2.3. Структура швів у з’єднанні тонкостінних деталей із різнорідних сталей

 

            При паянні, особливо високотемпературному, змінюються властивості металу, що паяється. В першу чергу зміни обумовлюються термічним циклом паяння. Крім того, під час паяння взаємодія з розплавом припою знижує міцність основного металу за рахунок зменшення поверхневої енергії твердих тіл при абсорбції, а також від  проникнення  активних компонентів розплаву по межах зерен і мікродефектах. При взаємодії певної композиції основного металу і розплаву припою відбувається  процес розчинення-осадження металу, що  може призвести до руйнування деталей під час паяння.  Ці означені вище процеси мають велике значення  при виготовленні тонкостінних конструкцій, таких, як пластинчасто-ребристі теплообмінники або щільникові ущільнення, деталі яких виготовляються із тонких металевих стрічок і листів. Особливістю процесу високотемпературного паяння тонкостінних конструкцій є те, що розплав припою, як правило, контактує з поверхнею стрічки з обох боків. Процес  взаємодії металевих стрічок із сталей, які широко застосовуються при виготовленні тонкостінних конструкцій,  з розплавом міді як припою потребує окремого розгляду.

            Для виготовлення тонкостінних пластинчато-ребристих теплообмінників застосовують в різних композиціях, залежно від призначення,  стрічки із сталей 08кп, 08пс, 20Х13, 10Х18Н10, 12Х18Н9 та ін. Тонкостінні деталі теплообмінників перебувають у процесі паяння  в контакті з двох боків з розплавом міді. Двостороннє змочування й дифузія розплавленої міді в тонку стрічку при тривалому контакті з розплавом може істотно змінити структуру металу. Підтвердженням цього є отримання при дослідженні комбінацій тришарового паяного з'єднання з тонких стрічок, що застосовуються  для виготовлення теплообмінників. Комбінації матеріалів стрічок в з’єднанні подані у табл. 2.9.

 

Таблиця 2.9 – Комбінації паяних тришарових з'єднань

                        стрічок

 

 

            Схема паяного зразка показана на рис. 2.33. Комбінацію стрічок вибирали відповідно до  табл. 2.9. Між відрізками стрічки розміщали мідну фольгу товщиною 0,04 мм. Температура  паяння  становила 1150±100С, витримка 25-30 хв.

 

      Тришарова композиція зі сталі 20Х13. Композиція 1

У результаті термічного циклу – нагрівання до температури паяння, витримка, охолодження в печі – розмір зерна металу стрічки 20Х13 збільшився  з 8-9 бала до 3-4 балів. Структура металу – голчастий бейніт (рис. 2.34). Межі зерен, особливо в середньому шарі, стовщені, відрізняються підвищеним протравленням на шліфові.

Відмінність  середнього  шару  від  зовнішніх шарів полягає у двосторонньому контакті з розплавом міді. Це створює умови для досягнення межі розчинності міді в сталі 20Х13, насамперед у середньому тонкому шарі й обумовлює  зміну  її  структури  в  дифузійній зоні. При однаковій тривалості взаємодії у зовнішніх шарах видимих змін  структури  не  виявлено.  Мікротвердість    дифузійної  зони  в  середньому  шарі  Нµ10 = 2400-2600 МПа,  структура основного металу – голчастий бейніт Нµ100=3700-4000 МПа. Мікротвердість матриці паяного шва між верхнім і середнім  шаром  Нµ5 = 730 МПа,  між  середнім і нижнім –

630 МПа.  Верхній   і  нижній  шви відрізняються не тільки твердістю, але й структурою. У верхньому, більш широкому (30%)  шві  матриця  металу шва армована безліччю дрібнодисперсних частинок заліза, що випали при кристалізації з насиченого розчину в міді. Це обумовлює більш високу твердість шва. У нижньому, більш вузькому шві, при рівних термічних умовах концентрація розчину заліза в міді більш висока. Це призводить до досягнення рівноваги й процесу розчинення – осадження металу стрічки при ізотермічній витримці. У шві осаджуються витягнуті дендрити з мікротвердістю Нµ10=1500-2000 МПа. Зростаючі дендрити мають витягнуту по напрямку дифузійного потоку атомів заліза в розплаві міді. Деякі дендрити зрощують дві поверхні стрічок. Розмір паяльного зазору в цьому процесі має основний вплив. У тришаровій композиції 2 зі стрічки 20Х13 розміри зазорів трохи менші, ніж у композиції 1. Паяння  зразків виконувалося одночасно в однакових умовах. У композиції 2 зрощування поверхонь за допомогою осаджених дендритів відбулося у верхньому й нижньому швах.

 

Композицію 2 після паяння піддали відпуску при 7000С з  охолодженням  на  повітрі,  що призвело  до  зниження  твердості  голчастого  бейніту  (рис. 2.35).   Мікротвердість металу  стрічки  зменшилася  майже  вдвічі Нµ50 = 1950-2050 МПа. Трохи  знизилася  твердість  дифузійної  зони  середнього  шару  Нµ10 = 1800-2000 МПа. Твердість дендритів Нµ10=1850 МПа, матриці шва – 680-770 МПа.

Тришарова композиція зі сталі 08пс. Композиція 3

У  результаті  термічного  циклу паяння  у вакуумній печі  в  стрічці  зі  сталі  08пс розмір зерна збільшився з 7-8 балів до 2-3 балів (рис. 2.36). При взаємодії розплавлена мідь активно дифундує в метал стрічки й одночасно проникає по межах зерен. При двосторонньому контакті зі стрічкою мідь проникає на всю її товщину (0,15 мм) за відсутності напруги розтягання. Деякі зерна на поверхні стрічки відділяються розплавом міді й переміщуються у шов. Структура металу стрічки – ферит Нµ50 = 950-1000 МПа. У дифузійній зоні  взаємодії з міддю мікротвердість Нµ20 = 1250-1450 МПа. Твердість  зерен, що відділилися, Нµ5 = 1050-1100 МПа. Мікротвердість шва Нµ5 = 640-720 МПа. Ширина  верхнього й нижнього швів відрізняється на  ≈ 30%. Дендритів, що утворюються при осадженні з пересиченого розчину, у швах немає.

 

 

            При  товщині стрічки 08пс 0,25 мм (композиція 4) характер і результати взаємодії з розплавом міді аналогічні (рис. 2.37). При двосторонньому контакті розплав міді в деяких місцях проник по межах зерен на половину товщини стрічки за відсутності напруги розтягання. При цьому виявлено, що процес проникнення міді по межах зерен випереджає її дифузійне переміщення в тілі зерна. З поверхні стрічки відділяються фрагменти зерен і після розчинення гострих периферійних ділянок набувають рівноважної сфероїдальної форми. Мікротвердість структурних складових - основного металу, дифузійної зони, відділених зерен і металу шва - аналогічна мікротвердості в композиції  3.

            Тришарова композиція зі сталі 12Х18Н9. Композиція 5. Характер взаємодії металу стрічки з розплавом міді аналогічний із взаємодією зі сталлю 20Х13. Розмір дифузійної зони в середньому шарі при двосторонній взаємодії з розплавом на порядок більше розміру зони в стрічках зовнішніх шарів (рис. 2.38). Однак глибокого проникнення міді в стрічку немає. Мідь проникає по межах зерен у поверхневому  шарі  на  глибину,  незначно  більшу,  ніж  у тіло зерна. Верхній і нижній шви відрізняються по ширині. У  вузькому  шві  відбулася  кристалізація  дендритів   у результаті  розчинення – осадження  металу  стрічки.  Структура основного металу – аустеніт з мікротвердістю Нµ50 = 1700-1900 МПа. Мікротвердість дифузійної зони Нµ10 = 1950-2400 МПа, дендритів – Нµ10 = 1800 МПа, металу шва – Нµ10 = 620-720 МПа.

 

            Тришарова композиція зі сталей 12Х18Н9, 20Х13 і 08пс. Композиція 6. При двосторонній взаємодії розплаву міді із середнім шаром зі сталі 20Х13 утворюється дифузійна зона, більш широка, ніж у сталі 12Х18Н9 і менш широка, ніж у сталі 08пс (рис. 2.39). При цьому мікротвердість зон значно відрізняється. У верхньому шві, що прилягає до сталі 12Х18Н9 Нµ10 = 2800 МПа, а в нижньому, що прилягає до сталі 08пс – Нµ10 = 1400-1600 МПа. Структура основного металу середнього шару – голчастий бейніт з Нµ50 = 3600 МПа.  В обох швах утворилися стовпчасті дендрити, що закристалізувалися з поверхні стрічки 20Х13 у напрямку до поверхонь суміжних шарів. Мікротвердість дендритів у шві зі сталлю 08пс Нµ10 = 1500 МПа, а зі сталлю 12Х18Н9 – Нµ10 = 2170-2590 МПа. Структура верхнього шару сталі 12Х18Н9 – аустеніт з Нµ50 = 1900 МПа, дифузійна зона в окремих місцях до Нµ10 = 2800МПа. Нижній шар – сталь  08пс  феритний, Нµ50 = 900 МПа, дифузійна зона Нµ10 = 1200-1500 МПа. Мікротвердість металу шва Нµ10 = 730-760 МПа.

 

 

            Розплав міді проникає по межах зерен у сталях 12Х18Н9 і 20Х13 на глибину дифузійної зони, а в сталі 08пс – на глибину меж верхнього шару зерен.

            Аналіз результатів експериментів у дослідженні мікроструктури паяних з'єднань і порівняння мікротвердості структурних складових паяних швів (табл. 2.10) дозволяє зробити  такі висновки про особливості й механізм структуроутворення.

Таблиця 2.10 – Мікротвердість структурних складових,

паяних міддю швів, тонких сталевих стрічок,  МПа

 

 

            1.         Дифузійна зона в тонкій сталевій стрічці при двосторонній взаємодії з розплавом міді має більшу глибину порівняно з однобічною взаємодією при однакових умовах нагрівання.

            2.         Дифузія міді підвищує в дифузійній зоні твердість фериту й аустеніту, а твердість бейніту знижує.

            3.         Процес взаємодії розплаву міді з тонкими стрічками відрізняється залежно від  складу сталі.

            При взаємодії зі стрічками з нержавіючих сталей 20Х13 і 12Х18Н9 мідь рівномірно дифундує з поверхні вглиб металу з незначно випереджальним переміщенням по межах зерен.

            При взаємодії зі стрічкою з низьковуглецевої сталі 08пс мідь, випереджаючи фронт дифузії по тілу зерен, проникає по межах зерен на значну глибину, що досягає більше половини товщини стрічки, навіть за наявності напруги стискання. Частково проникнення міді не має дифузійного характеру, а утворює   прошарки між зернами  (рис. 2.36, 2.37).

            Істотна  різниця  процесів  взаємодії розплаву міді з низьковуглецевими й високолегованими сталями обумовлена двома основними причинами:

різною швидкістю дифузії міді в залізовуглецевих сплавах залежно від  вмісту вуглецю;

розбіжністю у будові меж зерен.

            Відомо, що швидкість дифузії міді в залізовуглецевих сплавах зменшується зі збільшенням вмісту вуглецю. Також відомо, що на межах зерен низьковуглецевих сталей класу 08пс сконцентрована значна кількість домішок, що пов'язано з підвищеним вмістом сірки й способом виплавки сталі.

            При паянні  міддю тонких стрічок зі сталей 20Х13 і 12Х18Н9 у швах товщиною менше 10 мкм кристалізуються стовпчасті дендрити в перпендикулярному до поверхні стрічки напрямку. У ряді досліджень установлено факт утворення стовпчастих дендритів при паянні міддю сталей з різним, що відрізняється на >0,15%, вмістом вуглецю. Стовпчасті дендрити при відповідній тривалості паяння  зрощують поверхні різнорідних сталей  і значно зміцнюють  паяне  з'єднання.  Такий  процес  зафіксований  і  при паянні  тришарової композиції сталей 12Х18Н9 - 20Х13 - 08пс. У  шві,  що  з'єднує сталі 20Х13  і  08пс, у якому градієнт  концентрації   вуглецю   між   стрічками   становить ≈ 0,15%, стовпчасті дендрити зрощують поверхні стрічок. Процес пояснюється обмеженою розчинністю заліза в міді.

            При температурі паяння  розчинність заліза становить ≈ 4,5%. З насиченого розчину при ізотермічній витримці на поверхні, що містить більшу кількість вуглецю, осаджуються кластери розчину на основі заліза. При цьому рухливі атоми вуглецю є активаторами кристалізації.

            Однак поряд із відомим процесом у дослідженні зафіксований факт кристалізації стовпчастих дендритів і між однорідними за складом стрічками зі сталей 20Х13 + 20Х13 і 12Х18Н9 + 12Х18Н9. При цьому в обох композиціях кристалізація стовпчастих дендритів відбулася тільки в зазорах розміром менше 10 мкм. У зазорах більшого розміру за тих самих умов дендритів немає (рис. 2.34 і 2.38). Пояснення процесу може бути таким. При взаємодії з розплавом міді з поверхні металу відділяються й переходять у розплав атоми й кластери заліза, що являють собою мікроугрупування з декількох періодів ґрат твердого металу. Їхня концентрація, що обумовлена розчинністю, досягає насичення раніше в більш вузькому зазорі. Про насичення розплаву міді залізом  свідчить мікротвердість   матриці, що закристалізувалася.

            При  взаємодії  розплаву  міді  зі  сплавами  на  основі заліза – сталями – основу стовпчастих дендритів становить насичений розчин міді у залізі. При взаємодії з легованою сталлю  до  складу  твердого  розчину дендриту входять легуючі  елементи.  У  паяному  з'єднанні  сталі   20Х13 дендрит має склад Fe-Cr-Cu-C, у з'єднанні сталі 12Х18Н9  Fе-Cr-Ni-Cu-C. Відмінність складу обумовлює різну мікротвердість дендриту.

            Передбачуваним механізмом структуроутворення паяного міддю з'єднання тонких стрічок можна пояснити особливості паяння  стрічки зі сталі 08пс, що містить 0,02% вуглецю. Мідь із розплаву активно дифундує й проникає по недосконалих стовщених межах зерен. Підвищення концентрація міді й відповідно вуглецю при малому його вмісті в дифузійній зоні не утворюється. Мідь і вуглець порівняно  рівномірно  розподіляються  по   всьому перерізі стрічки. Мікротвердість чистої міді становить Нµ10=480 МПа, а мікротвердість міді, насиченої залізом, у паяному шві – Нµ10 = 640-760 МПа. При цьому твердість вище у швах, у яких не відбулося осадження стовпчастих дендритів, що свідчить про кристалізацію пересиченого твердого розчину.

            Одночасно з насиченням розплаву міді залізом у метал стрічки дифундує мідь. Дифузія міді, що має атомний радіус, більший, ніж у заліза, викликає деформацію кристалічних ґраток у сталі. Деформація ґраток обумовлює висхідну дифузію вуглецю в дифузійну зону й приводить до підвищення концентрації вуглецю на поверхні стрічки. Тому розмір дифузійної зони в середніх стрічках із сталей 20Х13 і 12Х18Н9 значно більше зони у зовнішніх стрічках, у зазорі створюється градієнт концентрації вуглецю, необхідний  для  росту стовпчастих дендритів складу Fe-Cu-C. Градієнт концентрації вуглецю між поверхнями стрічки 08пс відсутній і стовпчасті дендрити не осаджуються з пересиченого  розчину заліза в міді навіть у досить вузьких (≈ 5 мкм) зазорах (рис. 2.36).

            У підсумку досліджень отримане підтвердження утворення армованого стовпчастими дендритами при паянні міддю з'єднання із різнорідних за вмістом вуглецю сталей. При цьому виявлено, що при паянні  тонких стрічок з нержавіючих сталей можливе утворення армованих швів і при однорідному складі металу стрічок. Неодмінною умовою є наявність двосторонньої взаємодії стрічки з розплавом міді й вузький  ≈10 мкм зазор.

            Виявлені механізми структуроутворення паяних міддю з'єднань дозволяють раціонально створювати нові конструкції  із тонких сталевих стрічок із прогнозуванням міцності паяного з'єднання й можливості виконання високотемпературного  паяння. При відповідному виборі композиції матеріалів деталей і технології збирання можна формувати паяні з'єднання, більш міцні, ніж припій, що їх утворює  (рис. 2.40).

            Металографічний аналіз структури паяних з'єднань дає підстави для застосування тонких стрічок із сталей 20Х13 і 12Х18Н9 при виготовленні паяних міддю тонкостінних конструкцій із металевих стрічок товщиною  0,2 мм. Межа міцності стрічки із сталі 12Х18Н9 після нагрівання до температури паяння міддю 11000С  значно  зменшується, тому

що зникає нагартування, завдане прокатуванням металу до досягнення потрібної товщини стрічки. Стрічка із сталі 12Х18Н9 має аустенітну структуру, яка не змінюється при нагріванні до температури паяння і після охолодження з різною швидкістю. Аустенітна структура визначає механічні властивості стрічки і відповідно властивості паяного тонкостінного вузла.

            Структура сталі  20Х13 змінюється при нагріванні і охолодженні при паянні, що обумовлює зміну механічних властивостей як тонкої стрічки, так і листового металу, з яких виготовляються різні паяні вузли.

            Для конструювання і розроблення технології виготовлення паяних виробів із сталі 20Х13 необхідні знання про структурні перетворення, спричинені термічним циклом високотемпературного  паяння, і необхідні технологічні термічні операції для надання паяному вузлу необхідних властивостей.

            Ощадливо легована нержавіюча сталь мартенситного класу 20Х13 призначена для виготовлення деталей з підвищеною пластичністю, що піддаються ударним навантаженням, працюють у звичайних атмосферних умовах, річковій і водогінній воді, вологій парі й водяних розчинах солей органічних кислот, а також у морській воді. Сталь жароміцна при температурі до 5000С і холодостійка при температурі мінус 600С. Сталь зварюється ручною дуговою, аргонодуговою, контактним зварюванням з підігрівом (200-3000С) і наступною термообробкою - нормалізацією з відпалом [83, 84].

            Промисловість поставляє всі види прокату зі сталі 20Х13 - сортову, фасонну, стрічку, лист, дріт і труби. Хімічний  склад за ДСТ 5632 - 72: C = 0,16-0,25%; Cr = 12-14%; Mn = 0,8%;  Sі = 0,8%; S = 0,025%; P = 0,03% . Коефіцієнт теплопровідності  = 0,07 кал/см.с 0С. Коефіцієнт лінійного розширення = 10,2 10-6 0С-1 (20-1000С).

            Механічні властивості прутків після нормалізації при 10000С і відпалу 680-7500С на повітрі подані в табл. 2.11.

 

Таблиця 2.11 – Механічні властивості сортової сталі 20Х13

 

 

            Для виготовлення теплообмінників застосовується стрічка у відпаленому м'якому стані, властивості стрічки наведені в табл. 2.12.

            Після нагрівання до температури вище 11000С і охолодження у вакуумній печі межа міцності стрічки підвищується до 1100 МПа, відносне  подовження  знижується до 3-4%. У такому стані стрічки експлуатація виготовлених з неї виробів неприпустима через можливість крихкого руйнування при вібрації й механічному навантаженні.

 

Таблиця 2.12 – Механічні властивості стрічки із сталі 20Х13

 

           

            Високотемпературне нагрівання у вакуумі тонкої стрічки сприяє видаленню газів з металу й може підвищити її пластичні властивості. У той самий час таке нагрівання викликає значний ріст зерна й призводить до крихкості. Комплексними дослідженнями визначили вплив на механічні властивості й структуру сталі 20Х13 відпалу, наступного після високотемпературного нагрівання у вакуумі.

            Зразки для випробувань на розтягування й ударну в'язкість  виготовляли  із  прутка Ǿ40 мм. Зразки піддавали термічній обробці за такими режимами:

            1.         Нагрівання до 11200С, витримка 15 хв, охолодження у вакуумній печі до 200С.

            2.         Нагрівання до 11200С, витримка 15 хв, охолодження у вакуумній печі до 200С , нагрівання до 7000С, витримка 60 хв, охолодження у вакуумній печі до 200С.

            3.         Нагрівання до 11200С, витримка 15 хв, охолодження у  вакуумній  печі до 200С, нагрівання  в електричній муфельній печі до 7000С, витримка 60 хв, охолодження на повітрі.

            Результати  механічних  випробувань   наведені   в табл.         2.13.

 

Таблиця 2.13 – Механічні властивості сталі 20Х13 до

                                         й після відпалу

 

 

            Механічні властивості стрічки, обробленої за режимом: нагрівання  до  11200С,  витримка 15 хв, охолодження у вакуумній печі до 1000С , нагрівання до 7000С, витримка 60 хв, охолодження у вакуумній печі до 200С наведені в табл. 2.14.

 

Таблиця 2.14 – Механічні властивості стрічки 20Х13 після нагрівання й відпалу у вакуумі

 

 

            Механічні властивості стрічки, обробленої за режимом: нагрівання до 11200С, витримки 15 хв, охолодження у вакуумній печі до 1000С, нагрівання в електричній муфельній печі до 7000С, витримки 60 хв, охолодження на повітрі, наведені в табл. 2.15.

 

Таблиця 2.15 – Механічні властивості стрічки 20Х13 після нагрівання при відпалу з охолодженням на повітрі

 

 

            Металографічні дослідження на оптичних і растровому електронному мікроскопах визначили наступні зміни структури сталі 20Х13 після наведених вище нагрівань.

            У початковому стані сталь має дрібнозернисту (10 бал) ферито-перлітну структуру з оксидними й силіцидними включеннями (3 бали) (рис. 2.41).

 

            Високотемпературне нагрівання до 11200С і подальше охолодження в камері вакуумної печі приводе до утворення  грубозернистої  (5 бал) мартенситної структури (рис. 2.42), що  крихко  руйнується по межах зерен як при ударному навантаженні (рис. 2.43), так і при розтягуванні (рис. 2.44). Високотемпературний відпал при 7000С з витримкою 60 хв при нагріванні й охолодженні у вакуумній печі  призводить  до  утворення   сорбітної   структури (рис. 2.45) і відновлення в'язкості. У зламі після випробувань на удар переважає  транскристалітне руйнування з локальними ділянками крихкого руйнування по межах зерен (рис. 2.46).

            При  відпалі  з  нагріванням  до  7000С  і  витримкою 60 хв у муфельній електричній печі з наступним охолодженням на повітрі утворюється сорбіто-трооститна структура, що зберегла орієнтацію пластинок по мартенситних голках (рис. 2.47). Така структура забезпечує кращу композицію міцності і в'язкості. У зламі після випробувань на ударну в'язкість відсутні ділянки крихкого відколу. Руйнування відбувається в’язко по всьому перетині (рис. 2.48).

            Проведені дослідження показали, що використання сталі 20Х13 дозволяє за допомогою термічної обробки одержати корозійностійкі, міцні,  із запасом пластичності паяні  вироби [85].