Сварка никеля

Сварка никеля

20

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.. Древ-ние китайцы, например, ещё в III веке до н.э. выполняли сплав никеля с медью и цин-ком - “Пактонг”, который пользовался спросом во многих странах. Бактрийцы же из-готавливали 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, ко-торый обнаружил его в минерале никелине. Но тогда этот минерал назывался иначе - купферникель (“Медный дьявол”). Дело в том, что ещё в средние века саксонские ру-докопы 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, на-деявшихся 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 пус-той 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, кото-рый он и нарёк никелем.

Прошло ещё полвека, и немецкому химику Рихтеру удалось выделить из руды относительно чистый никель - серебристо-белый металл, с едва уловимым коричне-вым 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 до-бычи 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 ко-рабельной брони.

Созданием новой отечественной брони занялся замечательный русский метал-лург и металловед А.А. Ржемотарский. Напряжённая работа вскоре была успешно за-вершена. 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” поис-ков 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 древ-нем китайском сплаве. Почти одновременно различным учёным, взявшим за основу состав пактонга, удалось получить медно-никелевые сплавы, весьма сходные с сереб-ром.

В 1926 году удалось создать медно-никелевый сплав, которому не была проти-вопоказана 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 воздуш-ного 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 само-варов - 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 на-дёжно 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 ни-кель. Он-то и оказывает сильное каталитическое действие на процесс отвердения жи-ров. 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. Бу-дучи во многом сходными, эти элементы образуют так называемую триаду. Любо-пытно, что из 104 известных в настоящее время элементов при обычных условиях лишь члены железной природы обладают ферромагнитными свойствами. Эта “семей-ственность” доставляет много хлопот металлургам: отделить никель от кобальта - за-дача 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, сопут-ствуют никелю. Разделение этих элементов - сложный многостадийный процесс. Именно по этому никель считается одним из наиболее дорогих и дефицитных про-мышленных металлов.

В земной коре содержится 0,008% никеля. Не думайте, что это мало. Общее ко-личество 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 принад-лежит Канаде.

В отличие от Земли, где никель встречается лишь “в компании” с другими эле-ментами, 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 ма-терии очень велика (например, на белых карликах), 1 кубический сантиметр никеля весит тонны!

В довольно больших количествах космический никель попадает и на нашу пла-нету. По подсчётам советских учёных, ежегодно на каждый квадратный километр ми-рового 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 пере-ходе 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 - 1660С. 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% уг-лекислого бария. Применяют и более сложные флюсы, содержащие, кроме буру и борной кислоты, хлористые соединения магния, марганца и лития, а также хлори-стый 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 аце-тилена, 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. Хо-рошие 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), имею-щего температуру плавления 1390С и малую теплопроводность, затрудняется образо-ванием тугоплавкой плёнки окиси хрома, которую удаляют механическим путём. Сварку следует вести с максимальной скоростью и без перерывов. Повторная и много-слойная 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 соедине-ние имеет предел прочности 35-45 кгс/мм.

Никель относится к переходным d-металлам, расположен в восьмой группе пе-риодической системы элементов Д.И. Менделеева и является одним из важных про-мышленных металлов. Чистый никель имеет высокую прочность и пластичность. Вы-сокие пластические свойства никель сохраняет при низких температурах. При 20 К предел прочности никеля достигает 774 МПа, а относительное удлинение - 48%. Ни-кель 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, ко-эффициент линейного расширения 13,3 * 10К.

Никель широко применяется в химической промышленности для изготовления аппаратуры, в электронной промышленности для изготовления деталей электроваку-умных приборов и внутриламповой арматуры (анодов, сеток, кернов оксидных като-дов), 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 свой-ствами и составом, в частности термодинамической прочностью окисной плёнки, со-противлением ползучести и деформационной способностью металла. На чистом ни-келе при нагреве образуется только один окисел NIO, имеющий сравнительно высо-кую упругость диссоциации 1,3 * 10 - 1,3 * 10 Па при 1 273 - 1 373 К. Однако ни-кель, как d-переходный металл, образует с кислородом устойчивый хемосорбирован-ный комплекс. Удаление кислорода обусловлено его диффузией при сварке в глубь металла. Растворимость кислорода в никеле составляет 0,012% при 1 473 К и с пони-жением температуры увеличивается. Расчёты показывают, что длительность растворе-ния окисной плёнки толщиной 0,005 мкм в никеле при температуре 1 173 - 1 473 К из-меняется 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 отлича-ется от сварки никеля. Жаропрочные никелевые сплавы являются сложнолегирован-ными 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 диффу-зионную 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 окисли-тельно-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 рекри-сталлизации 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 углероди-стых и низколегированных сталей. За нижний предел температуры сварки принимают температуру начала развития процентов рекристаллизации и диффузии. Для большин-ства жаропрочных сплавов эта температура близка к 1 323 - 1 373 К. За верхний пре-дел температуры сварки принимают температуру разупрочнения сплавов. При этом следует учитывать также возможность резкого падения пластичности сплавов с по-вышением температуры.

Приведена диаграмма технологической пла-стичности двух никелевых сплавов. Из диаграммы следует, что при 1 473 К происходит резкое падение пластичности сплавов. Если при диффузионной сварке жаропрочных сплавов в результате пластиче-ской деформации сжатия произойдёт течение ме-талла, то в зоне соединения образуются трещины. Та-кое состояние возможно, несмотря на малые вели-чины деформации при диффузионной сварке, так как с повышением температуры пластичность металла близка к нулю. Таким образом, верхний предел тем-пературы сварки большинства жаропрочных сплавов не превышает 1 473 - 1 523 К. Остальные параметры режимов диффузионной сварки жаропрочных сплавов опреде-ляют 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 ре-комендуется температура 1 273 К, давление сжатия 14,7 МПа, время сварки 10 минут при вакууме 1,3 * 10Па. С экспериментальными данными согласуются расчётные [5], полученные из условия образования фактического контакта при установившейся пол-зучести по уравнению: t = A exp , где t - длительность сглаживания микро неровностей, с; А - коэффициент, зависящий от чистоты и класса обработки поверх-ности, равный 5 * 10 при обработке по Rа = 1,25 мкм; В - коэффициент, изменяю-щийся от 5 * 10 до 7 * 10; р - давление сжатия, МПа; m - коэффициент, изменяю-щийся обычно от 3 до 5; Н - энергия активации ползучести, кДж/моль; R - универ-сальная газовая постоянная; R = 8,315 кДж/моль; Т - температура сварки, К.

Закономерности диффузионных процессов в приконтактной зоне при сварке ни-келя изучены в работе [8]. Установлена неоднородность диффузионного потока в при-контактных слоях никеля, обусловленная рельефом соединяемых поверхностей и не-однородностью пластической деформации приповерхностных слоёв металла. В узкой приконтактной зоне наблюдается высокая скорость диффузии (коэффициент диффу-зии 10 - 10 см/с), что соответствует диффузионной подвижности вдоль границ зё-рен с наиболее благоприятной для диффузии разориентировкой зёрен. Причём в слу-чае предварительного электролитического полирования поверхностей, глубина этой зоны 10 мкм, а при механическом шлифовании эффект ускорения диффузии сохраня-ется на значительном расстоянии от поверхности. С повышением температуры и дав-ления сжатия диффузионный поток становится более однородным по всей прикон-тактной зоне. Энергия активации равна, примерно, половине энергии активации само-диффузии никеля и изменяется в зоне сварки. Минимальное значение энергии актива-ции 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, необхо-димых 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 ни-келя можно выполнять не только в вакууме, но и в водороде. В некоторых работах ис-пользовали водород с точкой росы 233 К.

Страницы: 1, 2