Способ диффузионной сварки деталей из металлов и сплавов

Изобретение относится к диффузионной сварке деталей из металлов и сплавов под давлением и нагреве через промежуточный слой. На одну из свариваемых сторон поверхностей детали наносят промежуточный слой в виде покрытия металла, сродственного по крайней мере с одним из элементов материала подложки. Слой наносят толщиной, соответствующей количеству металла, способного в процессе сварки полностью продиффундировать в материал подложки с образованием монолита. Затем конструкцию собирают, нагревают и осуществляют диффузионную сварку при температуре 0,9-0,95 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффундирующих металлов. В процессе сварки на конструкцию оказывают давление, способствующее протеканию диффузионных процессов в сварном соединении. Детали могут быть выполнены из хромоникелевой нержавеющей стали. Одна из свариваемых поверхностей может быть выполнена с проточками. Выполненный из меди промежуточный слой можно наносить на свариваемую поверхность через слой никеля одинаковой с ним толщины. Слои меди и никеля можно наносить толщиной 1-2 мкм каждый. Способ позволяет исключить деформацию свариваемых поверхностей и усадку сварного соединения. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к диффузионной сварке деталей из металлов и сплавов под давлением и нагреве через промежуточный слой, например деталей, одна из которых выполнена с проточками или каналами на свариваемой поверхности, и может быть использовано в авиационной, ракетной и других областях техники.

Диффузионная сварка используется в тех случаях, когда требуется соединить детали из металлов и сплавов без расплавления свариваемых поверхностей при относительно высоких температурах за счет взаимной диффузии их компонентов. Как правило, ее осуществляют с использованием промежуточных прослоек между свариваемыми поверхностями для защиты сварных соединений от окисления и улучшения их плотности и прочности.

Например, в патенте РФ №1278162 описан способ диффузионной сварки деталей из сталей Ст.45 и ЭП682. Перед сборкой деталей на их свариваемые поверхности наносят в качестве промежуточной прослойки слой поверхностно-активного вещества, например, эпоксидной смолы, собранную конструкцию нагружают под давлением 2 кг/мм², затем нагревают до температуры 0,8 температуры плавления стали под нагрузкой 1,5 кг/мм². Наличие эпоксидной смолы позволяет защитить сварное соединение от окисления.

Однако использование в качестве промежуточной прослойки указанного вещества не позволяет получить соединение высокой плотности и прочности, что может при эксплуатации явиться причиной разрушения конструкции.

Известен способ диффузионной сварки деталей, одна из которых выполнена из нержавеющей стали, под давлением и нагреве, включающий размещение между свариваемыми поверхностями промежуточного слоя металла, например, меди в виде фольги, порошка или покрытия, расположение собранной конструкции в печи, диффузионную сварку при температуре 0,7-0,8 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффузионных металлов, при этом на конструкцию оказывают давление, обеспечивающее получение качественного сварного соединения за счет взаимной диффузии сродственных друг с другом металлов промежуточного слоя и материала подложки, а именно меди и никеля, находящегося в нержавеющей стали (см. автор. свид. СССР №833393).

Использование известного способа позволило получить сварное соединение достаточно плотным и прочным.

Известный способ для получения качественного сварного соединения требует нанесение промежуточного слоя относительно большой толщины (более 20 мкм) и относительно высокого давления при достаточно высокой температуре. При таких условиях сварки, как правило, происходит деформация сварного соединения, вызывающая его усадку. Однако подобные условия неприемлемы при диффузионной сварке деталей, в которых усадка сварного соединения может исказить его геометрию. Например, при сварке деталей, по крайней мере одна из которых выполнена с кольцевыми проточками или каналами на свариваемой поверхности, при значительном давлении будет наблюдаться залипание их металлом промежуточного слоя за счет деформации поверхности, что может привести к изменению проходного сечения сварной конструкции. В ряде случаев усадка сварного соединения нежелательна и при сварке деталей с гладким рельефом их свариваемых поверхностей.

Задача изобретения - создание технологии диффузионной сварки деталей из металлов и сплавов через промежуточный слой, обеспечивающей изготовление конструкций без усадки сварного соединения.

Задача решена за счет того, что на одну из свариваемых поверхностей наносят промежуточный слой в виде покрытия из металла, сродственного по крайней мере с одним из элементов материала подложки, толщиной, соответствующей количеству металла, способного в процессе сварки полностью продиффундировать в материал подложки с образованием монолита; после сборки конструкции производят нагрев и диффузионную сварку с приложением к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов в сварном соединении; сварку проводят при температуре 0,9-0,95 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффундирующих материалов.

Технический результат - исключение деформации свариваемых поверхностей и усадки сварного соединения.

Предложенный способ применим для диффузионной сварки деталей, выполненных из различных металлов и сплавов с различной конфигурацией их свариваемых поверхностей, когда требуется получить сварные соединения без их деформации и усадки.

Ниже приведен пример использования предложенного способа.

Необходимо провести диффузионную сварку дисков, выполненных из нержавеющей стали марки Х18Н10Т, один из которых имеет кольцевые проточки на свариваемой поверхности, ширина и глубина которых составляет 0,5 мм. Конструкция таких дисков используется, например, в центробежном смесителе, описанном в патенте России №2033853. Обе свариваемые поверхности дисков подвергают травлению для удаления всякого рода загрязнений. В качестве металла промежуточного слоя использовали медь, поскольку она является металлом, сродственным с никелем, находящимся в нержавеющей стали. Вместо меди могут быть использованы другие сродственные с никелем металлы, например палладий или марганец. Однако медь имеет перед ними преимущество, поскольку, будучи достаточно мягким металлом, способствует в процессе сварки сглаживанию поверхности диска с проточками, что увеличивает диффузионную подвижность металлов и повышает плотность и прочность сварного соединения. Медный слой наносили на подложку, т.е. на поверхность диска, не имеющего проточки, через слой никеля, который используется для улучшения сцепления меди со свариваемой поверхностью диска. Слои никеля и меди наносили гальваническим методом толщиной не более 2 мкм каждый. Идентичность толщин слоев покрытия целесообразна для обеспечения наиболее оптимального процесса диффузии металлов никеля и меди. Указанная толщина покрытия соответствует такому количеству металла, которое способно в процессе сварки продиффундировать в нержавеющую сталь без образования металлической прослойки на границе раздела дисков.

После нанесения покрытия и сборки конструкции ее поместили в вакуумную печь и провели диффузионную сварку при разрежении 1·10^-14 мм рт.ст. и температуре 0,9-0,95 температуры плавления меди, т.е. при 1050±10°С.

В процессе сварки на конструкцию оказывали давление, обеспечивающее плотное прилегание дисков друг к другу, но не достигая такой величины, при которой могла бы произойти деформация их свариваемых поверхностей. Выбор температуры сварки, близкой к температуре плавления меди, обусловлен необходимостью применения относительно низкого давления сжатия дисков, чтобы не вызвать деформацию поверхностей и залипания проточек. В процессе сжатия при сварке дисков происходит диффузия между медью и никелем и избирательная диффузия никеля из нержавеющей стали в покрытие, приводящее к диффузионному сращиванию металлов с образованием сварного соединения в виде монолита.

При испытании сварной конструкции дисков не было отмечено изменения проходного сечения проточек, что указывает на отсутствие их залипания и деформации сварного соединения.

Указанная выше технология была использована для диффузионной сварки дисков из нержавеющей стали с гладкой поверхностью обеих свариваемых поверхностей диаметром до 6 мм. Металлографический анализ показал на отсутствие металлической прослойки промежуточного слоя в сварном соединении.

1. Способ диффузионной сварки деталей из металлов и сплавов, включающий нанесение на одну из свариваемых поверхностей детали промежуточного слоя в виде покрытия металла, сродственного по крайней мере с одним из элементов материала подложки, сборку конструкции, нагрев и диффузионную сварку с приложением к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов в сварном соединении, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят толщиной, соответствующей количеству металла, способного в процессе сварки полностью продиффундировать в материал подложки с образованием монолита, а сварку проводят при температуре 0,9-0,95 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффундирующих металлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что детали выполнены из хромоникелевой нержавеющей стали.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что одна из свариваемых поверхностей выполнена с проточками.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что промежуточный слой выполняют путем нанесения слоя меди через слой никеля одинаковой с ним толщины.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что слои меди и никеля наносят толщиной 1-2 мкм каждый.