1. Смачивание поверхности стали расплавами меди и ее сплавов

Необходимость сварки сталей с медью и ее сплавами (бронзами, ла-тунями) возникает при изготовлении кристаллизаторов, химической аппаратуры, испарителей, эжекторов, фурм доменных печей и конвертеров, скользящих опор шагающего экскаватора и др. Замена деталей, полученных из отливок цветных металлов, сварными биметаллическими — один из перспективных способов, позволяющих снизить расход дорогостоящей бронзы и себестоимость изготовления. В таких случаях основа биметаллических деталей состоит из дешевых и недефицитных материалов, например из малоуглеродистой стали, а на их рабочие поверхности наплавляют сплавы со специальными свойствами.

Необходимость изучения растекания бронз по поверхности стали возникает в связи с задачей изготовления крупногабаритных деталей пар трения, которые можно получить наплавкой бронзы [267]. Этот способ основан на смачивании поверхностей из конструкционных сталей медными сплавами при нагреве в замкнутой среде.

Как известно, поверхностное натяжение металлов с изменением температуры меняется. Так, поверхностное натяжение меди при 1404 К составляет 1103 мДж/м2, при 1423 К — 1115 мДж/м2, при 1473 К — 1154 мДж/м2 и при 1488 К — 1166 мДж/м2.

Таким образом, с повышением температуры поверхностное натяжение меди увеличивается. Примеси в металле иногда оказывают весьма существенное влияние на изменение поверхностного натяжения. Повышение атомного содержания меди в медно-никелевых сплавах от О до 100 % приводит к понижению поверхностного натяжения от 1735 до 1265 мДж/см2. На поверхностное натяжение меди очень сильно влияют добавки серы, а также кислорода, серебра, золота, кадмия, алюминия, олова, свинца, сурьмы. Повышение концентрации примесей в поверхностном слое приводит к понижению поверхностного натяжения металла или сплава.

Одна из серьезных проблем при сварке меди со сталью — проникновение меди по границам зерен в сталь в процессе сварки и образование трещин. В работе [178] механизм образования трещин представлен следующим образом. В результате действия упругопластических деформаций растяжения на поверхности кристаллизующейся стали возникают микронадрывы. Медь, находящаяся в жидком состоянии, смачивает поверхности микротрещин и проникает туда под действием капиллярного эффекта. Проникнув в микронадрыв, медь вызывает дополнительное давление на стенки микрощели, что приводит к развитию микронадрыва и образованию трещины значительной величины. Из двух фаз, присутствующих в сталях, жидкая медь смачивает аустенит (у-фазу) и не смачивает феррит (а-фазу).

Для непосредственного определения смачиваемости медью аустени-та и феррита методом лежащей капли определены краевые углы смачивания между жидкой медью и аустенитом и жидкой .ледью и ферритом. Материал подложек: феррит — сталь 08Х17Т, аустенит — сталь

о

12Х18Н9Т. При использовании в качестве подложки стали 08Х17Т 6 = 92.100°, а для стали 12Х18Н9Т 6 = 44.28° при 1373 К. Поскольку краевой угол смачивания медью стали 08Х17Т (феррит) 0 ; 90°, указанная сталь медью не смачивается, для стали 12Х18Н9Т (аустенит) 0 ^ 90°, т. е. она смачивается медью. Резкое уменьшение (вплоть до полного отсутствия) трещин в сталях с ферритной фазой вызвано несмачиваемостью феррита жидкой медью.

Исследовалась смачиваемость электротехнической стали жидкой, медью в вакууме путем определения угла смачивания 0 и площади растекания 5 при разной температуре наплавляемой поверхности (973— 1373 К). С этой целью при разрежении в камере около 1,33 • 103 Па на нагретые до определенной температуры образцы наносили капли расплавленной меди, которые полу- ^град8,см2 чали путем введения медного прутка диаметром 4 мм в зону горения дуги. В момент отрыва Л капли дуга выключалась, и одновременно фиксировалась температура поверхности образца 60\ (в записи на осциллографе с помощью хромельалюмелевых термопар). Результаты исследования угла смачивания и площади растекания меди при соединении медь — сталь представлены на рис. 43.

В работе [224] определены скорости растекания жидкой меди по поверхности железа различно."! степени окисленности при температуре 1393 К. Установлено, что расплавы растекаются с изменяющимися контактными углами.

Опыт эксплуатации изделий, плакирующий слой которых получен наплавкой медных сплавов на стальную основу, показал, что оптимальные механические и физико-химические свойства деталей можно обеспечить термическим циклом без расплавления основного металла. Одним из способов наплавки с минимальным проплавлением основного металла является плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой и с присадкой порошков.

В работе [217] для выяснения закономерностей формирования контактной зоны в процессе наплавки изучены поверхностные свойства исготьзуемых в качестве наплавочных материалов медных расплавов. БрА/КНМц8,5-4-5-1,5, БрКМцЗ-1, БрОН8,5-3, БрМН40, а также смачивание ими материала основы (сталей 45 и 12Х18Н10Т) в вакууме (2.4) • 10—3 Па при 1573 К. Образцы бронз изготовляли из наплавленных на стальную основу валиков. Плазменную наплавку валиков с присадкой порошков проводили на обратной полярности. Ведение процесса на постоянном токе обратной полярности повышает качество и стабильность свойств биметалла благодаря катодной очистке, которая проявляется в удалении оксидных пленок с поверхности металла под

Рис. 48. Зависимость краевого угла смачивания и площади растекания жидкой меди от температуры нагрева образцов: О - 6; Д — Я.