Влияние легирующих элементов на свариваемость сплавов.

Министерство образования Российской федерации

Департамент образования и науки Пермской области

 

 

Профессиональное училище №52

 

 

Письменная дипломная работа

на тему: “Сварка никеля”

 

Выпускник: Березин В.А.

                                                                                               Специальность:

Электрогазосварщик

                                          Группа №18

Преподаватель по спецтехнологии

                                          Трутнева О.М.

 

                                          Работа допущена к

                                          защите с оценкой:

 

г. Пермь

Введение

 

 

 

    Знакомство человека с никелем состоялось, по-видимому, задолго до н.э.. Древ­ние китайцы, например, ещё в III веке до н.э. выполняли сплав никеля с медью и цин­ком – “Пактонг”, который пользовался спросом во многих странах. Бактрийцы же из­готавливали из этого сплава монеты. Одна из таких монет, выпущенная в 235 году до н.э., хранится в Британском музее в Лондоне.

    Как элемент никель был открыт 1751 году шведским химиком Кронстедтом, ко­торый обнаружил его в минерале никелине. Но тогда этот минерал назывался иначе – купферникель (“Медный дьявол”). Дело в том, что ещё в средние века саксонские ру­докопы часто встречали минерал красноватого цвета. Из-за своей окраски камень был ошибочно принят ими за медную руду. Долго пытались металлурги выплавит из этой “медной руды” медь, но шансов на успех было едва ли больше, чем у алхимиков, на­деявшихся при помощи “философского камня” получить золото из мочи животных.

    Возможно, средневековым аспирантам удалось в дальнейшем научно обосновать эту смелую гипотезу. Во всяком случае, попыток получить из красноватого минерала медь больше уже не предпринимали. А чтобы и впредь никто не соблазнился этой пус­той затеей, минерал решено было назвать “медным дьяволом”.

    Кронстедт, вероятно, не был суеверным. Не убоявшись “дьявола”, он всё-таки сумел получить из купферникеля металл, но не медь, а какой-то новый элемент, кото­рый он и нарёк никелем.

    Прошло ещё полвека, и немецкому химику Рихтеру удалось выделить из руды относительно чистый никель – серебристо-белый металл, с едва уловимым коричне­вым оттенком, очень ковкий и тягучий. Но о производстве никеля в промышленных масштабах тогда ещё и не было речи.

    В 1865 году крупные месторождения никелевых руд были обнаружены в Новой Каледонии. Начальником горного департамента этой французской колонии незадолго до описываемых событий был назначен Жюль Гарнье, обладавший исключительной энергией и глубокими знаниями. Он тотчас развил бурную деятельность, надеясь найти на острове полезные ископаемые. Вскоре его поиски увенчались успехом: недра острова оказались богатыми никелем. В честь энергичного француза новокаледонский никель, содержащий минерал назвали Гарниеритом.

    Спустя почти два десятилетия в Канаде при прокладке Тихоокеанской железной дороги рабочие наткнулись на громадные залежи медно-никелиевых руд.

    Эти два открытия послужили мощным толчком к освоению промышленной до­бычи никеля. Приблизительно в те же годы было открыто и важное свойство этого элемента – улучшать качество стали. Правда, ещё в 1820 году знаменитый английский учёный Майкл Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель, но тогда они не смогли заинтересовать металлургов.

    В конце прошлого века Обуховский завод (в Петербурге) получил ответственное задание военно-морского ведомства – освоить производство высококачественной ко­рабельной брони.

    Созданием новой отечественной брони занялся замечательный русский метал­лург и металловед А.А. Ржемотарский. Напряжённая работа вскоре была успешно за­вершена. Обуховский завод начал выпускать отличную десятидюймовую броню из никелевой стали.

    В наши дни никелевую сталь используют в мирных целях. Из неё изготавливают хирургические инструменты, детали химической аппаратуры, предметы домашнего обихода.

    Не менее важное “занятие” никеля – создание разнообразных сплавов с другими металлами. Ещё в начале XIX века металлургов и химиков охватила “эпидемия” поис­ков нового сплава, способного полностью заменить серебро для изготовления посуды и столовых приборов. В роли “вируса” выступала солидная премия, обещанная тому счастливчику, который сможет создать такой сплав. Вот тогда-то и вспомнили о древ­нем китайском сплаве. Почти одновременно различным учёным, взявшим за основу состав пактонга, удалось получить медно-никелевые сплавы, весьма сходные с сереб­ром.

    В 1926 году удалось создать медно-никелевый сплав, которому не была проти­вопоказана морская служба. Теперь моряки могли быть твёрдо уверены, что трубки не подведут их в трудную минуту.

    Сейчас число никелевых сплавов, находящих широкое применение в технике, в быту, в ювелирном деле, превысила 3000!

Из сплава на основе никеля (до 75 %) выполнены турбинные лопатки воздуш­ного лайнера “ТУ-104”.

Несколько лет назад учёные создали новый сплав – никоси, названный так по первым слогам входящих в него компонентов: 94% никеля, 4% кольбата и 2% кремния (“силиция”). Испытания показали, что никоси поможет создать мощные источники ультразвука.

Широкую известность никель приобрёл благодаря своей способности защищать металлы от окисления. Никелирование не только предохраняет изделия от коррозии, но и предаёт им красивый внешний вид. Весёлый блик кастрюль, кофейников и само­варов – всё это “проделки” никеля, тонким слоем которого покрыты многие предметы обихода.

Впервые попытку использовать этот металл в качестве покрытия предпринял в 1842 году немецкий учёный Бетгер. Однако ему не удалось добиться своей цели, так как никель, которым в то время располагала техника, содержал посторонние примеси, мешавшие гальваническим путём наносить покрытие. Тончайшая плёнка никеля на­дёжно охраняет сегодня железо, позволяя сберечь от коррозии огромные количества этого металла.

Работники пищевой промышленности знакомы с никелем по его соединению – карбонилу, который служит катализатором при производстве маргарина и майонеза.

В начале нашего века владелец Санкт-Петербургского свечного и стеаринового заводов некто Жуков начал варить мыло с применением какого-то вещества, секрет которого предприимчивый заводчик до конца своих дней хранил в строжайшей тайне. Только после его смерти выяснилось, что загадочным веществом был тетракарбонил никеля, при разложении которого выделяется высокодисперсный металлический ни­кель. Он-то и оказывает сильное каталитическое действие на процесс отвердения жи­ров. С этим катализатором нужно быть осторожным: он очень токсичен – в пять раз токсичнее угарного газа.

Из соединений никеля важное значение имеет также его окись, используемая для изготовления щелочных железоникелевых аккумуляторов.

В периодической системе никель расположен рядом с железом и кобальтом. Бу­дучи во многом сходными, эти элементы образуют так называемую триаду. Любо­пытно, что из 104 известных в настоящее время элементов при обычных условиях лишь члены железной природы обладают ферромагнитными свойствами. Эта “семей­ственность” доставляет много хлопот металлургам: отделить никель от кобальта – за­дача не из лёгких. Да и другая соседка никеля по таблице элементов – медь – тоже очень неохотно расстаётся с ним. В природе же и кобальт, и медь, как правило, сопут­ствуют никелю. Разделение этих элементов – сложный многостадийный процесс. Именно по этому никель считается одним из наиболее дорогих и дефицитных про­мышленных металлов.

В земной коре содержится 0,008% никеля. Не думайте, что это мало. Общее ко­личество никеля оценивается приблизительно в 10  тонн.

По разведанным запасам никеля наша страна занимает одно из первых мест в мире. Среди капиталистических стран ведущая роль в добыче никелевых руд принад­лежит Канаде.

В отличие от Земли, где никель встречается лишь “в компании” с другими эле­ментами, многие небесные тела располагают чистым никелем. Если бы вам удалось достать с неба звезду, вы возможно нашли бы на ней изотоп никеля – никель-80 (на Земле этот элемент существует в виде пяти более лёгких изотопов). Удельный вес земного никеля – 8,9 грамма на кубический сантиметр. На звёздах, где плотность ма­терии очень велика (например, на белых карликах), 1 кубический сантиметр никеля весит тонны!

В довольно больших количествах космический никель попадает и на нашу пла­нету. По подсчётам советских учёных, ежегодно на каждый квадратный километр ми­рового океана падает в виде метеоритов до 250 граммов никеля.

Технологическая часть

 

    При сварке никеля возникают следующие затруднения:

· поглощение газов жидким металлом и резкое падение их растворимости при пере­ходе металла в твёрдое состояние, что приводит к пористости шва. Поэтому лучше применять правую сварку, дающую замедленное охлаждение металла шва, что уменьшает пористость;

· образование тугоплавкой окиси никеля, имеющей температуру плавления 1650 - 1660°С. Удаление окисей осуществляется с помощью флюсов: плавленой буры; смеси из 25% буры и 75% борной кислоты; насыщенного раствора борной кислоты в спирте; смеси из 50% борной кислоты, 30% буры, 10% поваренной соли и 10% уг­лекислого бария. Применяют и более сложные флюсы, содержащие, кроме буру и борной кислоты, хлористые соединения магния, марганца и лития, а также хлори­стый кобальт, феррованадий и титановый концентрат.

Газовой сваркой никель сваривается удовлетворительно. Листы толщиной до 1,5 мм свариваются без присадочного металла, с отбортовкой кромок на высоту (1 + 1,5) S, где S – толщина металла, мм. Листы толщиной до 4 мм свариваются встык без скоса кромок. Для больших толщин делают односторонний скос под углом 35-45°. Сварку внахлёстку не применяют ввиду значительных деформаций при нагревании листов. Листы перед сваркой скрепляют прихватками через каждые 100-200 мм. Сварку ведут отдельными участками обратноступенчатым способом.

Пламя не должно иметь избытка кислорода, который вызывает появление пор, а наплавленный металл получается хрупким. Допустимо применять пламя с небольшим избытком ацетилена. При сварке никеля мощность пламени берут 140-200 дм /ч аце­тилена, а при сварке монельметалла* - 100 дм /ч на 1 мм толщины металла. В качестве присадки применяют полоску из основного металла или проволоку такого же состава. Диаметр проволоки должен быть равен половине толщины свариваемого листа. Хо­рошие результаты даёт никелевая проволока, содержащая до 2% марганца и не более 0,2% кремния. Предел прочности сварного соединения 26-28 кгс/мм , угол загиба до 90°.

Сварка нихрома (75-80% никель, 15-18% хрома, до 1,2-1,4% марганца), имею­щего температуру плавления 1390°С и малую теплопроводность, затрудняется образо­ванием тугоплавкой плёнки окиси хрома, которую удаляют механическим путём. Сварку следует вести с максимальной скоростью и без перерывов. Повторная и много­слойная сварка вызывает трещины, рост зерна и межкристаллитную коррозию металла шва.

Пламя должно иметь некоторый избыток ацетилена. Мощность пламени 50-70 дм /ч ацетилена на 1 мм толщины металла. Применяют флюс-пасту состава (%): буры 40; борной кислоты 50; хлористого натрия или фтористого калия 10; флюс разводят на воде. В качестве присадочного прутка применяют полоску из свариваемого металла шириной 3-4 мм или проволоку из нихрома ЭХН-80. После отжига сварное соедине­ние имеет предел прочности 35-45 кгс/мм .

Никель относится к переходным d-металлам, расположен в восьмой группе пе­риодической системы элементов Д.И. Менделеева и является одним из важных про­мышленных металлов. Чистый никель имеет высокую прочность и пластичность. Вы­сокие пластические свойства никель сохраняет при низких температурах. При 20 К предел прочности никеля достигает 774 МПа, а относительное удлинение – 48%. Ни­кель обладает высокой химической стойкостью. По сопротивляемости коррозии он превосходит медь и латунь, устойчив против коррозии в морской воде, в нейтральных и щелочных растворах солей, серной, азотной, соляной и угольной кислот. Достаточно стоек в разбавленных органических кислотах и исключительно стоек в щелочах любой концентрации. Температура плавления никеля 1 728 К, плотность 870 – 890 кг/м , ко­эффициент линейного расширения 13,3 * 10 К .

Никель широко применяется в химической промышленности для изготовления аппаратуры, в электронной промышленности для изготовления деталей электроваку­умных приборов и внутриламповой арматуры (анодов, сеток, кернов оксидных като­дов), а так же в других отраслях промышленности. Сложнолегированные никелевые жаропрочные сплавы являются основным конструкционным материалом современных газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей, летательных аппаратов (диски, лопатки, роторы и др.). В электрохимической промышленности применяются сплавы никеля с медью и железом типа монель и константан для изготовления катодов.

Особенности диффузионной сварки никеля и его сплавов определяются их свой­ствами и составом, в частности термодинамической прочностью окисной плёнки, со­противлением ползучести и деформационной способностью металла. На чистом ни­келе при нагреве образуется только один окисел NIO, имеющий сравнительно высо­кую упругость диссоциации 1,3 * 10  - 1,3 * 10  Па при 1 273 – 1 373 К. Однако ни­кель, как d–переходный металл, образует с кислородом устойчивый хемосорбирован­ный комплекс. Удаление кислорода обусловлено его диффузией при сварке в глубь металла. Растворимость кислорода в никеле составляет 0,012% при 1 473 К и с пони­жением температуры увеличивается. Расчёты показывают, что длительность растворе­ния окисной плёнки толщиной 0,005 мкм в никеле при температуре 1 173 – 1 473 К из­меняется от нескольких секунд до десятых долей секунды. Поэтому окисная плёнка на никеле не вызывает особых затруднений пр сварке. Электротехнические никелевые сплавы типа монель и константан также образуют термодинамически непрочные окислы, близкие к никелю по другим свойствам, и их сварка существенно не отлича­ется от сварки никеля. Жаропрочные никелевые сплавы являются сложнолегирован­ными и имеют в своём составе хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, ниобий и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду и обеспечивающие высокую жаростойкость и жаропрочность. Именно эти свойства и затрудняют диффу­зионную сварку жаропрочных сплавов. Наличие весьма прочной и трудно удалимой окисной плёнки, богатый хромом, алюминием, титаном, препятствует диффузионной сварке. Удаление этих окислов из стыка связана с протеканием сложных окисли­тельно-восстановительных процессов.

Повышение жаропрочности и сопротивления ползучести за счёт молибдена, вольфрама и других элементов, подавляющих диффузионную подвижность атомов. Этим обусловлена также более высокая, чем у обычных сталей, температура рекри­сталлизации жаропрочных сплавов. Естественно, что получение сварных соединений способом, сущность которого заключается в использовании процессов диффузии и рекристаллизации, затруднено. Термодеформационное воздействие при диффузионной сварке жаропрочных сплавов должно быть более сильным, чем при сварке углероди­стых и низколегированных сталей. За нижний предел температуры сварки принимают температуру начала развития процентов рекристаллизации и диффузии. Для большин­ства жаропрочных сплавов эта температура близка к 1 323 – 1 373 К. За верхний пре­дел температуры сварки принимают температуру разупрочнения сплавов. При этом следует учитывать также возможность резкого падения пластичности сплавов с по­вышением температуры.

Приведена диаграмма технологической пла­стичности двух никелевых сплавов. Из диаграммы следует, что при 1 473 К происходит резкое падение пластичности сплавов. Если при диффузионной сварке жаропрочных сплавов в результате пластиче­ской деформации сжатия произойдёт течение ме­талла, то в зоне соединения образуются трещины. Та­кое состояние возможно, несмотря на малые вели­чины деформации при диффузионной сварке, так как с повышением температуры пластичность металла близка к нулю. Таким образом, верхний предел тем­пературы сварки большинства жаропрочных сплавов не превышает 1 473 – 1 523 К. Остальные параметры режимов диффузионной сварки жаропрочных сплавов опреде­ляют так же, как и для других металлов, исходя из условий ползучести и диффузии.

Диффузионную сварку в вакууме никеля и никеля с другими металлами можно выполнять в широком диапазоне параметров режима, однако в большинстве работ ре­комендуется температура 1 273 К, давление сжатия 14,7 МПа, время сварки 10 минут при вакууме 1,3 * 10 Па. С экспериментальными данными согласуются расчётные [5], полученные из условия образования фактического контакта при установившейся пол­зучести по уравнению: t = A  exp , где t – длительность сглаживания микро неровностей, с; А – коэффициент, зависящий от чистоты и класса обработки поверх­ности, равный 5 * 10  при обработке по Rа = 1,25 мкм; В – коэффициент, изменяю­щийся от 5 * 10  до 7 * 10 ; р – давление сжатия, МПа; m – коэффициент, изменяю­щийся обычно от 3 до 5; DН   - энергия активации ползучести, кДж/моль; R – универ­сальная газовая постоянная; R = 8,315 кДж/моль; Т – температура сварки, К.

Закономерности диффузионных процессов в приконтактной зоне при сварке ни­келя изучены в работе [8]. Установлена неоднородность диффузионного потока в при­контактных слоях никеля, обусловленная рельефом соединяемых поверхностей и не­однородностью пластической деформации приповерхностных слоёв металла. В узкой приконтактной зоне наблюдается высокая скорость диффузии (коэффициент диффу­зии 10  - 10  см /с), что соответствует диффузионной подвижности вдоль границ зё­рен с наиболее благоприятной для диффузии разориентировкой зёрен. Причём в слу­чае предварительного электролитического полирования поверхностей, глубина этой зоны 10 мкм, а при механическом шлифовании эффект ускорения диффузии сохраня­ется на значительном расстоянии от поверхности. С повышением температуры и дав­ления сжатия диффузионный поток становится более однородным по всей прикон­тактной зоне. Энергия активации равна, примерно, половине энергии активации само­диффузии никеля и изменяется в зоне сварки. Минимальное значение энергии актива­ции близко к энергии активации зернограничной диффузии и увеличивается по мере удаления от поверхности контактирования. Выполненные в ряде работ исследования показали, что приведённый режим обеспечивает протекание всех процессов, необхо­димых для получения качественных соединений с пределом прочности до 539 МПа. Повышение температуры сварки до 1 373 К приводит к значительному росту зерна за счёт собирательной рекристаллизации. Увеличение времени сварки также приводит к некоторому разупрочнению металла в зоне соединения. Уменьшение времени сварки возможно при более тщательной подготовке соединяемых поверхностей. Сварку ни­келя можно выполнять не только в вакууме, но и в водороде. В некоторых работах ис­пользовали водород с точкой росы 233 К.

 

Примером диффузионной сварки изделий из никеля может служить изготовле­ние керна оксидного катода водородного тиратрона, как показано на рисунке.

    Диффузионную сварку электротехнических никелевых сплавов типа монель и константан проводят в многоместных приспособлениях, обеспечивающих сварочное давление за счёт различия в коэффициентах линейного расширения свариваемых ме­таллов и металла оправки. Стяжные болты обычно изготавливают из молибдена. Ре­жимы сварки электротехнических сплавов незначительно отличаются от режимов сварки никеля, что обусловлено разницей в их физико-механических свойствах. На­пример, введение меди приводит к снижению сопротивления металла деформирова­нию, к интенсификации диффузионных и рекристаллизационных процессов и к сни­жению температуры сварки до 1 173 К.

 

Материал	DIN	Шифр	Тип	Химический состав % (по массе)										Применение
				Ni	Cu	Fe	Ai	Ti	Cr	Mo	Mn	Si	ост
Никель	17740	2.4050 2.4060 2.4068	-	99,0-99,8	-	-	-	-	-	-	-	-	-	Химические аппараты, детали ламп накалива­ния и электрон­ных трубок
Никеле­медные сплавы	17743	2.4360   2.4866	Монель   К-монель	>63   >63	28-34 28-34	1,0-2,5 1,0-2,0	2-4	0,3-1,0 -	-   -	-   -	-   -	-   -	-   -	Химические аппараты, корро­зионно-опасные детали конст­рукций (К-мо­нель закали­ваема)
Никеле-хроможе­лезистые сплавы	17742	2.4816	Ин-конель	>72	-	6-10	-	-	14-17	-	-	-	-	Жаро- и огне­стойкие детали, химические аппараты
Никеле хромовые сплавы	-	-	Нимоник	Ост	-	7-5	-	-	18-21	-	1	1	0-23-со	Химические аппараты
Никеле молибде­новые и никеле хромомо­либдено­вые сплавы	17744	2.4810	Хастелой В Хасте­лой С	>62   >52	-   -	4-7   4-7	-   -	-   -	-   14-18	26-30 15-18	-   -	-   -	3-5w	Химические аппараты при коррозии под напряжением

 

Влияние легирующих элементов на свариваемость сплавов.

Чистый никель не представляет трудностей при сварке, так как при его нагреве или охлаждении не происходит аллотропических превращений. Для электрического никеля уже даже следы примесей, которые создают с никелем легкоплавкие эвтектики (сера, кислород), могут приводить к тонким продольным трещинам в зоне термиче­ского влияния.