УДК 621.791.85

Анализ и выявление причин низкого качества соединений, полученных при помощи термических систем давления (ТСД)

Перевозникова Я.В., Перекрестов А.П., Вавилина Н.А.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
410054 г. Саратов, Россия
E-mail: ems@sstu.ru

В последнее время для неразъемного соединения материалов интенсивно внедряется способ диффузионной сварки [Ошибка! Источник ссылки не найден.], обеспечивающий большую прочность и стабильность качества соединения. Диффузионный метод сварки характеризуется тем, что процесс протекает в защитной (инертной или активной) среде при температурах и давлениях, обеспечивающих взаимную диффузию атомов соединяемых материалов в твердой фазе с образованием между свариваемыми поверхностями прочного и по всем остальным параметрам качественного соединения. Технологическая характеристика диффузионной сварки была предложена Н.Ф. Казаковым и принята Международным институтом сварки в следующем виде: «Диффузионная сварка материалов в твердом состоянии – это способ получения монолитного соединения, образовавшегося вследствие возникновения связей на атомарном уровне, появившихся в результате сближения контактных поверхностей за счет локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых материалов». Опыт применения диффузионной сварки при изготовлении различных узлов из широкого круга материалов показал большие преимущества этого способа перед пайкой и механическим креплением. Такие отличительные особенности диффузионной сварки, как обычно небольшие скорости нагрева и охлаждения, отсутствие фазовых превращений типа «твердое тело – жидкость», диффузионный отжиг, способствуют получению наиболее низкой энергии и наиболее близкого к равновесному состояния в зоне соединения материалов, а значит и получению наиболее термодинамически стабильного неразъемного соединения по сравнению с известными способами сварки и пайки. Эти и другие преимущества данного способа сварки выдвигают его в число наиболее перспективных методов соединения материалов. Широкое применение диффузионная сварка получила в инструментальном производстве, в частности штамповом, при соединении твердых сплавов со сталями [Ошибка! Источник ссылки не найден.], а также в электроэнергетике при получении узлов с низким электрическим сопротивлением и соединении тугоплавких материалов [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Однако, как и всем существующим способам соединения, диффузионной сварке присущи и некоторые недостатки, среди которых можно выделить необходимость применения дорогостоящего специального оборудования, что становится трудно преодолимым препятствием для внедрения в производство диффузионной сварки. Но данное препятствие можно обойти за счет применения диффузионной сварки с термическими системами давления (ТСД).

Диффузионная сварка с ТСД [Ошибка! Источник ссылки не найден.] имеет свою специфику проектирования термокомпрессионного устройства и разработки технологических режимов. Созданная методика позволяет как облегчить процесс разработки технологии, так и выявить ошибки последней и дать рекомендации по их устранению при получении низкокачественных соединений, что и рассматривается в данной статье.

Металлографические исследования (рис. 1) показали, что в случае соединения при помощи ТСД с предварительным зажимом в использовавшемся термокомпрессионном устройстве твердого сплава ВК8 и стали 9ХС при температуре 900 ⁰С с охлаждением без промежуточных отжигов никелевая прослойка имеет трещины по границам зерен и расслоения, по границе между никелем и сталью наблюдаются расслоения и множественные пустоты.

Рис. 1. Микроструктура зоны соединения через прослойку никеля Н2
твердого сплава ВК8 и стали 9ХС

Появление дефектов в зоне соединения никеля и стали обусловлено недостаточным развитием физического контакта и последующих диффузионных процессов. Дефекты в сердцевине никелевой прослойки возникли в результате превышения допустимой скорости охлаждения соединенных стали и твердого сплава, имеющих большое различие величин ТКЛР, из-за чего возникающие в никеле напряжения не успевали релаксировать.

В результате структурного анализа диффузионного соединения меди М0б с композиционным материалом ХД50В‑МП, полученного по существовавшей технологии, установлено (рис. 2):

– в меди имеет место разбросанная пористость (с размером пор 3 ÷ 8 мкм), характерная для литой структуры;

– водородная болезнь в меди не наблюдается;

– структура меди крупнозернистая с оторочкой мелкого зерна (с размером последних ~50 мкм), возникшей в результате высокотемпературной рекристаллизации наклепанной при низких температурах контактной поверхности;

– размер зерен медной составляющей в псевдосплаве ~10 мкм;

– место соединения обнаруживается после травления по различию в структуре, при этом на отдельных участках имеет место образование совместных зерен, но определить их качество невозможно, так как разрешающая способность использованного микроскопа не позволяет выявить мелкие поры и непровары (величиной ~10^‑6 м и менее).

Рис. 2. Микроструктура зоны соединения
меди М0б (вверху) и псевдосплава ХД50В‑МП (внизу), ×150·(0,5)

В результате измерений микротвердости сварных образцов из твердого сплава ВК8 и стали 9ХС с никелевой прослойкой (рис. 3) установлено:

– микротвердость стали как в сердцевине, так и вблизи никелевой прослойки находится в пределах 200÷290 кг/мм²;

– микротвердость твердого сплава в сердцевине составляет 690÷970 кг/мм², а на границе с никелем местами наблюдается ее снижение (до 520 кг/мм²);

– микротвердость в сердцевине никелевой прослойки составляет 130÷140 кг/мм², а на границе с твердым сплавом имеет разброс от 190÷400 кг/мм² (вблизи расслоений в никеле) до 1030 кг/мм²;

– микротвердость в сердцевине никелевой прослойки после испытания образца на сжатие повысилась до 170÷190 кг/мм².

Рис. 3. Микротвердость в зоне соединения через прослойку никеля Н2 твердого сплава ВК8 и стали 9ХС

Измерения микротвердости у образцов, полученных соединением меди М0б с композиционным материалом ХД50В‑МП по использовавшейся технологии, показали возрастание микротвердости меди от 83÷95 кг/мм² на расстоянии 80÷300 мкм от места соединения до 100÷120 кг/мм² в зоне соединения.

Обнаруженное у всех исследованных образцов упрочнение приконтактных объемов произошло в результате смятия неровностей поверхностного рельефа при значениях температуры, недостаточных для достижения необходимой скорости разупрочнения последних.

Образцы биметаллических контактных наконечников дугогасительных камер вакуумных выключателей, изготовленные по применявшейся технологии, в большинстве случаев расслаивались по месту соединения при дальнейшей механообработке.

Таким образом, экспериментальные исследования показали низкое для диффузионной сварки с ТСД качество соединений, полученных по применявшимся технологиям.

В результате анализа при помощи разработанной методики имевшейся технологии соединения с помощью ТСД элементов комбинированных контактных наконечников дугогасительных камер вакуумных выключателей установлено, что используемое термокомпрессионное устройство не может обеспечить требуемый режим сварки (рис. 4) из-за высокого значения ТКЛР материала стягивающих стоек и низкого сопротивления деформированию материалов деталей устройства (рис. 5) при необходимом уровне термомеханического нагружения.

При применении разработанных технологических параметров и термокомпрессионного устройства для соединения элементов контактов вакуумных выключателей расслоений сварных образцов при последующей механообработке не наблюдалось.

В результате ультразвуковой дефектоскопии промышленных образцов из сваренных по разработанной технологии твердого сплава марки ВК20‑КС и стали 4Х5МФС через прослойку никеля Н2 толщиной 0,1 мм дефекты в зоне соединения и в твердом сплаве выявлены не были.

Рис. 4. Результаты расчета технологических параметров:
1 – приведенное удельное усилие сжатия соединяемых материалов в зависимости от приведенной температуры его приложения;
2 – нижняя граница технологической области диффузионной сварки данных материалов

Рис. 5. а) интенсивность деформаций деталей термокомпрессионного устройства в зависимости от времени процесса сварки: 1 – обратимая составляющая; 2 – необратимая составляющая
б) ТКЛР материала стягивающих стоек термокомпрессионного устройства в зависимости от значения температуры: 1 – истинный; 2 – средний

Литература

1. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1976. – 312с.

2. Муха И.М., Любимов В.Е. Технология изготовления твердосплавных деталей и инструмента – К.: Техника, 1980. – 191с.

3. Сысоев А.П., Сергеев А.В., Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка меднохромового псевдосплава с медью. // Порошковая металлургия. – 1984. – №10. – с. 45-47.

4. Особенности технологического процесса диффузионной сварки с термическими системами давления – материалы науч-техн. конференции „Электронные приборы и устройства нового поколения” – 2002. – с. 17-19.