Принципы легирования сплавов для электродов машин контактной сварки

Условия работы электродов контактных сварочных машин определяют требования, предъявляемые к их материалам. Электроды в сварочных машинах являются токоподводящими деталями и поэтому должны изготавливаться из материалов с высокой электропроводностью. Вместе с тем к электродам предъявляются требования обеспечения и достаточной прочности, особенно при повышенных температурах. Однако достаточные прочностные свойства в сочетании с высокой электропроводностью обеспечивает далеко не каждый материал.

Основу современных сплавов для электродов контактных машин составляет медь. Но медь, имея высокую электропроводность, обладает недостаточной прочностью уже при температуре 150…200° С. Это делает нецелесообразным применение чистой меди для электродов.

Характер и процесс деформирования металла при комнатной и высоких температурах существенно отличаются друг от друга. При нормальных и умеренно повышенных температурах пластическая деформация обычно происходит путем сдвига, и поэтому все искажения кристаллической решетки, особенно по границам зерен и блоков, препятствуют сдвигам и способствуют упрочнению сплавов.

При пониженных температурах искажение строения кристаллической решетки и особенно по границам зерен ведет к упрочнению сплавов, при высоких же температурах границы зерен, блоков и кристаллов часто являются очагами разупрочнения сплавов. В межкристаллитных зонах потенциальная энергия атомов больше, чем в самой решетке, и именно здесь при высоких температурах усиленно начинают развиваться диффузионные процессы разупрочнения, и разрушение металла происходит по границам зерен. При высоких температурах так называемые диффузионные механизмы пластичности приобретают решающее значение, и в этом случае наряду со структурными особенностями сплава большую роль начинает играть прочность межатомных связей в кристаллических решетках отдельных фаз сплава.

Способом повышения твердости и прочности медных сплавов могут служить: холодная деформация, легирование элементами, дающими с основным металлом твердый раствор, упрочнение сплава при старении за счет выделения из пересыщенного твердого раствора мелкодисперсной фазы, а также введение в сплав элементов, образующих по границам зерен тугоплавкие включения в виде сетчатого или скелетообразного каркаса.

Упрочнение путем холодной деформации и легирования металла элементами, входящими в твердый раствор, связано с искажениями кристаллической решетки основного металла и повышением сопротивления сдвигам при пластической деформации. Термомеханическая обработка упрочняет сплав за счет гетерогенизации структуры и выделения избыточных дисперсных фаз. Введение в сплав элементов, образующих по границам зерен сетку твердых включений, затрудняет течение металла по границам зерен и существенно повышает жаропрочность сплавов.

При невысоких температурах эксплуатации (до 0,3…0,4 абсолютной температуры плавления сплава) действуют все перечисленные факторы упрочнения. При температурах порядка  в сплавах начинают развиваться диффузионные процессы, и действие механического упрочнения (холодная деформация — наклеп) почти исчезает. Упрочнение от образования твердого раствора также заметно ослабевает при повышении температуры, хотя и медленнее, чем механическое упрочнение. Особенно резко упрочнение от образования твердого раствора уменьшается при нагреве до температуры порядка .

Для получения жаропрочных сплавов наиболее перспективным является легирование основного металла элементами, обладающими переменной и весьма ограниченной растворимостью в нем, уменьшающейся при понижении температуры. При отпуске из пересыщенного твердого раствора, полученного в результате закалки легированного такими элементами металла, выделяется в мелкодисперсном состоянии избыточная фаза, упрочняющая сплав. Максимальной жаропрочностью обладают сплавы, где упрочнение вызывается наличием на границах зерен твердых включений второй фазы, в которой не развиваются диффузионные процессы и не идут процессы обмена атомами с основным металлом. Эти условия достигаются, если избыточной фазой является химическое соединение и особенно в трех-, четырехкомпонентных системах, когда второй фазой будет тугоплавкое сложное соединение, не содержащее металла растворителя.

Наиболее благоприятной формой выделения второй фазы для повышения жаропрочности при высоких температурах является сетчатый или скелетообразный характер ее расположения по границам зерен. Такие фазы обычно выделяются при кристаллизации у литых сплавов, и поэтому эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Сетчатый характер выделений в литых сплавах уничтожается при деформации сплава; при этом образуются изолированные включения, которые даже облегчают течение основного металла. Литые материалы обладают способностью сохранять свою прочность при нагреве и особенно при длительной нагрузке. Однако литые сплавы с гетерогенной структурой при низких температурах имеют пониженные значения прочности и пластичности, поэтому их применение для электродов ограничивается.

Как уже было ранее отмечено, особенностью условий работы электродов является циклический характер воздействия на них температур и усилий. В металле на рабочем торце электродов проходят процессы ползучести, термической и малоцикловой усталости, которые приводят к ускоренному износу контактной поверхности, образованию внутризеренных и главным образом межзеренных трещин. Естественно, что эти процессы, в свою очередь, приводят к некоторому уточнению и дополнению требований, предъявляемых к материалам электродов.

Исследования поведения металла электродов при сварке и выполненные расчеты показывают, что при высоких температурах —  — доминирующим процессом, определяющим износ торцов электродов при сварке, является ползучесть, причем деформация от ползучести составляет до 80% общей деформации контактной поверхности электродов.

Между ползучестью и некоторыми физико-механическими свойствами чистых металлов имеется качественная связь. Установлена, например, зависимость жаропрочности металла от таких свойств, как температура плавления, начала и конца рекристаллизации, модуля упругости, коэффициента линейного расширения, энергии активации самодиффузии и др. Чем выше перечисленные свойства (за исключением коэффициента линейного расширения, здесь обратная зависимость), тем обычно прочнее межатомные силы связи в решетке и тем выше жаропрочность металла.

Многие исследователи указывают на влияние величины зерна на сопротивление ползучести различных металлов и сплавов. Это связывается в первую очередь с ролью границ зерен, которые при низких температурах представляют препятствия для пластической деформации, а при высоких, наоборот, способствуют деформации и разупрочнению металла пограничных зон. Поэтому при повышенных температурах более высокое сопротивление ползучести имеют материалы с крупным зерном, а при низких температурах — мелкозернистые.

При циклических нагревах в связи с резким перепадом температур создается неравномерное распределение напряжений по сечению электрода, которое при малопластичном материале может привести к образованию трещин. Перепад температур увеличивается интенсивным охлаждением электродов проточной водой. Чем менее теплопроводен материал, тем естественно больше перепад температур и вероятнее образование трещин на контактной поверхности. Исследования показали, что сопротивление термической усталости выше у более пластичных металлов, даже при их пониженных прочностных характеристиках. На крупнозернистом металле наблюдается более раннее появление трещин, свидетельствующее о его пониженном сопротивлении пластическим деформациям при высоких температурах.

В условиях малоцикловой усталости механизм разрушения несколько отличается от усталостного разрушения для больших долговечностей: разрушения при малых циклах нагрузки сходны с разрушениями статического разрушения и отличаются от типичных усталостных разрушений. Было найдено, что для долговечностей менее 5000 циклов сопротивление переменной деформации хорошо соответствует пластичности металла, характеризуемой удлинением при испытаниях на статическое, растяжение. Эта закономерность применима для меди и других пластичных металлов. У меди в области малоцикловой усталости трещины зарождаются по границам зерен; наличие включений усиливает тенденцию к межзеренному зарождению трещин.

В условиях быстрого нагрева и нагружения материал может выдержать за одинаковый промежуток времени более высокое максимальное напряжение или достигнуть без разрушения более высокой максимальной температуры, чем образец, находящийся под действием стационарной нагрузки и постоянной температуры. При быстрых нагревах и нагружениях большее значение, по-видимому, имеют инерционные эффекты механического или металлургического происхождения.

На процесс пластической деформации при ползучести большое влияние оказывают возврат и рекристаллизация. Рекристаллизация ускоряет ползучесть вследствие уменьшения внутренних напряжений. При циклическом нагружении процессы рекристаллизации еще более ускоряются.

В связи с этим одним из факторов, определяющих стойкость материалов для электродов, является температура их рекристаллизации и поэтому введение в сплавы легирующих добавок, повышающих эту температуру, оказывает весьма благоприятное влияние. Так, например, установлено, что добавка 0,1…0,2% серебра повышает температуру рекристаллизации меди на 100…150° С при снижении электропроводности всего лишь на 1 %. Поэтому серебро добавляется в медь, когда от материала требуется высокое сопротивление разупрочнению при повышенных температурах в сочетании с высокой электропроводностью.

Простейшим способом повышения сопротивления ползучести поликристаллических материалов является введение в основу растворимых добавок. Добавление растворимых элементов в матрицу может увеличить стабильность выделившихся частиц, затрудняя их растворение и замедляя диффузию элементов, содержащихся в матрице. Растворимые примеси могут адсорбироваться преимущественно по границам зерен и снижать энергию межзеренных границ, увеличивая склонность к межзеренному разрушению. Однофазные сплавы обычно не обладают достаточной прочностью при сложных условиях работы, и высокая прочность в большинстве случаев обеспечивается применением многофазных систем, содержащих хотя бы вторую фазу, выделившуюся во время старения.

На сопротивление ползучести сильно влияет размер выделившихся частиц, их распределение, степень когерентности и объемная доля второй фазы. При повышенных температурах влияние дисперсной фазы связано также со стабильностью ее размеров и состава. Для получения оптимальной структуры, обеспечивающей высокое сопротивление ползучести, необходимо подобрать сочетание состава частиц дисперсной фазы и матрицы таким образом, чтобы соблюдались не только оптимальные размеры и распределение частиц, но и максимальная степень стабильности структуры.

Относительно крупные округленные частицы нерастворенного при закалке или скоагулированного при высоких температурах упрочнителя, расположенные на границах зерен, по-видимому, могут явиться очагами зарождения межзеренных трещин (рис. 1). Более интенсивное выделение второй фазы в областях, претерпевших значительную деформацию, вызывает у дисперсионно твердеющих сплавов появление хрупкости и преждевременное разрушение.

Рис. 1. Электронномикроскопическая структура сплава Бр.НБТ после закалки и старения. × 11000

В литературе, особенно зарубежной, отмечается, что малые добавки легирующих элементов оказывают благоприятное влияние на свойства сплавов. А. Келли и Р. Никлсон, например, рассматривают влияние на свойства бинарных сплавов очень малых добавок этих элементов (0,01…0,1%). На основе работ Харди с сотрудниками, исследовавших влияние малых добавок на свойства алюминиевых сплавов, результаты которых авторы считают возможным применять и для других сплавов, делаются выводы о зависимости числа мелкодисперсных выделений от присутствия малых добавок. Они считают, что влияние малых количеств примесей может сильно понизить скорость диффузии растворенного элемента и способствовать зарождению выделений промежуточных типов. На алюминиевых сплавах было показано, что при введении малых добавок можно получить заметное улучшение прочностных и пластических характеристик металла. Поскольку частицы выделяющихся фаз становятся более дисперсными, свободные от выделений области, расположенные у границ зерен, исчезают. Эти же выводы справедливы и для медных сплавов.

Проводившиеся исследования показали, что на сопротивление ползучести благоприятное влияние оказывают малые добавки легирующих элементов, которые повышают температуру рекристаллизации и механические свойства сплавов. Они увеличивают стабильность выделившихся частиц, затрудняя их растворение и замедляя прохождение диффузионных процессов. Было отмечено, что первые малые добавки оказывают значительно большее воздействие на уменьшение скорости диффузии, чем последующие, а комбинации нескольких легирующих элементов повышают воздействие каждого из них.

Таким образом, учитывая все вышеизложенное, можно сформулировать принципы выбора материалов электродов для точечных и шовных контактных машин.

1. В соответствии с ранее установленными положениями и имеющимися стандартами в зависимости от материала свариваемых изделий сплавы для электродов должны обладать определенными соотношениями электропроводности и твердости.

2. Повышенной электропроводностью, как правило, обладают медные сплавы, упрочняемые холодной деформацией и содержащие небольшое (до 1%) количество таких легирующих элементов, как серебро, кадмий, в незначительной степени снижающих электропроводность меди.

3. Высокую жаропрочность имеют медные сплавы, в которых избыточная фаза тугоплавка, имеет сложный состав и строение кристаллической решетки, не содержит металла-растворителя.

4. При сварке жаропрочных материалов или на режимах, сопровождающихся большим тепловыделением, желательно иметь материалы с более крупным зерном, так как при высоких температурах более стойким против ползучести будет крупнозернистый материал с повышенной жаропрочностью. При более низких температурах, наоборот, более стойкими окажутся материалы с мелким зерном.

5. Температура рекристаллизации сплавов служит одним из показателей стойкости электродов. Чем выше температура рекристаллизации, тем при прочих равных условиях будет выше и стойкость электродов при сварке.

6. В связи с образованием при циклических нагревах внутризеренных и главным образом межзеренных трещин для электродов следует по возможности выбирать металл с высокой пластичностью при повышенных температурах, как лучше сопротивляющийся термической усталости.

7. Установлено, что повышению жаропрочности и сопротивлению ползучести способствует введение в металл малых легирующих добавок различных элементов.

8. Наибольший эффект на упрочнение сплавов оказывает введение легирующих элементов, имеющих малую и переменную растворимость в основе, причем влияние легирующих элементов на свойства сплава увеличивается при комплексном легировании.