Товары в сети
загрузка...
Реализация насосное оборудование в Киеве консольные насосы характеристики насосов.
Сварка никеля и его сплавов
В земной коре содержится 0,008% никеля. Это достаточно прочный и вязкий металл. Он не испытывает полиморфных превращений и вплоть до температуры плавления имеет ГЦК решетку. Никель ферромагнитен, точка Кюри 358°С. Одним из важных магнитных свойств этого металла является магнитострикция, то есть относительное изменение длины магнитного тела при намагничивании. В зависимости от напряженности магнитного поля ни¬кель соответственно укорачивается. Никель сохраняет пластические свойства, как при высокой, так и при очень низкой температуре. Никель хорошо обрабатывается в горячем и холодном состояниях. После холодной деформации он наклепывается и сильно упрочняется. Наклеп может быть снят путем отжига при температуре выше температуры рекристаллизации (в зависимости от степени чистоты 200 - 600 °С). Отжиг снижает прочность никеля и повышает его пластичность.
В атмосферных условиях никель один из наиболее коррозионностойких металлов. Это связано с тем, что в начальной стадии окисления на его поверхности образуется тонкая и прочная защитная пленка, которая препятствует дальнейшему окислению и коррозии. Никель сохраняет высокую коррозионную стойкость и при нагревании. Он устойчив в расплавах щелочей, в нейтральных и щелочных растворах солей, соляной, серной, азотной, уксусной и угольной кислот. В то же время на никель сильно действуют азотная (за исключением концентрированной) и азотистая кислоты. В разбавленных органических кислотах и других органических соединениях никель достаточно стоек. Он пригоден для изготовления аппаратуры, работающей при нормальной температуре в контакте с серной и разбавленной соляной кислотами.
Маркировка технического никеля Н-0 (99,99% Ni), Н-1, Н-2, Н-3, Н-4 (97,6% Ni).
Большая часть никеля применяется в качестве легирующих добавок для производства различных сплавов с железом, цинком, кобальтом, медью и другими металлами. В качестве конструкционного материала технический никель применяют для изготовления химического оборудования, в частности резервуаров и цистерн химических реагентов, для транспортировки щелочей и других химических и пищевых продуктов. Никелевые сплавы - кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные материалы. Наибольшее распространение получили сплавы на никелевой основе в сочетании с медью, хромом, молибденом, железом, титаном, бериллием. Важнейшие легирующие элементы растворимы в никеле, поэтому основные конструкционные сплавы на его основе, обладая хорошей прочностью и удовлетворительной пластичностью, подвергаются всем видам обработки в горячем и холодном состояниях: ковке, прокатке, штамповке. Никелевые сплавы можно условно разделить на 4 группы:
-конструкционные (кислотостойкие),
-электротехнические,
-сплавы с особыми свойствами,
- жаропрочные.
Химический состав наиболее распространенных сплавов на основе никеля 1 - 3-й групп приведен в табл. 24. К числу конструкционных сплавов согласно ГОСТ 492-73 отнесен технический (полуфабрикатный) никель типа НП, содержащий небольшие добавки марганца, кремния, магния, углерода и других элементов, которые вводятся обычно как раскислители десульфураторы. Суммарное содержание таких добавок может достигать 1% (НП4).
Табл. 24
Из никелевых сплавов первой группы наиболее распространен сплав монель (монель-металл) - кислотостойкий сплав, содержащий в качестве основного легирующего элемента медь. Он относится к сплавам типа твердых растворов и обладает высокой прочностью, хорошей пластичностью в холодном и горячем состояниях, удовлетворительно обрабатывается и сваривается. Сплав такого типа НМЖМц 28-2,5-1,5 имеет следующие механические свойства: Пр > 441 МПа; б > 25 %. Монель широко применяется в химическом машиностроении, судостроительной промышленности и других отраслях машино- и аппаратостроения. Сплавы типа хастеллой и инконель обладают высокой коррозионной стойкостью и применяются для сварной химической аппаратуры.
К сплавам второй группы относятся кремнистый никель (НК02), марганцовистый никель (НМц 2,5), константан, нихром и др. Благодаря высокой температуре испарения в вакууме, большому электрическому сопротивлению и термоЭДС, хорошей жаростойкости на ряду других ценных свойств эти сплавы успешно применяются в электротехнической радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
Третья группа сплавов включает такие сплавы, как пермаллой, суперпермаллой, инвар, элливар, и др. Они обладают особыми физическими свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов, деталей, не подвергающихся намагничиванию, деталей приборов с постоянными линейными размерами и т.д.
Жаропрочные и жаростойкие никелевые сплавы содержат в качестве основного легирующего элемента хром, а также добавки титана, алюминия, молибдена, вольфрама, ванадия. Никелевые деформируемые жаропрочные сплавы предназначаются для изготовления напряженных деталей (рабочие лопатки, диски турбин), работающих при нагреве до 800-850 °С. Свойства никелевых сплавов подобного типа в значительной степени зависят от режима термической обработки. Установлено, что оптимальные свойства сплавов можно получить при закалке от температуры 1050-1200°С и старении при 800 - 850 °С.
Основные физические и механические свойства никеля:
Атомная масса ……………………………… ...58, 71
Плотность при 20ОС, г/см3 …………………………...8, 9
Температура, ОС:
плавления ………………………………………………...1453
кипения ……………………………………………… …..2140
Скрытая теплота , кал/г:
плавления………………………………………………... 73
испарения…………………………………………………..1450
Удельное электросопротивление при 20o С, Ом . мм2/м …….0, 068
Модуль нормальной упругости, кг/мм2 ………………………….20000
Временное сопротивление, кг,/мм2 :
отожжённого………………………………………………….40 — 50
деформированного……………………………………...70 — 90
Относительное удлинение, %
отожжённого …… ……………………………………...35 — 40
деформированного……………………………………...2 — 4
Твёрдость НВ никеля:
отожжённого………………………………………………..70 — 90
деформированного……………………………………….200
литого………………………………………………………...60 — 70
Теплопроводность при 0 – 100 oС, кал/(см . сек . град) ………….0, 142
Коэффициент линейного расширения при 20 — 100О, 1/град….0, 000013
Предел упругости никеля отожжённого, кг/мм2 …………………..8
Предел текучести никеля, кг/мм2:
отожжённого…………………………………………………..12
деформированного…………………………………………..70
Модуль сдвига, кг/мм2 ………………………………………...7300
Предел усталости никеля на базе 107 циклов, кг/мм2:
отожжённого ……………………………………………………….16, 6
деформированного…………………………………………………….29
Ударная вязкость отожжённого никеля, кг . м/см2 ……………… .18
Сварка сплавов никеля связана с серьезными затруднениями, вызванными их особыми физико-химическими свойствами:
1. Большая склонность к образованию пор связана с резким изменением растворимости кислорода, азота и водорода при переходе металла из твердого в жидкое состояние . При попадании этих газов в сварочную ванну могут проходить реакции типа: NiO+2H = Ni+H2O, NiO+C = Ni+CO
При сварке никеля и его сплавов пористость швов вызывается азотом, кислородом и водородом. В условиях дуговой сварки никеля высокой чистоты в среде аргона основным источником пор является азот, который растворяется в жидком металле в больших количествах и практически нерастворим в твердом никеле. К образованию пор в металле шва приводит объемное содержание в защитной атмосфере более 0,05% азота. Кислород при взаимодействии с водородом может вызвать появление пор. Он также способствует появлению пор в присутствии углерода. Протекание вышеуказанных реакций особенно вероятно при охлаждении, когда в связи с уменьшением растворимости NiO выделяется в виде самостоя¬тельной фазы. Поэтому эти реакции могут вызывать не только пористость, но и охрупчивание никеля из-за образования микротрещин, вызванного высоким давлением газообразных продуктов реакции (водородная болезнь). Важным условием получения беспористых швов при сварке никеля и его сплавов являются чистота свариваемых кромок, поверхности электродной проволоки, основного металла и сварочных материалов (флюсов, покрытий элек¬тродов, защитных газов); раскисление никеля в процессе сварки и связывание водорода. Эта задача решается путем введения в сварочную ванну сильных раскислителей (алюминия, титана и др.), а также применением флюсов или покрытий, способных связывать оксиды никеля или переводить водород в стойкие летучие соединения НР или гидроксид ОН (введение во флюсы и покрытия электродов ТЮз, ЗЮг, СаРг и др.):
По указанной причине технология сварки должна обеспечивать надежную защиту зоны сварки от атмосферного воздуха, хорошее раскисление и дегазацию сварочной ванны. Эффективная мера предотвращения пористости - сварка короткой дугой (до 1,5 мм), что резко уменьшает подсос газов из атмосферы.
2. Высокая склонность металла к образованию кристаллизационных трещин связана с образованием по границам крупных зерен, имеющих транскристаллитное строение, легкоплавких эвтектик типа Мo3 + Ni (Тпл = 645 °С), Мo3Р + Ni (Тпл - 880°С). Для предотвращения возникновения таких трещин в основном металле и сварочных материалах ограничивают содержание вредных примесей и вводят элементы, связывающие серу в более тугоплавкие соединения: до 5% Мn и до 0,1% Мg. Для ограничения роста зерна сварку ведут на ограниченной погонной энергии и вводят в небольшом количестве в металл шва модификаторы (титан, алюминий, молибден), измельчающие его структуру. При многопроходной сварке последующие швы необходимо накладывать после полного охлаждения предыдущих.
3. При сварке никеля и его сплавов металл сварочной ванны менее жидкотекуч, чем при сварке стали, и проплавляется на меньшую глубину, поэтому необходимо несколько увеличивать угол разделки кромок. Высокое удельное электросопротивление сплавов предопределяет меньший вылет проволоки при дуговой сварке. При выборе способа и разработке технологии сварки основное внимание уделяют обеспечению необходимых эксплуатационных свойств соединений. Поэтому даже для одного и того же сплава технология может быть различной. При дуговой сварке никеля и его сплавов нет необходимости всегда добиваться для шва того же химического состава, что и основной металл, так как для технического никеля, например, при совпадении химического состава в шве не удается избежать пор, трещин и других дефектов. Для предотвращения этих дефектов и получения необходимых свойств шва приходится прибегать к комплексному легированию. Среди примесей наиболее отрицательное влияние на сплавы оказывает углерод, который, выделяясь в виде графита, вызывает охрупчивание металла, поэтому содержание его ограничивают до 0,15%, а в некоторых сплавах даже до 0,05% , и сера. Количество серы в сплавах ограничивают до 0,005 -0,03%. Энергично парализует вредное влияние серы литий, который вводится в сплавы в количестве 0,004 - 0,006%. Фосфор ухудшает механические, физические, технологические свойства никеля и его сплавов, так как легкоплавкая хрупкая эвтектика располагается на границах зерен и нарушает связь между ними. В сплавах на основе никеля допускается не более 0,005% фосфора. Висмут, свинец, сурьма, мышьяк резко снижают механические и технологические свойства никелевых сплавов. Содержание этих примесей в сплавах ограничивают до 0,002 - 0,005%.
Металлургические и технологические особенности сварки.
К числу главных задач, возникающих при сварке никеля, особенно при сварке плавлением, относятся обеспечение надежной защиты зоны сварки от газов атмосферы, применение сварочных материалов высокой чистоты, а также раскисление и дегазация сварочной ванны. В качестве наиболее эффективных раскислителей для никеля применяют алюминий и титан. При выборе оптимального состава флюсов исходят из возможностей раскисления сварочной ванны, Для снижения роста кристаллитов, шва сварку ведут на ограниченной погонной энергии, а в металл шва вводят модификаторы (титан, молибден, алюминий и др.).
Специфические физико-химические свойства никеля особенно проявляются при сварке сплавов на его основе. Например, широко распространенный сплав системы Ni - Сu с добавками железа и марганца - монель-металл - имеет большие по сравнению с никелем линейную усадку, удельное электросопротивление и меньшую теплопроводность; сплав системы Ni - Сr - нихром - имеет большее электросопротивление и меньшую теплопроводность, склонен к образованию при сварке плавлением тугоплавкой пленки оксида хрома Сr2О3, затрудняющей формирование шва. ЗТВ на никеле и его сплавах с медью не закаливается и не имеет таких дефектов, для предотвращения которых потребовался бы предварительный подогрев или последующая термическая обработка. Однако, для некоторых сплавов (никеля с молибденом, никеля с молибденом и хромом и др.) требуется последующая термическая обработка сварных соединений (нагрев до 700 - 800 °С с последующим охлаждением на воздухе или в воде). Термическая обработка сварных соединений из технического никеля позволяет получить мелкозернистую и дезориентированную структуру, частично или полностью снять сварочные напряжения.
Для соединения никеля и некоторых его конструкционных сплавов применяются следующие способы сварки: газовая и дуговая угольным электродом (в ограниченных масштабах), покрытыми электродами, автоматическая под флюсом и в среде защитных газов, плазменная, ЭЛС, ЭШС, контактная.
Подготовка к сварке.
Важным условием получения качественных швов на никеле и его сплавах является обеспечение чистоты свариваемого металла и сварочной проволоки. Кромки и прилегающие к ним участки металла на расстоянии 20 - 30 мм тщательно зачищают механическим способом до металлического блеска и обезжиривают ацетоном, уайт-спиритом или чистым бензином. При длительном хранении никеля и медно-никелевых сплавов в заводской атмосфере на них образуется налет, содержащий серу. Этот налет не снимается при обезжиривании, поэтому требуется обязательная механическая зачистка перед сваркой. Как правило, химическое травление кромок на никеле и его сплавах перед сваркой не требуется. Однако в ряде случаев при наличии пленки оксидов на поверхности технического никеля, сохранившейся после длительного высокотемпературного нагрева, рекомендуется обработка металла в травильном растворе следующего состава : 1000см3 Н2О; 1500 см3 Н2S04; 2250 см3 НМО3; 30 г МаС1. Перед травлением деталь промывают в горячей воде, затем погружают в травильную ванну, а после травления вновь промывают в горячей воде. Длительность травления детали в ванне примерно 5 - 10 с. После травления и промывки остатки кислот нейтрализуют в 1% - ном водном растворе аммиака и просушивают.
Электродуговая сварка покрытыми электродами.
Эта сварка выполняется в основном для соединения металла толщиной более 1,5 мм электродами с качественными покрытиями на постоянном токе обратной полярности. Основной трудностью при сварке никеля покрытыми электродами является образование пор в сварных швах. Главная причина пористости - азот воздуха, проникающий в зону сварки в результате недостаточной защиты. Для создания надежной защиты в состав покрытия необходимо вводить газообразующие компоненты. Наиболее приемлемы для сварки никеля карбонаты, количество которых должно быть не менее 45 % массы сухой шихты покрытия. Совместное карбонатами в покрытии необходим углерод или его соединения с металлами, которые способствуют изменению состава защитной газовой атмосферы.
Равновесие этих реакций при температуре выше 1000 °С почти полностью сдвигается в сторону образования оксида углерода, а газовая среда переходит из окислительной в восстановительную. Сочетание в покрытиях карбонаты - карбиды металлов обеспечивает получение беспористых швов с высокими механическими свойствами. Легирование сварного шва через электродное покрытие незначительно, поэтому карбиды металлов даже в малых количествах оказывают модифицирующее действие. Для сварки никеля выпускаются электроды марки ОЗЛ-32 с рутилофтористокарбонатным покрытием. Пермским политехническим институтом разработаны новые электроды марок ЭНР-1, ЭНС-1, ЭНС-3. При сварке никеля используют пониженный ток с целью предупреждения перегрева электрода и получения минимально возможных внутренних напряжений в шве. При этом достигается также снижение угара раскисляющих и стабилизирующих элементов, содержащихся в электродной проволоке. Сварка выполняется при короткой дуге и небольшой скорости - примерно на 15% меньше скорости сварки стали (7-9 м/ч). Незначительные продольные колебания конца электрода обеспечивают хорошее газоудаление и получение более плотных швов, чем при поперечных колебаниях. Электрод держат примерно перпендикулярно к плоскости шва с наклоном не более 15° в сторону свариваемых кромок. Рекомендуется вести сварку по возможности за один проход. При больших толщинах в случае применения многопроходной сварки необходима хорошая очистка поверхности промежуточных слоев. Для уменьшения деформаций длинные швы рекомендуется выполнять участками с небольшими разрывами, которые завариваются после очистки от шлака. Сварку обычно проводят на медных подкладках. Средние значения показателей механических свойств сварных соединений из никеля НП-2 и металла шва в состоянии после сварки электродами «Прогресс-50» характеризуются следующими величинами: ав = 490,5 - 510,1 МПа; 5 = 40 - 45 %; а= 180°.
Автоматическая сварка под флюсом.
Для никеля возможно применение автоматической сварки под керамическим флюсом типа ЖН-1, а для никелевых сплавов - под основными (низкокремнистыми) или бескислородными фторидными флюсами. Используется никелевая проволока (НП-1, НП-2, НП-3), а также проволока с добавкой раскислителей (например, НМц.2,5). Для никелевых сплавов электродную проволоку выбирают близкой по составу к основному металлу. Диаметр проволоки практически не зависит от толщины металла и выбирается в зависимости от подготовки кромок в пределах 3-5 мм. Сварка никеля и его сплавов больших толщин производится обычно с V- или Х-образной разделкой кромок При сварке с полным проплавлением кромок используют медные или флюсовые подкладки. Сварку под флюсом выполняют постоянным током обратной полярности на обычных стандартных автоматах и полуавтоматах. Автоматическая сварка под керамическим флюсом ведется дугой средней длины при Уд =30 - 34 В. Для того чтобы избежать перегрева металла и связанного с ним чрезмерного роста зерна, сварку стремятся выполнять швами небольшого сечения. Из-за высокого электросопротивления никелевой проволоки вылет электрода уменьшают в 1,5 - 2 раза по сравнению с вылетом стальной проволоки.
Сварка в среде защитных газов.
В настоящее время этот способ является основным для сварки никеля и его сплавов. Задача обеспечения требуемого качества швов при сварке в среде аргона неплавящимся электродом решается путем выбора присадочных проволок, содержащих раскислители и нитридообразующие элементы (например, НМц 2,5, НМц6). В последние годы разработаны специальные комплекснолегированные проволоки марок НМцАТЗ-1,5-0,6 и НМцАТК-1-1,5-2,5-0,15. Эти проволоки наиболее надежно обеспечивают получение швов без пор и трещин. Дуговую сварку неплавящимся электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности с применением аргона первого сорта. Для получения качественных швов необходимы тщательная зачистка свариваемых кромок и прилегающих к ним участков металла на расстояние 20 - 30 мм, обезжиривание кромок и присадочных материалов, защита аргоном обратной стороны шва, применение газовых сопел специальной конструкции, как при сварке титана, и др. Сварка никеля производится при минимально возможной длине дуги я повышенной силе тока. Сварочный ток выбирается из расчета 40 - 50 А на 1 мм толщины основного металла, напряжение дуги 10 - 12В При ручной сварке никеля следует применять «левый» способ при максимально возможной скорости процесса с минимальными поперечными колебаниями электрода. Рекомендуется угол наклона горелки к оси шва не более 60°, а вылет неплавящегося электрода 12-15 мм. Присадочный металл следует подавать под углом 20 - 30° к оси шва. При многопроходной сварке последующие швы накладывают после полного охлаждения, зачистки от шлака и обезжиривания предыдущих слоев. Швы, подвергающиеся воздействию агрессивных сред, выполняют в последнюю очередь. Швы на никеле, выполненные в среде аргона, характеризуются высокой прочностью при хороших пластичности и вязкости. При аргонодуговой сварке сплавов на основе никеля большое значение имеет правильный выбор состава присадочного материала. Так, для никельмолибденовых сплавов Н70М27 (ЭП495) и Н70М27Ф (ЭП490) рекомендуется применять электродную проволоку марки ЭИ639 или Н70М27, для сварки никельмолибденового сплава ОХ15Н55М16В - проволоку марки ОХ15Н55М15В (ЭП567). Для сварных соединений указанных сплавов желательна термическая обработка: нагрев до 1050 °С, выдержка в течение 3 мин на 1 мм толщины, но не менее 20 мин, охлаждение в воде. При сварке конструкций из сплава типа инконель первый проход (корневой шов) рекомендуется выполнять без приса¬дочной проволоки, а каждый последующий проход - после охлаждения предыдущего до температуры ниже 90° С.
 Обсудить статью на форуме
|
|
| |
