CC BY
36
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999 г Вып. №8
уда 621. 791.92
Башмакова Т.Н.
ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРИ НАПЛАВКЕ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Проанализировано влияние состава компонентов шихты порошковых материалов на процесс легирования при наплавке низколегированных жаропрочных медных сплавов. Результаты анализа использованы при разработке состава порошковой ленты.
Наибольший практический интерес в настоящее врет представляют низколегированные жаропрочные медные сплавы, однако, некоторые из них в интервале 300-600 °С имеют, невысокую пластичность. В таком случае рекомендуется применять микролегироваиие сплавов поверхностно-активными элементами, введение которых в небольших количествах (сотые доли процента) резко повышает показатели пластичности и одновременно несколько электропроводность [1]. Медь, как растворитель при 800 °С имеет ограниченное число растворимых легирующих элементов, которые упрочняют её при этой температуре. К таким легирующим относятся переходные, сравнительно тугоплавкие металлы - цирконий, железо, титан, хром, кобальт и никель. Остальные легирующие элементы, а они преобладают (фосфор, кадмий, бериллий, цинк, олово и др.) не упрочняют медь при 800 °С и даже разупрочняют её. Среди большого разнообразия разработанных жаропрочных сплавов ка медной основе, наиболее перспективны сплавы системы Си - Сг - Ъх. обладающие комплексом высоких эксплуатационных свойств: износостойкостью, жаропрочностью и высокой теплопроводностью.
При наплавке сплавов этой системы очень важен подбор компонентов электродного материала, обеспечивающих заданный химический состав. Учитывая преимущества порошковых электродных материалов, был проведен анализ возможных для использования компонентов шихты и их влияния на процесс легирования при наплавке
Для легирования наплавленного металла хромом целесообразно ввести его в виде порошка хрома металлического. Для легирования наплавленного металла цирконием использование чистого циркония не всегда экономически оправдано. В этой связи, очевидно более рациональным будет использование соли циркония - фторцирконата калия, успешно опробованного при производстве лигатуры Си-Ъх [2]. Процесс получения лигатуры основан на восстановлении циркония из фторцирконата калия магнием в присутствии меди но реакции
К2ггГ6 + 2Mg + [Си] = 2КГ+» 2MgF2 + [Си + Ъг] (I)
Реакция (1) справедлива, если процесс восстановления циркония идет до конца.
Однако, возможны условия, при которых в правой части уравнения могут появиться промежуточные соединения, например: К32гГ7. Известна диаграмма состояния Ъх-^ Л - КР [3]. позволяющая выяснить условия равновесия в системе КГ-2гГ4. Были обнаружены три конгруентно плавящиеся соединения: с температурой плавления 600 °С; KлZrFg с
температурой плавления 500 °С и К32гГ7 с температурой плавления 930 °С и четыре эвтектики с температурой плавления 790 °С, 500 °С, 400 °С, и 430 °С.
Из уравнения (2) вытекает, что до металлического состояния будет восстанавливаться 1/3 часть циркония, содержащегося в К2ЪхР. При введении в магний 3 % К^гГз или 0,96 % Ъх от веса магния будет восстановлена и войдет в сплав не более 0,3 % Ъх.
* ГОТУ, канд. техн. наук, доц.
Полученные авторами [3] данные позволяют предположить, что при восстановлении циркония магнием из фторцирконата калия состава KZrF, реакция будет развиваться в следующих стадиях:
6KZrF6 + 12Mg - ' 2K2ZrF6 + 6M.gF2 + 6Mg Первая стадия
5= 2K3ZrF7- 8MgF2 + 4Zr v- (2)
Вторая стадия
6KF+12MgF2 + 6Zr Третья стад та
Из-за недостаточно высокой температуры расплава (не превышающей 950 °С), высокой температуры плавления соединения K3ZrF7 (930 °С) и большого количества тугоплавкого соединения MgF2 (температура плавления 1270 °С), образующихся в результате
взаимодействия фторцирконата калия с магнием, процессы диффузии в солевой части значительно замедляются, вследствие чего реакция может не пойти далее второй стадии и восстановленной окажется лишь часть вводимого в сплав циркония
Для интенсификации процессов диффузии в солевой фазе и более полного восстановления магнием циркония из фторцирконата калия Лебедев A.A. и Аникина А Д. [3] предлагают повысить температуру процесса путем добавки флюсов к основным материалам шихты, причем свободная энергия их при температуре ведения процесса должна быть выше свободной энергии соответствующих соединений Mg и Zr. Из фтористых солей такими соединениями являются фтористый литий, фтористый калий, а из хлористых солей - хлористый калий, хлористый барий, хлористый кальций и др.
При сплавлении в определенных соотношениях (фторцирконата калия с фтористым литием или с фтористым кальцием образуются эвтектики с более низкой, температурой плавления, нежели исходные соли, что должно благоприятно сказаться на процессе введения циркония в сплав. Увеличенное же содержание этих солей в сплаве повышает температуру их плавления, и эффект от добавок оказывается отрицательным.
Введение в состав шихты порошковой ленты наряду с фторцирконатом калия фтористого кальция позволяет получить более стабильное содержания циркония в сплаве, повысить усвоение циркония сплавом, снизить безвозвратные потери На преимущества восстановления циркония кальцием также указывается при получении лигатуры [4].
При разработке состава шихты порошковой ленты необходимо также учитывать метал -лургические особенности ее наплавки, т.е. лента должна содержать компоненты, обеспечивающие хорошую раскисленность металла шва и необходимую защиту сварочной ванны от насыщения ее водородом. При разработке сварочных материалов чаще всего отдается предпочтение фтористым соединениям, из которых наибольшее применение находит фтористый кальций.
Влияние простых и комплексных фторидов на ск лонность сварных швов к порообразованию при введении их в состав шихты порошковой проволоки исследовано И.И. Фруминым [5]. Причем, установлено, что наиболее эффективно снижают содержание водорода в металле шва A1F3, CaF2, NihSiF,-. При этом также снижается содержание азота, хотя и незначительно. Проводились также исследования [6] возможности сварки меди самозащитной проволокой. Хорошие результаты получены при использовании в составе шихты фтористых соединений CaF2 и Na2SiF6.
В исследованиях К.В. Любавского установление [7], что при сварке электродами, содержащими в покрытии органические компоненты, возможно насыщение сварочной ванны большим колличеством водорода. При сварке-наплавке меди высокая окиеленность металла шва и насыщенность его водородом являются основными причинами, приводящими к поро- и трещинообразованию. Поэтому введение в состав шихты газообразующих элементов-карбонатов (магнезита, мрамора, доломита и др.) не желательно, т к диссоциация их повышает степень окисленности сварочной ванны [8].
Нараду с парами воды в атмосфере дуги присутствуют азот и кислород. Для связывания кислорода в состав шихты должны быть введены раскислитслк. Известные порошковые проволоки и проволоки сплошного сечения для сварки-наплавки меди и ее сплавов [9,10] с целью -металлургического воздействия на сварочную ванну содержат в качестве раскислителей алюминий, марганец, цирконий и другие элементы.
В.В. Фроловым сделана оценка раскислительной способности хрома, марганца, кремния, титана, которые сохраняют ее даже в области высоких температур. Наряду с назваными выше элементами в работе [11] исследовались церий, лантан, бор, магний, фосфор и установлено, что наибольшей раскислительной способностью обладают цирконий, церий и лантан. i
При выборе раскислителей важное значение имеют вопросы удаления неметаллических включений из металла шва, т.к. свойства сварного соединения зависят не только от того, насколько полно восстановлена закись меди, но и от того, насколько полно продукты реакций удалены из жидкого металла.
Учитывая результаты проведенного анализа влияние состава компонентов порошковых материалов на процесс легирования разработан состав порошковой ленты1. Исследования наплавленного металла подтвердили обеспечение заданного химического состава, структуры и свойств при наплавке предлагаемой порошковой лентой.
Выводы
Проведенный анализ влияния состава компонентов шихты порошковых материалов на процесс легирования при наплавке низколегированных жаропрочных медных сплавов исполь- -зован при разработке состава порошковой ленты, обеспечившощей жаропрочность, износостойкость, теплопроводность и высокое качество наплавленного металла..
Перечень ссылок
1. ЗахаровМ.В., Захаров A.M. Жаропрочные сплавы. - М.: Металлургия, 1972. - 384 с.
2. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. - М.: Металлур-
гия, 1978. - 96 с.
3. Лебедев A.A., Аникина А.Д. Сплав солей для введения циркония в легкие сплавы // Исследо-
вание сплавов цветных металлов. - М.: АН СССР, 1962. - С. 181-186
4. Чурсин В.М. Плавка медных сплавов. - - М.: Металлургия, 1982. - 152 с.
5. Фру мин ИИ. Автоматическая электродуговая наплавка. - Харьков: Металлург издат, 1961 -421с.
6. Кассов В.Д., Цветков А.И. Исследование возможности сварки меди самозащитной порошковой проволокой // Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах УССР,- Киев, 1975. - Вып. 15.-С.28-29.
7. Любавский КВ. Металлургия: сварки плавлением. - М.: Машгия, 1961 .-556 с.
8. Порошковые проволоки для электродуговой сварки / И.К. Походня и др. - Киев: Наук, дум-
ка, 1980.-250С.
9. Гуревич СМ. Справочник по сварке цветных металлов. - Киев: Наук, думка, 1981,- 608 с.
10. Сварка в машиностроении / Под ред. А.И. Акулова. - М.: Машиностроение, 1984. - 590 с.
11 Фролов В. В. Особенности металлургических процессов при сварке меди под керамическими флюсами // Межвузовская конференция по сварке. - М.: Машгиз, 1958.-С. 172-188.
Башмакова Татьяна Николаевна. Канд. техн. наук, доценг кафедры металлургии сварки, окончила Мариупольский металлургический институт в 1978 году. Основные направления научных исследований - разработка материалов и технологии наплавки износостойких жаропрочных сплавов, получение материалов сварочными методами.
1 АС. № 1125879
