Сварка никеля

Сварка никеля

Министерство образования Российской федерации

Департамент образования и науки Пермской области

Профессиональное училище №52

Письменная дипломная работа

на тему: “Сварка никеля”

      Выпускник: Березин В.А.

                                                                                                           Специальность:

      Электрогазосварщик

                                                      Группа №18

      Преподаватель по спецтехнологии

                                                      Трутнева О.М.

                                                      Работа допущена к

                                                      защите с оценкой:

г. Пермь

Введение

          Знакомство человека с никелем состоялось, по-видимому, задолго до н.э.. Древ­ние китайцы, например, ещё в III веке до н.э. выполняли сплав никеля с медью и цин­ком – “Пактонг”, который пользовался спросом во многих странах. Бактрийцы же из­готавливали из этого сплава монеты. Одна из таких монет, выпущенная в 235 году до н.э., хранится в Британском музее в Лондоне.

          Как элемент никель был открыт 1751 году шведским химиком Кронстедтом, ко­торый обнаружил его в минерале никелине. Но тогда этот минерал назывался иначе – купферникель (“Медный дьявол”). Дело в том, что ещё в средние века саксонские ру­докопы часто встречали минерал красноватого цвета. Из-за своей окраски камень был ошибочно принят ими за медную руду. Долго пытались металлурги выплавит из этой “медной руды” медь, но шансов на успех было едва ли больше, чем у алхимиков, на­деявшихся при помощи “философского камня” получить золото из мочи животных.

          Возможно, средневековым аспирантам удалось в дальнейшем научно обосновать эту смелую гипотезу. Во всяком случае, попыток получить из красноватого минерала медь больше уже не предпринимали. А чтобы и впредь никто не соблазнился этой пус­той затеей, минерал решено было назвать “медным дьяволом”.

          Кронстедт, вероятно, не был суеверным. Не убоявшись “дьявола”, он всё-таки сумел получить из купферникеля металл, но не медь, а какой-то новый элемент, кото­рый он и нарёк никелем.

          Прошло ещё полвека, и немецкому химику Рихтеру удалось выделить из руды относительно чистый никель – серебристо-белый металл, с едва уловимым коричне­вым оттенком, очень ковкий и тягучий. Но о производстве никеля в промышленных масштабах тогда ещё и не было речи.

          В 1865 году крупные месторождения никелевых руд были обнаружены в Новой Каледонии. Начальником горного департамента этой французской колонии незадолго до описываемых событий был назначен Жюль Гарнье, обладавший исключительной энергией и глубокими знаниями. Он тотчас развил бурную деятельность, надеясь найти на острове полезные ископаемые. Вскоре его поиски увенчались успехом: недра острова оказались богатыми никелем. В честь энергичного француза новокаледонский никель, содержащий минерал назвали Гарниеритом.

          Спустя почти два десятилетия в Канаде при прокладке Тихоокеанской железной дороги рабочие наткнулись на громадные залежи медно-никелиевых руд.

          Эти два открытия послужили мощным толчком к освоению промышленной до­бычи никеля. Приблизительно в те же годы было открыто и важное свойство этого элемента – улучшать качество стали. Правда, ещё в 1820 году знаменитый английский учёный Майкл Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель, но тогда они не смогли заинтересовать металлургов.

          В конце прошлого века Обуховский завод (в Петербурге) получил ответственное задание военно-морского ведомства – освоить производство высококачественной ко­рабельной брони.

          Созданием новой отечественной брони занялся замечательный русский метал­лург и металловед А.А. Ржемотарский. Напряжённая работа вскоре была успешно за­вершена. Обуховский завод начал выпускать отличную десятидюймовую броню из никелевой стали.

          В наши дни никелевую сталь используют в мирных целях. Из неё изготавливают хирургические инструменты, детали химической аппаратуры, предметы домашнего обихода.

          Не менее важное “занятие” никеля – создание разнообразных сплавов с другими металлами. Ещё в начале XIX века металлургов и химиков охватила “эпидемия” поис­ков нового сплава, способного полностью заменить серебро для изготовления посуды и столовых приборов. В роли “вируса” выступала солидная премия, обещанная тому счастливчику, который сможет создать такой сплав. Вот тогда-то и вспомнили о древ­нем китайском сплаве. Почти одновременно различным учёным, взявшим за основу состав пактонга, удалось получить медно-никелевые сплавы, весьма сходные с сереб­ром.

          В 1926 году удалось создать медно-никелевый сплав, которому не была проти­вопоказана морская служба. Теперь моряки могли быть твёрдо уверены, что трубки не подведут их в трудную минуту.

          Сейчас число никелевых сплавов, находящих широкое применение в технике, в быту, в ювелирном деле, превысила 3000!

Из сплава на основе никеля (до 75 %) выполнены турбинные лопатки воздуш­ного лайнера “ТУ-104”.

Несколько лет назад учёные создали новый сплав – никоси, названный так по первым слогам входящих в него компонентов: 94% никеля, 4% кольбата и 2% кремния (“силиция”). Испытания показали, что никоси поможет создать мощные источники ультразвука.

Широкую известность никель приобрёл благодаря своей способности защищать металлы от окисления. Никелирование не только предохраняет изделия от коррозии, но и предаёт им красивый внешний вид. Весёлый блик кастрюль, кофейников и само­варов – всё это “проделки” никеля, тонким слоем которого покрыты многие предметы обихода.

Впервые попытку использовать этот металл в качестве покрытия предпринял в 1842 году немецкий учёный Бетгер. Однако ему не удалось добиться своей цели, так как никель, которым в то время располагала техника, содержал посторонние примеси, мешавшие гальваническим путём наносить покрытие. Тончайшая плёнка никеля на­дёжно охраняет сегодня железо, позволяя сберечь от коррозии огромные количества этого металла.

Работники пищевой промышленности знакомы с никелем по его соединению – карбонилу, который служит катализатором при производстве маргарина и майонеза.

В начале нашего века владелец Санкт-Петербургского свечного и стеаринового заводов некто Жуков начал варить мыло с применением какого-то вещества, секрет которого предприимчивый заводчик до конца своих дней хранил в строжайшей тайне. Только после его смерти выяснилось, что загадочным веществом был тетракарбонил никеля, при разложении которого выделяется высокодисперсный металлический ни­кель. Он-то и оказывает сильное каталитическое действие на процесс отвердения жи­ров. С этим катализатором нужно быть осторожным: он очень токсичен – в пять раз токсичнее угарного газа.

Из соединений никеля важное значение имеет также его окись, используемая для изготовления щелочных железоникелевых аккумуляторов.

В периодической системе никель расположен рядом с железом и кобальтом. Бу­дучи во многом сходными, эти элементы образуют так называемую триаду. Любо­пытно, что из 104 известных в настоящее время элементов при обычных условиях лишь члены железной природы обладают ферромагнитными свойствами. Эта “семей­ственность” доставляет много хлопот металлургам: отделить никель от кобальта – за­дача не из лёгких. Да и другая соседка никеля по таблице элементов – медь – тоже очень неохотно расстаётся с ним. В природе же и кобальт, и медь, как правило, сопут­ствуют никелю. Разделение этих элементов – сложный многостадийный процесс. Именно по этому никель считается одним из наиболее дорогих и дефицитных про­мышленных металлов.

В земной коре содержится 0,008% никеля. Не думайте, что это мало. Общее ко­личество никеля оценивается приблизительно в 10 тонн.

По разведанным запасам никеля наша страна занимает одно из первых мест в мире. Среди капиталистических стран ведущая роль в добыче никелевых руд принад­лежит Канаде.

В отличие от Земли, где никель встречается лишь “в компании” с другими эле­ментами, многие небесные тела располагают чистым никелем. Если бы вам удалось достать с неба звезду, вы возможно нашли бы на ней изотоп никеля – никель-80 (на Земле этот элемент существует в виде пяти более лёгких изотопов). Удельный вес земного никеля – 8,9 грамма на кубический сантиметр. На звёздах, где плотность ма­терии очень велика (например, на белых карликах), 1 кубический сантиметр никеля весит тонны!

В довольно больших количествах космический никель попадает и на нашу пла­нету. По подсчётам советских учёных, ежегодно на каждый квадратный километр ми­рового океана падает в виде метеоритов до 250 граммов никеля.

Технологическая часть

          При сварке никеля возникают следующие затруднения:

·        поглощение газов жидким металлом и резкое падение их растворимости при пере­ходе металла в твёрдое состояние, что приводит к пористости шва. Поэтому лучше применять правую сварку, дающую замедленное охлаждение металла шва, что уменьшает пористость;

·        образование тугоплавкой окиси никеля, имеющей температуру плавления 1650 - 1660°С. Удаление окисей осуществляется с помощью флюсов: плавленой буры; смеси из 25% буры и 75% борной кислоты; насыщенного раствора борной кислоты в спирте; смеси из 50% борной кислоты, 30% буры, 10% поваренной соли и 10% уг­лекислого бария. Применяют и более сложные флюсы, содержащие, кроме буру и борной кислоты, хлористые соединения магния, марганца и лития, а также хлори­стый кобальт, феррованадий и титановый концентрат.

Газовой сваркой никель сваривается удовлетворительно. Листы толщиной до 1,5 мм свариваются без присадочного металла, с отбортовкой кромок на высоту (1 + 1,5) S, где S – толщина металла, мм. Листы толщиной до 4 мм свариваются встык без скоса кромок. Для больших толщин делают односторонний скос под углом 35-45°. Сварку внахлёстку не применяют ввиду значительных деформаций при нагревании листов. Листы перед сваркой скрепляют прихватками через каждые 100-200 мм. Сварку ведут отдельными участками обратноступенчатым способом.

Пламя не должно иметь избытка кислорода, который вызывает появление пор, а наплавленный металл получается хрупким. Допустимо применять пламя с небольшим избытком ацетилена. При сварке никеля мощность пламени берут 140-200 дм/ч аце­тилена, а при сварке монельметалла* - 100 дм/ч на 1 мм толщины металла. В качестве присадки применяют полоску из основного металла или проволоку такого же состава. Диаметр проволоки должен быть равен половине толщины свариваемого листа. Хо­рошие результаты даёт никелевая проволока, содержащая до 2% марганца и не более 0,2% кремния. Предел прочности сварного соединения 26-28 кгс/мм, угол загиба до 90°.

Сварка нихрома (75-80% никель, 15-18% хрома, до 1,2-1,4% марганца), имею­щего температуру плавления 1390°С и малую теплопроводность, затрудняется образо­ванием тугоплавкой плёнки окиси хрома, которую удаляют механическим путём. Сварку следует вести с максимальной скоростью и без перерывов. Повторная и много­слойная сварка вызывает трещины, рост зерна и межкристаллитную коррозию металла шва.

Пламя должно иметь некоторый избыток ацетилена. Мощность пламени 50-70 дм/ч ацетилена на 1 мм толщины металла. Применяют флюс-пасту состава (%): буры 40; борной кислоты 50; хлористого натрия или фтористого калия 10; флюс разводят на воде. В качестве присадочного прутка применяют полоску из свариваемого металла шириной 3-4 мм или проволоку из нихрома ЭХН-80. После отжига сварное соедине­ние имеет предел прочности 35-45 кгс/мм.

Никель относится к переходным d-металлам, расположен в восьмой группе пе­риодической системы элементов Д.И. Менделеева и является одним из важных про­мышленных металлов. Чистый никель имеет высокую прочность и пластичность. Вы­сокие пластические свойства никель сохраняет при низких температурах. При 20 К предел прочности никеля достигает 774 МПа, а относительное удлинение – 48%. Ни­кель обладает высокой химической стойкостью. По сопротивляемости коррозии он превосходит медь и латунь, устойчив против коррозии в морской воде, в нейтральных и щелочных растворах солей, серной, азотной, соляной и угольной кислот. Достаточно стоек в разбавленных органических кислотах и исключительно стоек в щелочах любой концентрации. Температура плавления никеля 1 728 К, плотность 870 – 890 кг/м, ко­эффициент линейного расширения 13,3 * 10К.

Никель широко применяется в химической промышленности для изготовления аппаратуры, в электронной промышленности для изготовления деталей электроваку­умных приборов и внутриламповой арматуры (анодов, сеток, кернов оксидных като­дов), а так же в других отраслях промышленности. Сложнолегированные никелевые жаропрочные сплавы являются основным конструкционным материалом современных газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей, летательных аппаратов (диски, лопатки, роторы и др.). В электрохимической промышленности применяются сплавы никеля с медью и железом типа монель и константан для изготовления катодов.

Особенности диффузионной сварки никеля и его сплавов определяются их свой­ствами и составом, в частности термодинамической прочностью окисной плёнки, со­противлением ползучести и деформационной способностью металла. На чистом ни­келе при нагреве образуется только один окисел NIO, имеющий сравнительно высо­кую упругость диссоциации 1,3 * 10 - 1,3 * 10 Па при 1 273 – 1 373 К. Однако ни­кель, как d–переходный металл, образует с кислородом устойчивый хемосорбирован­ный комплекс. Удаление кислорода обусловлено его диффузией при сварке в глубь металла. Растворимость кислорода в никеле составляет 0,012% при 1 473 К и с пони­жением температуры увеличивается. Расчёты показывают, что длительность растворе­ния окисной плёнки толщиной 0,005 мкм в никеле при температуре 1 173 – 1 473 К из­меняется от нескольких секунд до десятых долей секунды. Поэтому окисная плёнка на никеле не вызывает особых затруднений пр сварке. Электротехнические никелевые сплавы типа монель и константан также образуют термодинамически непрочные окислы, близкие к никелю по другим свойствам, и их сварка существенно не отлича­ется от сварки никеля. Жаропрочные никелевые сплавы являются сложнолегирован­ными и имеют в своём составе хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, ниобий и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду и обеспечивающие высокую жаростойкость и жаропрочность. Именно эти свойства и затрудняют диффу­зионную сварку жаропрочных сплавов. Наличие весьма прочной и трудно удалимой окисной плёнки, богатый хромом, алюминием, титаном, препятствует диффузионной сварке. Удаление этих окислов из стыка связана с протеканием сложных окисли­тельно-восстановительных процессов.

Повышение жаропрочности и сопротивления ползучести за счёт молибдена, вольфрама и других элементов, подавляющих диффузионную подвижность атомов. Этим обусловлена также более высокая, чем у обычных сталей, температура рекри­сталлизации жаропрочных сплавов. Естественно, что получение сварных соединений способом, сущность которого заключается в использовании процессов диффузии и рекристаллизации, затруднено. Термодеформационное воздействие при диффузионной сварке жаропрочных сплавов должно быть более сильным, чем при сварке углероди­стых и низколегированных сталей. За нижний предел температуры сварки принимают температуру начала развития процентов рекристаллизации и диффузии. Для большин­ства жаропрочных сплавов эта температура близка к 1 323 – 1 373 К. За верхний пре­дел температуры сварки принимают температуру разупрочнения сплавов. При этом следует учитывать также возможность резкого падения пластичности сплавов с по­вышением температуры.

Приведена диаграмма технологической пла­стичности двух никелевых сплавов. Из диаграммы следует, что при 1 473 К происходит резкое падение пластичности сплавов. Если при диффузионной сварке жаропрочных сплавов в результате пластиче­ской деформации сжатия произойдёт течение ме­талла, то в зоне соединения образуются трещины. Та­кое состояние возможно, несмотря на малые вели­чины деформации при диффузионной сварке, так как с повышением температуры пластичность металла близка к нулю. Таким образом, верхний предел тем­пературы сварки большинства жаропрочных сплавов не превышает 1 473 – 1 523 К. Остальные параметры режимов диффузионной сварки жаропрочных сплавов опреде­ляют так же, как и для других металлов, исходя из условий ползучести и диффузии.

Диффузионную сварку в вакууме никеля и никеля с другими металлами можно выполнять в широком диапазоне параметров режима, однако в большинстве работ ре­комендуется температура 1 273 К, давление сжатия 14,7 МПа, время сварки 10 минут при вакууме 1,3 * 10Па. С экспериментальными данными согласуются расчётные [5], полученные из условия образования фактического контакта при установившейся пол­зучести по уравнению: t = A exp , где t – длительность сглаживания микро неровностей, с; А – коэффициент, зависящий от чистоты и класса обработки поверх­ности, равный 5 * 10 при обработке по Rа = 1,25 мкм; В – коэффициент, изменяю­щийся от 5 * 10 до 7 * 10; р – давление сжатия, МПа; m – коэффициент, изменяю­щийся обычно от 3 до 5; DН  - энергия активации ползучести, кДж/моль; R – универ­сальная газовая постоянная; R = 8,315 кДж/моль; Т – температура сварки, К.

Закономерности диффузионных процессов в приконтактной зоне при сварке ни­келя изучены в работе [8]. Установлена неоднородность диффузионного потока в при­контактных слоях никеля, обусловленная рельефом соединяемых поверхностей и не­однородностью пластической деформации приповерхностных слоёв металла. В узкой приконтактной зоне наблюдается высокая скорость диффузии (коэффициент диффу­зии 10 - 10 см/с), что соответствует диффузионной подвижности вдоль границ зё­рен с наиболее благоприятной для диффузии разориентировкой зёрен. Причём в слу­чае предварительного электролитического полирования поверхностей, глубина этой зоны 10 мкм, а при механическом шлифовании эффект ускорения диффузии сохраня­ется на значительном расстоянии от поверхности. С повышением температуры и дав­ления сжатия диффузионный поток становится более однородным по всей прикон­тактной зоне. Энергия активации равна, примерно, половине энергии активации само­диффузии никеля и изменяется в зоне сварки. Минимальное значение энергии актива­ции близко к энергии активации зернограничной диффузии и увеличивается по мере удаления от поверхности контактирования. Выполненные в ряде работ исследования показали, что приведённый режим обеспечивает протекание всех процессов, необхо­димых для получения качественных соединений с пределом прочности до 539 МПа.  Повышение температуры сварки до 1 373 К приводит к значительному росту зерна за счёт собирательной рекристаллизации. Увеличение времени сварки также приводит к некоторому разупрочнению металла в зоне соединения. Уменьшение времени сварки возможно при более тщательной подготовке соединяемых поверхностей. Сварку ни­келя можно выполнять не только в вакууме, но и в водороде. В некоторых работах ис­пользовали водород с точкой росы 233 К.

Примером диффузионной сварки изделий из никеля может служить изготовле­ние керна оксидного катода водородного тиратрона, как показано на рисунке.

          Диффузионную сварку электротехнических никелевых сплавов типа монель и константан проводят в многоместных приспособлениях, обеспечивающих сварочное давление за счёт различия в коэффициентах линейного расширения свариваемых ме­таллов и металла оправки. Стяжные болты обычно изготавливают из молибдена. Ре­жимы сварки электротехнических сплавов незначительно отличаются от режимов сварки никеля, что обусловлено разницей в их физико-механических свойствах. На­пример, введение меди приводит к снижению сопротивления металла деформирова­нию, к интенсификации диффузионных и рекристаллизационных процессов и к сни­жению температуры сварки до 1 173 К.

Материал

DIN

Шифр

Тип

Химический состав % (по массе)

Применение

Ni

Cu

Fe

Ai

Ti

Cr

Mo

Mn

Si

ост

Никель

17740

2.4050

2.4060

2.4068

-

99,0-99,8

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Химические аппараты, детали ламп накалива­ния и электрон­ных трубок

Никеле­медные сплавы

17743

2.4360

2.4866

Монель

К-монель

>63

>63

28-34

28-34

1,0-2,5

1,0-2,0

2-4

0,3-1,0

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Химические аппараты, корро­зионно-опасные детали конст­рукций (К-мо­нель закали­ваема)

Никеле-хроможе­лезистые сплавы

17742

2.4816

Ин-конель

>72

-

6-10

-

-

14-17

-

-

-

-

Жаро- и огне­стойкие детали, химические аппараты

Никеле хромовые сплавы

-

-

Нимоник

Ост

-

7-5

-

-

18-21

-

1

1

0-23-со

Химические аппараты

Никеле молибде­новые и никеле хромомо­либдено­вые сплавы

17744

2.4810

Хастелой В Хасте­лой С

>62

>52

-

-

4-7

4-7

-

-

-

-

-

14-18

26-30

15-18

-

-

-

-

3-5w

Химические аппараты при коррозии под напряжением