Дипломная работа: Сварка никеля

-

-

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.

Главные легирующие элементы.

Медь. Медь создаёт с никелем непрерывный ряд твёрдых растворов. Оба ме­талла образуют кубическую гранецентрированную решётку, имеют похожие атомные радиусы и постоянные решётки и находятся в периодической системе элементов рядом друг с другом (под камерами 28 и 29). Медь, которую добавляют в количестве от 15 до 40% (монель), не создаёт трудностей при сварке. Имеются также сплавы Cu - Ni, в ко­торых медь является основным элементом (70/30 и 90/10) и которые при сварке ведут себя подобным образом. При сварке монеля следует учитывать ликвацию кристаллов, из-за чего может ухудшиться коррозийная стойкость. В этом случае рекомендуют по­следующую термообработку.

Если добавить алюминий в дисперсионно-твердеющий сплав (монель), то возни­кает, как для большинства стареющих сплавов, проблема снижения прочности.

Хром. Хром образует с никелем однофазные сплавы из твёрдых растворов с очень узким интервалом кристаллизации. Хром, как таковой, при сварке влияет, по-видимому, благоприятно. Однако при взаимодействии с другими элементами, прежде всего с кремнием, он способствует повышению склонности к образованию горячих трещин. Его высокое сродство с кислородом и азотом, с которыми он образует ста­бильные соединения, уменьшает возникновение пор. В присадочных материалах можно поэтому в присутствии хрома вообще отказаться от других элементов, связы­вающих газы. При сварке инконеля 625 и 718 руководствуются работой [101]. Речь идёт о высокожаропрочных супер сплавах [95].

Железо. Железо вводят для улучшения свойств никелевых сплавов. Трудности при сварке создаёт не само железо, а вносимые вместе с ним примеси, такие как сера, фосфор и кислород. В присутствии железа содержание углерода не должно превышать 0,1%.

Кобальт. Небольшое содержание кобальта (несколько десятых процента) не ока­зывает влияния на процесс сварки. Относительно его влияния, при более высоком со­держании, на улучшение жаропрочности сплавов достаточных сведений пока не име­ется. Вероятно, оно мало, если не происходят, как при наличии хрома и железа, вто­ричные явления в присутствии других элементов.

Молибден. Обычно содержание молибдена так высоко (хастеллой), что сплав может лежать в гетерогенной, а также в двухфазной области. Бинарные никелемолиб­деновые сплавы чувствительны к горячим трещинам. При отжиге сплавов Ni – CrMo при температуре 600 - 950°С происходят выделения по границам по границам зёрен, которые снижают коррозийную стойкость. Если эти явления происходят при сварке в зоне термического влияния, то необходимо проводить последующую термообработку (диффузионный отжиг при температуре > 1 150°С с последующей закалкой). При сварке NiMo 28 и NiMo 16 Cr 16 Ti руководствуются работой [73].

Второстепенные легирующие добавки.

Углерод. Обычное содержание углерода 0,01 – 0,15%. Трудности возникают только в области повышенных температур. Свободный углерод (в случае его наличия) переходит в зоне термического влияния в раствор и приводит, при быстром охлажде­нии, к образованию твёрдого раствора, пересыщенного углеродом. В интервале темпе­ратур 315 - 760°С по границам зёрен затем выделяется графит, который ослабляет тон­кую структуру, что может привести к местным трещинам или даже к разрушению де­тали. Вспомогательные мероприятия: С < 0,02% или стабилизация титаном.

В присутствии меди растворимость углерода при высоких температурах так сильно возрастает, что не происходит охрупчивания даже при его содержании до 0,2%. Только в том случае, если при сварке железо поглощается из основного металла, мо­жет произойти горячее растрескивание. Мероприятия: снижение С до < 0,1%.

В присутствии хрома, если только имеется немного таких стабилизаторов, как титан или ниобий, может произойти образование карбидов хрома и при этом местное обеднение хрома. Коррозийная стойкость, однако (в противоположность аналогичным явлениям в аустенитных сталях), ухудшается только в особо агрессивных средах. Со­единение NiС существует только при температуре > 1 500°С и является очень нестой­ким.

Марганец. Обычное его содержание до 1%. Марганец практически не оказывает влияния на сварку. Посредством образования тугоплавкого сульфида марганца можно устранить вредное влияние серы.

Магний. Он, как и марганец, образует тугоплавкий сульфид. Вследствие низкой точки кипения (1 120°С) магний, содержащийся в присадочном материале, при дуго­вой сварке почти полностью испаряется, так что этот эффект нельзя использовать в наплавленном металле.

Наличие магния препятствует горячему растрескиванию в зоне термического влияния, вызываемому малым содержанием серы. Можно исключить вредное влияние серы на качество сварного шва введением таких элементов, как марганец, ниобий ти­тан, алюминий, которые являются малолетучими и поэтому лучше переходят затем в наплавленный металл.

При газовой или WIG – сварке магний, наоборот, может успешно выполнить свою задачу, так как капли расплавленного присадочного материала не могут переме­щаться в месте воздействия дуги.

Ниобий. Его добавляют в богатые никелем сплавы, чтобы противодействовать вредному влиянию кремния; требуемое количество зависит от соотношения никель – железо.

Кремний. Обычное содержание 0,1 – 4%. В большинстве сплавов кремний по­вышает склонность к образования горячих трещин, прежде всего при одновременном присутствии меди или хрома. Важную роль играет также выбранный способ сварки. Склонность к горячим трещинам особенно велика в наплавленном металле и меньше в зоне термического влияния. При наплавке возникает опасность горячих трещин, по­тому что кремний переходит из основного металла в наплавленный. Кремний способ­ствует раскислению металла сварочной ванны.

Цирконий. Добавка циркония всего в десятые доли процента приводит к гетеро­генной фазе, которая сильно повышает склонность сплава к горячим трещинам. По-видимому, это приводит к этентической реакции при температуре 1 090 – 1 150°С. Об­разование трещин происходит как в наплавленном металле, так и в зоне термического влияния. Никеле циркониевые сплавы считают, поэтому, не свариваемыми. Относи­тельно соединений с помощью холодной и диффузионной сварок в настоящее время данные отсутствуют.

Алюминий. Его следует рассматривать, как сопутствующий полезный элемент за его воздействие как средство раскисления и как элемента, сопутствующего дисперси­онному твердению.

При высоком содержании он, однако, повышает чувствительность к горячим трещинам, так как пороговое значение чувствительности зависит, как и для кремния, от присутствия других легирующих элементов. Опасность трещин возникает в наплав­ленном металле и меньше в зоне термического влияния. Допустимое содержание алю­миния часто выше, чем в соответствующих случаях для кремния. Алюминий содер­жится в сварочных присадочных материалах, которые применяют для сварки диспер­сионно твердеющих никелевых сплавов.

Титан. Его вводят в присадочный сварочный материал для того, чтобы получить швы без пор (раскисление). Для сплавов, содержащих хром, это часто не требуется, поскольку хром сам может связывать газы. В отношении дисперсионного отверждения титан влияет подобно алюминию. При определённых критических концентрациях при сварке возникает, однако, опасность появления трещин. Допустимое содержания алю­миния и титана при WIG – сварке выше, чем при дуговой сварке. По этой причине следует предпочитать названный первым способ для сварки дисперсионно-твердею­щих сплавов. Склонность к появлению трещин возникает главным образом в наплав­ленном металле, а не в зоне термического влияния.

Бор. Обычное его содержание 0,03 – 0,10%. Путём добавки бора улучшают ме­ханические свойства сплавов при высоких температурах. Однако самое небольшое со­держание бора (г 0,003%) при сварке приводит к высокой склонности образования го­рячих трещин; по-видимому, на границах зёрен, подобно сере, фосфору и цирконию, бор образует легкоплавкую эвтектику с никелем.

Не преднамеренно вводимые легирующие элементы.

Сера. Она является самым вредным элементом в никелевых сплавах. Раствори­мость серы в твёрдом никеле < 0,005%. Количество серы, превышающее это значение, выделяется в виде сульфида никеля вдоль границ зёрен. Эгектика Ni - NiSплавится при температуре 637°C, являющейся чрезвычайно низкой. Никель поглощает серу в критической области температур от 300 до 900°С из твёрдых, жидких, газообразных или парообразных веществ, например из масла, жира, горячих газов, а также из пла­мени при газовой сварке. Поэтому необходима очистка поверхностей металла перед сваркой.

Вспомогательные мероприятия: добавление марганца, магния, ниобия, титана и алюминия. При неочищенных листах влияние этих элементов, однако, недостаточно для того, чтобы помешать горячему растрескиванию. Вследствие низкой температуры плавление эвтектики сера также очень опасна как в зоне термического влияния, так и в наплавленном металле.

Свинец. Он влияет в таких же концентрациях, как и сера. И, однако, его редко рассматривают как примесь. Свинец не растворим в Ni, поскольку является жидким до температуры плавления. Он образует плёнку по границам зёрен, что приводит к горя­чему растрескиванию.

Фосфор. Он влияет также, как сера и свинец. Соответствующая эвтектическая реакция протекает при 870°С. Уже всего сотые доли процента фосфора приводят к го­рячему растрескиванию в наплавленном металле, но не в зоне термического влияния.