Свариваемость стали с активными и тугоплавкими металлами

Получение качественных сварных соединений из стали с такими, например, металлами, как Ti, Та, Nb, Mo, представляет собой весьма сложную задачу.

Свойства титана и группы тугоплавких металлов весьма отличны от свойств железа. Следствием существенной разницы в кристаллохимических свойствах является малая растворимость этих металлов (особенно тугоплавких) в железе и склонность образовывать с ним твердые и хрупкие интерметаллические соединения. Так, при сварке стали с титаном в зависимости от степени смешения их могут образоваться: при растворении в титане более 23% Fe — Ti₂Fe, более 50% Fe — TiFe, более 68% Fe — TiFe₃. Следовательно, по мере перехода в соединении от стали к титану меняется состав интерметаллидной прослойки, она обедняется железом и обогащается титаном. С увеличением же толщины такой прослойки, твердость которой высока, снижаются прочность и пластические свойства сварного соединения. Поэтому в сварных сталетитановых соединениях допустимы лишь прослойки толщиной не более 1 мкм. В сварных соединениях ниобия со сталью опасно образование твердого и хрупкого интерметаллида Fe₃Nb₂ и др.

Ухудшает свариваемость сталей с рассматриваемой группой металлов и резкое отличие их теплофизических свойств, с чем связано появление высоких напряжений и деформаций, вызывающих трещины в шве и околошовной зоне.

Можно отметить два пути для решения сложной задачи получения сварных соединений из стали с активными и тугоплавкими металлами:

1)    применение промежуточных вставок, сваривающихся как со сталью, так и с тугоплавким металлом;
2)    непосредственное соединение путем расплавления стали без расплавления тугоплавкого металла.

Выбор промежуточных вставок относительно ограничен, так как лишь немногие металлы могут образовывать твердые растворы со столь различными по свойствам соединяемыми материалами. Например, Ti удовлетворительно сваривается лишь с V, Мо, Та, Nb и Zr. Но только V образует непрерывный ряд твердых растворов как с Ti, так и с Fe. Однако при использовании вставок из ванадия следует учитывать возможность образования со стороны стали прослойки твердых карбидов типа VC (HV 1045 кГ/мм) из-за перемещения углерода в сторону ванадия. Возможно применение комбинированных вставок, состоящих, например, из Та и термически обработанной бериллиевой бронзы. В этом случае бронза сваривается со сталью, а тантал — с титаном, не образуя интерметаллидных фаз.

И все же более технологичным представляется использование второго пути, когда для получения сварного соединения распласляется только сталь, а тугоплавкий металл лишь смачивается ею. Но при контакте жидкого металла с твердым успевают в той или иной степени пройти диффузионные процессы и образуется шов с характерной структурной неоднородностью и повышенной твердостью у границы с тугоплавким металлом. Регулируя тепловой режим сварки в направлении уменьшения длительности контакта жидкой и твердой фаз, можно получить сварное соединение с удовлетворительными механическими свойствами.

Следует помнить, что наиболее успешно удается сваривать рассматриваемые пары металлов лишь при наличии надежной защиты от действия окружающего воздуха.