Wstęp
Aby zaoszczędzić drogi nikiel, przy produkcji sprzętu chemicznego i naftowego, często spawa się stal z niklem i stopami.
Główne problemy spawania
Podczas spawania głównymi składnikami spoiny są żelazo i nikiel, które są zdolne do nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności i nie tworzą związków międzymetalicznych. Zawartość niklu w spoinie jest zazwyczaj stosunkowo wysoka, dlatego w strefie przetopu spoiny nie tworzy się warstwa dyfuzyjna. Głównym problemem związanym ze spawaniem jest tendencja do powstawania porowatości i pęknięć na gorąco w spoinie.
1. Porowatość
Podczas spawania stali i niklu oraz jego stopów głównymi czynnikami wpływającymi na powstawanie porowatości spoiny są tlen, nikiel i inne pierwiastki stopowe.
① Wpływ tlenu. Podczas spawania ciekły metal może rozpuścić więcej tlenu, a tlen w wysokich temperaturach i utlenianie niklu powodują powstawanie NiO. NiO może reagować z wodorem i węglem w ciekłym metalu, wytwarzając parę wodną i tlenek węgla. W procesie krzepnięcia jeziorka stopowego, tlenek węgla może się przedostać do spoiny, co prowadzi do powstawania porowatości. W przypadku spawania łukiem krytym czystego niklu i Q235-A, zawartość azotu i wodoru nie zmienia się znacząco – im wyższa zawartość tlenu w spoinie, tym większa liczba porów.
② Wpływ niklu. W spoinie żelazowo-niklowej rozpuszczalność tlenu w żelazie i niklu jest różna. Rozpuszczalność tlenu w ciekłym niklu jest większa niż w ciekłym żelazie, natomiast rozpuszczalność tlenu w stałym niklu jest mniejsza niż w stałym żelazie. W związku z tym rozpuszczalność tlenu w krystalizacji niklu w procesie nagłej zmiany jest wyraźniejsza niż w krystalizacji żelaza w procesie nagłej zmiany. W związku z tym, tendencja do porowatości spoiny przy zawartości Ni wynoszącej 15%–30% jest niewielka, a przy dużej zawartości Ni, tendencja do porowatości wzrasta do 60%–90%, a ilość rozpuszczonej stali musi się zmniejszyć, co powoduje, że tendencja do tworzenia się porowatości staje się większa.
③ Wpływ innych pierwiastków stopowych. Zawartość manganu, chromu, molibdenu, aluminium, tytanu i innych pierwiastków stopowych, w połączeniu z dodatkami stopowymi, może poprawić odporność spoiny na porosty. Dzieje się tak, ponieważ mangan, tytan i aluminium itp. pełnią rolę odtleniającą, a chrom i molibden poprawiają rozpuszczalność spoiny w metalu stałym. Zatem spoina ze stali nierdzewnej niklowej i 1Cr18Ni9Ti charakteryzuje się lepszą odpornością na porosty niż spoina ze stali niklowej i Q235-A. Aluminium i tytan mogą również wiązać azot w stabilnych związkach, co również poprawia odporność spoiny na porosty.
2. Pękanie termiczne
W przypadku stali, niklu i jego stopów w spoinie, główną przyczyną pęknięć termicznych jest wysoka zawartość niklu w spoinie, z dendrytyczną strukturą, która na krawędziach grubych ziaren skupia się w szeregu niskotopliwych kokryształów, osłabiając w ten sposób połączenie między ziarnami i zmniejszając odporność spoiny na pękanie. Ponadto, zawartość niklu w spoinie jest zbyt wysoka, aby spoina mogła powodować pękanie termiczne. Ma to znaczący wpływ na spoinę żelazowo-niklową, a tlen, siarka, fosfor i inne zanieczyszczenia wpływają na tendencję spoiny do pękania termicznego.
W przypadku stosowania topnika beztlenowego, ze względu na obniżenie jakości tlenu, siarki, fosforu i innych szkodliwych zanieczyszczeń w spoinie, a zwłaszcza spadek zawartości tlenu, znacznie zmniejsza się ryzyko pęknięć. Ponieważ krystalizacja stopionego jeziorka, tlen i nikiel mogą tworzyć eutektykę Ni+NiO, której temperatura eutektyczna wynosi 1438°C, tlen może również nasilać szkodliwe działanie siarki. Zatem wysoka zawartość tlenu w spoinie zwiększa ryzyko pęknięć termicznych.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb i inne pierwiastki stopowe mogą poprawić odporność na pękanie metalu spoiny. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb są czynnikami metamorficznymi, mogą udoskonalić organizację spoiny i zakłócić kierunek jej krystalizacji. Al, Ti jest również silnym czynnikiem odtleniającym, może zmniejszyć ilość tlenu w spoinie. Mn może tworzyć związki ogniotrwałe z S, MnS, co zmniejsza szkodliwe działanie siarki.
Właściwości mechaniczne złączy spawanych
Właściwości mechaniczne złączy spawanych żelazo-nikiel zależą od materiału spoiwa i parametrów spawania. Podczas spawania czystego niklu ze stalą niskowęglową, gdy ekwiwalent Ni w spoinie jest mniejszy niż 30%, w wyniku szybkiego chłodzenia spoiny powstaje struktura martenzytyczna, powodując gwałtowny spadek plastyczności i wytrzymałości złącza. Dlatego, aby uzyskać lepszą plastyczność i wytrzymałość złącza, ekwiwalent Ni w spoinie żelazo-nikiel powinien być większy niż 30%.
Czas publikacji: 10 marca 2025 r.