кобальт.
Железо, кобальт и кремний оказывают модифицирующее действие на структуру металла вследствие выделения в процессе кристаллизации тугоплавких фаз, представляющих собой твердый раствор меди в хроме, железе или кобальте.
Никель, марганец, олово, титан и некоторые другие элементы в небольших количествах практически не оказывают измельчающего действия на структуру.
Очень вредными примесями в меди являются свинец, висмут и сера, сотые доли процента которых оказывают заметное влияние на стойкость к трещинам. Свинец и висмут почти не растворимы в меди и образуют с ней легкоплавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерен. Для связывания свинца добавляют кальций, цирконий, цезий; для висмута – магний, литий, кальций.
Особенности структуры и свойства сварных соединений бронз и латуней.
Бронзы – медные сплавы с добавками в качестве легирующих элементов олова, алюминия, марганца, кремния, бериллия и др.
Оловянистые бронзы малочувствительны к перегреву, хорошо свариваются и обладают хорошими антифрикционными свойствами.
Диаграмма Сu– Sn имеет сложное строение и характеризуется рядом перитектических и эвтектоидных превращений, в результате чего образуются различные фазы (α, β, γ, δ, ξ). С увеличением содержания олова возрастают твердость и прочность сплавов, однако пластичность их снижается.
Структура бронзы, содержащей 5 % олова представлена на рис.2.1. Недостатком сплавов является склонность к обратной ликвации, т.е. при кристаллизации литого металла легкоплавкая составляющая, обогащенная оловом, перемещается от центра к периферии, что приводит к химической неоднородности. Для оловянистых бронз характерен большой интервал кристаллизации (150-160 ºС), что вызывает пористость. Улучшаются свойства при введении свинца.
Рис. 2.1 – Структура бронзы с 5% олова
Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость (в атмосферных условиях и в морской воде, органических кислотах), низкий коэффициент трения.
Согласно диаграмме Сu – Аl однофазная α – область при температуре 565ºС наблюдается при содержании алюминия до 9,4 %. Однофазные сплавы с α – структурой имеют высокую пластичность. Двухфазные – значительно большая прочность и твердость, хорошо свариваются.
При сварке кристаллизация начинается и заканчивается образованием α – твердого раствора. Для микроструктуры характерна сильно выраженная столбчатая структура, что приводит к трещинам (рис.2.2).
Рис. 2.2 – Столбчатая структура
Введение добавок изменяет структуру и свойства: железо (образуется FeAl3) заметно измельчает зерно; марганец повышает коррозионную стойкость, морозоустойчивость, хорошо обрабатывается бронза; железо и марганец, а также железо и никель повышают предел прочности; цинк предупреждает пористость.
Латуни условно разделяются на двойные и многокомпонентные. Двойные латуни типа Л62, Л68, Л90 представляют собой сплавы меди с цинком, многокомпонентные — кроме меди и цинка содержат еще другие легирующие элементы (алюминий, никель, железо, кремний и др.).
Двойные латуни удовлетворительно свариваются автоматической сваркой. Цинк, содержащийся в латуни, является активным раскислителем. Медь с цинком образует фазы α, β, γ, δ и ε. Фаза αпредставляет собой твердый рас-твор цинка в меди. Фаза β образуется на основе соединения Cu — Zn.
Согласно диаграмме состояния Си — Zn растворимость цинка в α-кристаллах с понижением температуры возрастает. Фаза β при высоких темпера-турах имеет довольно широкую гомогенную область. С понижением температуры происходит распад β-кристаллов с выделением α- или γ-кристаллов в зависимости от состава латуни. Фаза β является неупорядоченным твердым раствором.
В процессе охлаждения при температуре 450—470° С происходит упорядочение атомов меди и цинка. Ниже этой температуры β-фаза является упорядоченным твердым раствором и обозначается β'. В зависимости от содержания цинка двойные латуни разделяются на α-, (α + β)- и β-латуни.
Рис. 2.3 – Сплав, типа Л62, двухфазная (α + β) латунь
Сплавы, содержащие до 40% Zn (типа Л62), принадлежат к двухфазным (α + β) латуням, структура металла шва которой представлена на рис.2.3. Следует отметить, что в условиях сварочного нагрева и охлаждения появление β-фазы в металле можно наблюдать при меньшей концентрации цинка. В структуре шва, содержащего 32% Zn, уже присутствует незначительное количество β-фазы. Прочностные свойства двойных латуней зависят от их структуры и содержания в них цинка. Увеличение в шве содержания цинка вызывает довольно резкое увеличение предела прочности. Пластичность при этом несколько снижается. Прочность латуней возрастает при легировании их оловом, марганцем, железом, кремнием или алюминием.
Введение в швы двойных латуней третьего компонента изменяет не только их свойства, но и структуру. Установлено, что третий элемент, вводимый в латуни, сдвигает границы α- и (α + β)-областей. Добавляемый элемент оказывает на структуру такое же влияние, как и сам цинк, но эффект от добавки каждого процента элемента иной.
Никель расширяет α-область. Поэтому если никель добавлять к (α + β)-латуням, то сплав по структуре может стать однофазным (α-латуни). Введение в литые латуни железа способствует измельчению структуры и увеличивает его прочность при незначительном снижении пластичности.
Железо очень мало растворимо в латунях в твердом состоянии. При со-держании его более 0,5% оно наблюдается в виде самостоятельных включений железистой составляющей. Влияние железа на трещинообразование сварных швов зависит от содержания в них цинка. Склонность к образованию трещин повышается с увеличением в шве количества цинка. При прочих равных условиях увеличение количества цинка должно всегда сопровождаться уменьшением в шве содержания железа.
Кремний значительно сужает область α-фазы. Он повышает прочность, особенно с увеличением содержания в латунях цинка. Легирование швов кремнием до 1% практически не вызывает снижения пластичности. Трещины в швах с кремнием обычно наблюдаются при содержании его выше 3%. Микроструктура шва, содержащего 26% Zn и 1,2% Si, представляет собой α-твердый раствор с четко выраженными крупностолбчатыми кристаллитами. Подобная структура склонна к образованию трещин. Шов, содержащий более высокое количество цинка, имеет уже двухфазную (α + β)-структуру и менее склонен к образованию трещин. С повышением кремния в структуре швов появляется γ-фаза. Наличие в шве строчечных выделений γ-фазы вызывает появление холодных трещин по местам ее скопления.
Добавки алюминия так же, как и кремния, придают швам повышенную прочность, твердость и коррозионную стойкость. Никель, как и алюминий, входя в твердый раствор, улучшает механические свойства швов они имеют однофазную структуру с дендритным строением. Поскольку никель расширяет α-область, содержание цинка в швах с сохранением однофазного строения может быть повышено.
Введение свинца в латунь резко ухудшает ее свариваемость. Свинец не растворим в твердом состоянии в меди и поэтому выделяется по границам зерен α-фазы. висмута аналогично поведению свинца. Если шов кристаллизуется с образованием однофазного α-твердого раствора, свинец и висмут скапливаются по границам зерен, способствуя образованию трещин. Фосфор и мышьяк в латунных швах являются вредной примесью. Они плохо раствори-мы в латуни в твердом состоянии. При содержании в швах выше 0,06% Р и 0,1% As в структуре выделяются хрупкие химические соединения Сu3Р (фосфид меди) и Cu3As, которые повышают твердость и резко снижают пластичность швов.