Основные трудности, возникающие при соединении тугоплавких металлов сваркой и пайкой, заключаются в повышенной хрупкости сварных соединений вследствие загрязнения металлов шва и околошовной зоны примесями внедрения, рекристаллизации основного металла в зоне термического влияния, значительной склонности тугоплавких металлов к образованию трещин, возникновении пористости в швах и околошовной зоне и других причин. Поэтому основной характеристикой оценки качества сварного соединения, как правило, является температура хладноломкости и другие показатели, позволяющие в первую очередь оценивать пластические свойства сварных соединений.
Тугоплавкие металлы характеризуются высокой прочностью межатомных связей, высокой прочностью и жаропрочностью, низкими значениями теплопроводности, низкими значениями коэффициентов линейного расширения, обладают высокой коррозионной стойкостью в сильных кислотах и жидких щелочных металлах, а также высоким электросопротивлением.
Основными трудностями при сварке являются: высокая окисляемость и большая склонность сплавов к газопоглощению.
Хрупкость тугоплавких металлов и сплавов зависит от многих факторов: содержания примесей внедрения, структуры, условий деформирования и других. Наиболее сильное влияние на хладноломкость оказывают примеси внедрения (кислород, водород, азот, углерод), так как резко повышают твердость и прочность и снижают пластические характеристики. Особенно вредно распределение неметаллических соединений в виде пленок по границам зерен. В этом случае резко ослабляется связь между зернами, результате чего происходит хрупкое разрушение металлов по границам зерен. Примеси внедрения, находящиеся в твердом растворе и не выделившиеся по границам зерен в виде неметаллических включений, также заметно ухудшают пластичность тугоплавких металлов главным образом в результате торможения движения дислокаций и уменьшения сопротивляемости распространению трещин по действующим атомным плоскостям. Важное значение имеет протяженность межзеренных границ: в мелкозернистой структуре вредное влияние примесей внедрения уменьшается.
Ниобий и его сплавы. Большой интерес представляет теплопроводность ниобия, которая с повышением температуры до 12000ºС не снижается, как это наблюдается у других металлов, а повышается. Высокая коррозионная стойкость в сильных кислотах и в расплавленных металлах, стойкость против облучения, благоприятные ядерные характеристики, сверхпроводимость
Чистый ниобий обладает высокой пластичностью и поддается всем видам обработки давлением. Он хорошо сваривается и паяется в вакууме или среде защитных газов. Однако он не отличается высоким уровнем прочности при повышенных температурах.
Сварка ниобия и его сплавов отличается определенными особенностями, обусловленными физико-химическими свойствами – высокой температурой плавления и большой активностью по отношению к кислороду, азоту и водороду. Так, ниобий начинает окисляться на воздухе уже при 200°С.
Тантал и его сплавы. Чистый тантал характеризуется высокой пластичностью вплоть до температур жидкого гелия, что связано с относительно большей растворимостью в нем примесей внедрения, особенно азота и кислорода. Предел растворимости азота и кислорода в тантале при комнатной температуре равен 0,44 и 0,2% соответственно.
При нагреве на воздухе тантал так же, как и ниобий, начинает окисляться, начиная с 200—300°С Наряду с окислением происходит диффузия газов в металле и под окисной пленкой образуется газонасыщенный слой, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева.
Характерной чертой тантала является его высокая сопротивляемость эрозии даже в отожженном состоянии. После закалки металла сопротивляемость эрозии увеличивается до такой степени, что он может выдерживать действие жидкого или парового потока большой скорости. У тантала исключительно высокая коррозионная стойкость, сочетающаяся с достаточно большой прочностью и теплопроводностью и высокой температурой плавления. К числу отрицательных свойств тантала относится очень плохая устойчивость под нагрузкой.
Ванадий и его сплавы. Сравнительно малая плотность (6,1 г/см3), хорошая химическая стойкость. удельной прочности при температуре до 1200°С. Важным преимуществом ванадиевых сплавов является высокая пластичность их сварных соединений и гораздо лучшая, чем у ниобия или молибдена, стойкость против высокотемпературного окисления.
Чистый ванадий (99,8—99,9%) обладает высокой пластичностью, поддается всем видам обработки давлением и сварке. Чистота свариваемого металла важна для качества шва. При сварке примеси, содержащиеся в основном металле вблизи сварного шва, концентрируются по границам зерен, ухудшая свойства сварного соединения. Это явление может усиливаться за счет примесей, поступающих из защитной атмосферы.
Молибден и его сплавы обладают тугоплавкостью, высокими жаропрочностью и сопротивлением ползучести, имеют хорошие упругие свойства, малый коэффициент термического расширения, высокая коррозионная стойкость в расплавах и парах щелочных металлов (лития, натрия, церия) и на воздухе, относительно малая растворимость в минеральных кислотах.
Недостаток молибденовых сплавов — высокая температура хладноломкости в литом и рекристаллизованном состоянии, Физико-химические и технологические свойства молибдена и сплавов зависят от содержания в нем примесей внедрения кислорода, водорода, азота и углерода, а также от величины зерна, распределения и формы выделений примесных включений Углерод наиболее сильно влияет на хладноломкость молибдена и его сплавов. Уменьшение содержания углерода в молибдене с 0,004% вызывает снижение температуры хладноломкости от 120 до —500°С.
Растворимость примесей внедрения молибденовых сплавов минимальна и поэтому они представляют собой пересыщенные твердые растворы внедрения с выделениями вторых фаз — карбидов, нитридов, оксидов. Концентрируясь на границах зерен, они ослабляют связи, резко снижая пластичность и прочность сплава, и тем самым облегчают зарождение и развитие трещин.
Вольфрам имеет температуру хладноломкости в интервале 100—500°С (для технического вольфрама). При снижении содержания примеси примерно в два раза температура хладноломкости его снижается до 200°С.
Вольфрам обладает высокие тугоплавкость и модуль упругости, высокие электросопротивление и электронная эмиссия при нагреве. Отрицательными качествами вольфрама являются его окисляемость при нагреве и низкая пластичность и хрупкость при комнатной температуре.
Вольфрам относится к числу трудносвариваемых металлов. Сварные соединения вольфрама и малолегированных сплавов на его основе хрупкие. Наличие литой структуры, очень крупного зерна в околошовной зоне и выделений по границам зерен, а также развивающиеся термические напряжения приводят к возникновению в сварных соединениях трещин.
Для сварных соединений вольфрама с ниобием, молибденом и танталом, полученных сваркой неплавящимся электродом в инертной атмосфере, температура перехода из пластичного состояния в хрупкое превышает 650—700° С. При температурах ниже 1650° С прочность сварных соединений значительно ниже прочности основного металла, а при температурах выше 2000° С их прочность уравнивается. Примерно такие же свойства сварных соединений достигаются при электродуговой сварке плавящимся электродом в инертной атмосфере вольфрамовых листов толщиной 2,3— 3,7 мм (сварка с двух сторон).
Для уменьшения склонности сварного соединения к растрескиванию в некоторых случаях при сварке вольфрама применяют предварительный подогрев. При подварке остывших швов сварные соединения обнаруживают значительную склонность к растрескиванию
Хром по химическим свойствам, хром близок к высоколегированным коррозионно-стойким нержавеющим сталям. Для повышения жаропрочности и жаростойкости хром легируют титаном, ванадием, цирконием, гафнием, вольфрамом и другими элементами. Добавки вольфрама и молибдена приводят к образованию твердых растворов и упрочнению сплавов. Введение небольшого количества ванадия способствует повышению ударной вязкости. Небольшие (до 1 %) добавки редкоземельных элементов вызывают измельчение зерна, повышение прочности и коррозионной стойкости, рост температуры рекристаллизации. Добавки металлов цериевой подгруппы обусловливают наибольшее повышение пластичности, добавки металлов иттриевой подгруппы обеспечивают наибольшую работоспособность при высоких температурах. Наиболее вредной примесью для хрома являются азот.
Хром и его сплавы обладают плохой свариваемостью. При комнатной температуре сварные соединения малопластичны. Предел прочности тонколистового технического хрома составляет 300 МПа (основной металл 400 МПа). Температура перехода сварного соединения технического хрома из вязкого в хрупкое состояние зависит от способа сварки.
3. Контрольные вопросы
1. Характеристика сварных соединений титана.
2. Какие структурные превращения происходят в околошовной зоне сварных соединений титана?
3. Общая характеристика и трудности получения качественных сварных соединений тугоплавких металлов:
· ниобия и его сплавов?
· тантала и его сплавов?
· ванадия и его сплавов?
· молибдена и его сплавов?
· вольфрама и его сплавов?
· хрома и его сплавов?