Теория, технология и оборудование диффузионной сварки - Новиков В.Г., Бачин В.А., Квасницкий В.Ф., Котельников Д.И., Полушкин Г.П.

Автор: Новиков В.Г. Бачин В.А. Квасницкий В.Ф. Котельников Д.И. Полушкин Г.П.
Теги: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления металлургия сварка металлообработка издательство машиностроение диффузионная сварка
ISBN: 5-217-01195-5
Год: 1991
Похожие
Технология и оборудование контактной сварки
Технология и оборудование рельефной сварки
Технология и оборудование контактной сварки
Технология электрической сварки плавлением
Текст
                    ДЛЯ ВУЗОВ
ТЕОРИЯ,
ТЕХНОЛОГИЯ
И ОБОРУДОВАНИЕ
ДИФФУЗИОННОЙ
СВАРКИ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
weldworld.ru

ж*
ТЕОРИЯ,
ГЕХНОЛОГИЯ
И ОБОРУДОВАНИЕ
ДИФФУЗИОННОЙ
СВАРКИ
Под общей редакцией
д-ра техн, наук В. А. Бачина
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебника
для студентов машиностроительных
и металлообрабатывающих специальностей вузов
Москва
• Машиностроение •
1991
ББК 34.39я73
тзз
УДК 621.79L18 (075.В)
Авторы: В. А. Бачин, В. Ф. Квасницкий, Д. И. Котельников,
В. Г. Новиков, Г. П. Полушкин
Рецензенты: д-р техн, наук А. Ф, Третьяков и кафедра
«Комплексная технология автоматизированного производства» ВЗМИ
Теория, технология и оборудование диффузионной свар-
ТЗЗ ки: Учебник для вузов по специальности «Оборудование и
технология диффузионного соединения металлических и не-
металлических материалов»/ В. Л. Бачин, В. Ф. Двасниц
кий, Д. И. Котельников и дрПод общ. ред. В. А. Бачина. —
Мл Машиностроение, 1991. — 352 с.: ил.
ISBN 5-217-01195-5
Приведены теоретические основа диффузионной сварив металлических я не-
металлических материалов. Рассмотрены физико-химические процессы взаимо-
действия материалов в процессе сварки. Описаны технологии получения неразъем-
ных соединений и методы контроля качества. Приведены сведении о разработке,
проектировании и изготовлении современного сварочного оборудования.
2704060000-4)56
038 (01)—91	56 01
ББК 34.39я73
ISBN 5-217-01195-5
(6) В. А. Бачин, В. Ф. Квасницкий,
Д. И Котельников и др , 1991
ВВЕДЕНИЕ
Определение диффузионной сварки, которое дал
Н. Ф. Казаков, звучит так: «Диффузионная сварка — это процесс
соединения однородных и разнородных металлов, сплавов и неме-
таллических материалов, осуществляемый путем диффузии атомов
через поверхность стыка, возникающего в результате действия
давления и нагрева в течение заданного времени». Хотя это опре-
деление и не является бесспорным, однако дает представление о
существе данного технологического процесса*
Основной вклад в формирование и развитие теории и практики
диффузионной сварки внесли советские ученые М. X. Шортеров,
Л. Н. Красулин, Э. С. Каракозов, Г. В. Кошошков, И И. Метел-
кин и др. На сегодняшний день этим способом соединяют разно-
образные неорганические материалы, например однородные и
разнородные металлы, сплавы на их основе, а также неметалличе-
ские материалы (стекло, керамику, ситаллы, ферриты, кварц)
друг с другом и с металлами.
Современная технология диффузионной сварки базируется на
достижениях физики и химии твердого тела, использует законы
протекания высокотемпературных твердофазных процессов при
контактировании соединяемых материалов. В данной технологии
широко используются такие процессы, как деформирование
в режиме сверхпластичпости, очистка поверхности и нагрев в
тлеющем разряде, обработка поверхностей лазерами, импульсными
полями, ионной имплантацией.
При контроле сварных соединений используют современные
достижения в области акустической дефектоскопии, голографи-
ческой интерферометрии, различные методы, позволяющие досто-
верно определять надежность сварного соединения.
Область применения диффузионной сварки чрезвычайно ши-
рока - это авиация и космонавтика, машине- и ракетостроение
транспорт и связь, электроника и электротехника, медицина и
приборостроение, а также другие отрасли народного хозяйства.
Основные тенденции, которые наметились в последнее время,
связаны с разработкой процессов диффузионной сварки новых
керамических и композиционных материалов, жаропрочных спла-
вов, четких химически активных металлов и сплавоь на их
основе
1*
РАЗДЕЛ I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Твердому телу соответствует определенное агрегатное
состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и
характером теплового движения атомов, которые совершают
малые колебания вокруг положения равновесия.
Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристал-
лические тела характеризуются пространственной периодич-
ностью в расположении атомов. В аморфных телах атомы колеб-
лются вокруг хаотически расположенных точек. Устойчивым сос-
тоянием твердых тел является кристаллическое. С термодинами-
ческой точки зрения аморфное тело находится в метастабильном
состоянии и с течением времени должно закристаллизоваться.
Исследованием свойств твердых тел занимается большая часть
физиков мира; область знаний, в которой они работают, носит
название физики твердого тела. Физика твердого тела — источник
новых материалов. Новые физические идеи, рождающиеся в
физике твердого тела, проникают в ядерную физику, астрофизику,
новейшую технологию и другие области науки.
Свойства твердого тела можно объяснить исходя из званий его
атомно-молекулярного строения и законов движения его атомных
(атомов, ионов, молекул) и субатомных (электронов, нейтронов,
протонов) частиц.
Структурными единицами твердых тел служат атомы, молекулы
или ионы, электронное строение которых вс многом определяют
их свойства и место, занимаемое в периодической таблице
Д. И. Менделеева. Зная электронное строение атомов, можно
прогнозировать свойства тела и объяснять явления, происходящие
в его структуре, что является ключом к пониманию процессов,
происходящих при диффузионной сварке металлических и неметал-
лических, кристаллических и аморфных материалов.
§ 1, ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ
Характерные физические и химические свойства эле-
ментов периодической системы Д. И. Менделеева определяются
электронной структурой их атомов Согласно модели, впервые
предложенной Резерфордом, атом можно представить в виде поло-
жительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно
заряженных электронов. Хотя в ядре сосредоточена почти вся масса
атома, его диаметр очень мал по сравнению с размерами всего
атома. У атома с номером Z положительный заряд ядра, выражен-
ный в единицах заряда электрона, равен +Ze. Этот заряд несут
протонов, каждый из которых имеет ту же массу, что и ядро
атома водорода (в 1836 раз больше массы электрона), но заряд
Ядра могут также содержать частицы, которые не несут заряда,
и называются нейтронами. Масса нейтрона почти такая же, как
и протона, поэтому нейтрон не изменяет заряда ядра, но вносит
существенный вклад в атомную массу элемента.
Из рассмотрения электронной структуры атомов различных
элементов таблицы Д. И. Менделеева можно сделать заключение о
том, что именно распределение электронов по главным оболочкам
и подоболочкам приводит к появлению у элементов хорошо извест-
ных периодических изменений валентности и свойства при после-
довательном увеличении атомного номера. Установленный
Д И. Менделеевым периодический закон изменения свойств прос-
тых тел в зависимости от атомных масс нашел подтверждение и с
позиции теории квантовой механики.
Законы квантовой механики являются фундаментом при изуче-
нии строения вещества. Они позволяю!' выяснить строение атомов,
установить природу химической связи, объяснить периодическую
систему элементов, понять строение твердых тел.
Вероятностная модель атома. Важнейшим следствием приме-
нения принципа неопределенности к описанию физических процес-
сов в атоме является невозможность оперирования точными коор-
динатами электрона в каждый данный момент. Скорость электрона
столь велика, что следовало бы вообще отказаться от анализа
траектории его движения, однако существует вероятностный
подход в описании строения атома.
Де Бройль своими работами положил начало квантовой или
волновой механике, описывающей движение микрочастиц. Основой
современной теории строения атома явилось квантово-механическое
описание атома Шрёдингером Он предложил метод выражения
законов движения частиц, встречающихся в теории атомов и моле-
кул.
В квантовой механике уравнение Шрёдингера играет такую
же фундаментальную р как уравнения движения Ньютона в
классической механике и уравнения Максвелла в классической
теор и и электрома гнетизма У р авнение Шрёдин гера описывает
изменение во времени состояния квантового объекта, характери-
зуемого волновой функцией. Электронные волны могут распростра-
няться в любых плоскостях, поэтому их амплитуда является функ-
цией трех координат ф У* z), которую принято называть волно-
вой функцией Волновое уравнение Шрёдингера для движения
5
одной частицы, например электрона в атоме водорода, в общем
виде выглядит следующим образом:
8л2т ( дх3 + ду3 + дг3 )
где h — постоянная Планка; U — потенциал электрона; Е —
полная энергия электрона; т — масса электрона.
Не выясняя математического смысла уравнения Шрёдингера,
отметим его особенности.
1. Уравнение имеет решения только при некоторых определен-
ных значениях энергии электрона Квантовый характер поведения
электрона в атоме вытекает как следствие из решения уравнения,
использующего волновые характеристики движения электрона.
2. Решения уравнения показывают вероятности нахождения
электрона в той или иной точке пространства вокруг ядра атома
и никак не связывают эту вероятность с траекторией движения
электрона. Решение уравнения для многоэлектронных систем
сложно. В настоящее время его можно решить только для атома
водорода и водородоподобных элементов, т. е. одноэлектронных
часгиц, например Не4, Li2+.
В уравнении Шрёдингера волновая функция ф имеет ограничен-
ный физический смысл, но, что важно, является мерой вероят-
ности нахождения электрона в некотором объеме на расстоянии
г от ядра. Функция 4зтг2ф2 определяет вероятность нахождения
электрона в некотором шаровом слое (4лг2 — поверхность шара
радиусом г) на расстоянии г от ядра. Максимум этой функции для
электрона с наименьшей энергией находится в атоме водорода на
расстоянии боровского радиуса от ядра.
Представление электрона в виде электронного облака с плот-
ностью в каждой точке, пропорциональной фа, весьма распростра-
нено и полезно. В вероятностной модели атома исчезает смысл
использования понятия орбиты, на которой находится электрон.
Взамен орбиты мы будем иметь дело с электронной плотностью,
определяемой вероятным нахождением электрона в пространстве
атома. Фигуру, образованную движущимся электроном, принято
называть орбиталью. Под орбиталью понимают пространство,
занимаемое электронным облаком (около 90%). Орбиталь может
быть получена в результате решения волнового уравнения Шрё-
дингера в виде волновой функции Поэтому орбиталь (волновая
функция) при переходе через узел изменяет знак.
Чрезвычайно важной характеристикой орбитали является вид
ее симметрии. Орбитали с шаровой симметрией называют s-орби-
талями (рис. 1.1, а), а орбитали в виде гантелей с осевой симмет-
рией— р-орбиталями (рис. 1.1,5). Более сложный вид имеют
d- и /-орбитали (рис. 1.1, в).
Свойства элементов и электронная структура. Химические
свойства элементов и их соединений определяются электронным
строением Периодичность электронного строения проявляется в
6
том, что через определенное
число элементов снова повто-
ряются р- и d-элементы с оди-
наковыми конфигурациями
электронных подуровней. Пери-
одичность электронных струк-
тур определяет периодическое
изменение ряда химических и
физических свойств элементов,
в частности атомных радиусов,
потенциалов ионизации, сродст-
ва к электрону.
Радиусы атомов и ионов яв-
ляются очень важными харак-
теристиками. С учетом этих ге-
ометрических параметров мож-
но объяснить большое число
экспериментальных фактов и
свойств химических элементов
и соединений. Атомные ради-
усы химических элементов из-
меняются периодически в зави-
симости от порядкового номера
элемента (рис. 1.2), уменьшаясь
от щелочного металла до галогена, затем эта периодичность пов-
торяется снова.
Таким образом, общая закономерность в изменении радиусов
проявляется в том, что в пределах заполнения электронами
р-, d- или /-подуровней атомные радиусы, как правило, умень-
шаются, Объяснить это можно тем, что с увеличением заряда сила
притяжения.ядра больше силы взаимного отталкивания электро-
нов.
Обычно атомные радиусы увеличиваются по группам периоди-
ческой системы сверху вниз. Это наблюдается у щелочных и ще-
лочно-земельных металлов, галлогенов и т. д. Вследствие того,
Рис. 1.1. Формы электронных орбита-
лей для различных состояний элек-
тронов в атомах
Рис. 1.2. Зависимость радиуса атома от порядкового номера элемента
1
что между 4 s-элементом кальцием и 4 p-элементом галлием
находится десять 3 d-элементов, радиус атома галлия (0,122 нм)
оказывается меньше радиуса атома алюминия (0,143 нм). Радиус
же атома d-элемента скандия (0,16 нм) больше радиуса атома
алюминия. Поэтому химические свойства галлия выпадают из
ряда В—А1—Ga, а свойства скандия, наоборот, укладываются
в ряд В—А1—Sc несмотря на то, что В, А1 и Ga являются р-элемен-
тами, a Sc —d-элементом.
При переходе по периоду слева направо на одну клетку радиусы
атомов и ионов уменьшаются примерно на столько, на сколько
они увеличиваются при переходе сверху вниз по группе:
Таким образом, радиусы соседних элементов, расположенных
по диагонали, например Li и Mg, а также Be и А!, оказываются
близкими. Это было подмечено еще Д. И. Менделеевым. Данное
положение лежит в основе закономерности, называемой диагональ-
ной. В соответствии с ней литий по некоторым свойствам больше
напоминает магний, чем щелочной металл. Причина большого
сходства беррилия с алюминием также заключается в том, что
радиусы ионов Ве2+ и А18+ близки.
Каждый период в системе Д. И, Менделеева, кроме первого,
начинается типичным металлом. При переходе от элемента к эле-
менту в периоде слева направо происходит постепенное ослабление
металлических свойств и нарастание неметаллических. Четвертый
и пятые периоды имеют по 18 элементов. Эти периоды в отличие
от второго и третьего, содержат вставные декады элементов,
называемых переходными и образующих побочные подгруппы.
Характерной особенностью их строения является неполное заселе-
ние электронами d-орбиталей.
Наличие в периодах вставных декад приводит к тому, что
типичные металлы отделены от типичных неметаллов не шестью,
а 16 элементами. Вследствие этого соседние элементы в больших
периодах (четвертом и пятом) отличаются по химическим свойствам
гораздо меньше, чем в малых периодах (втором и третьем).
Увеличение сходства между соседними элементами при пере-
ходе от коротких периодов к длинным наблюдается не только
для d- и /-элементов, но и для р-элементов.
В настоящее время не вызывает сомнений, что в основе систе-
матики химических элементов лежит электронное строение атомов.
Химические свойства элементов определяются электронным строе-
нием атомов, а электронное строение является функцией заряда
ядра.
Атомные и ионные радиусы. В теории и технологии диффузион-
ной сварки часто приходится пользоваться понятиями радиусов
атома и иона. Эти величины являются условными, их вычисляют
по межатомным расстояниям, которые зависят не только от при-
роды атомов, но и от характера химической связи и агрегатного
состояния вещества.
При рассмотрении простых веществ, какими являются чистые
металлы, используют понятие атомного радиуса гят, при изучении
неорганических соединений (оксидов, боридов, карбидов, нитридов
и т. д.) — ионного радиуса гион. Атомные радиусы металлов в
периодах уменьшаются, так как в них при одинаковом числе
электронных слоев возрастает заряд ядра, а следовательно, и
сила притяжения электронов: (гат)ка == 0,189 нм, (^аг)м=7 ’~
~ 0,160 нм, (raT)Ai = 0,143 нм. Сравнительно медленно умень-
шается Гат элементов переходных металлов; так, для Fe, Ni и
Со атомные радиусы соответственно равны 0,126; 0,12.5 и ОД 24 нм.
Еще медленнее происходит уменьшение атомных радиусов в под-
группе лантаноидов.
Атомы неметаллов с увеличением порядкового номера, как
и атомы металлов в группах периодической системы, имеют тенден-
цию к увеличению радиуса. Эго обусловлено возрастанием числа
электронных слоев. В периодах зависимость радиусов атомов
неметаллов от порядкового номера более сложная.
Особенно важное значение для понимания процесса взаимо-
действия нейтральных атомов и ионных кристаллов, а также
массопереноса и маршрутов транспортирования имеют радиусы
ионов. Радиусы ионов и нейтральных атомов существенно отли-
чаются друг от друга. Сравнение гат и гиен показывает, что радиус
катиона меньше гат; так, гмп = 0,130 нм, а гмп = 0,08 нм. Изме-
нение Гион по сравнению с гат тем значительнее, чем больше заряд
иона; так, гДп — 0,08 нм, а гДп = 0,06 нм; ret = 0,063 нм, а
гс? = 0,052 нм. Это объясняется тем, что превращение атомов в
катионы вызывает стягивание электронных оболочек, причем
сокращение тем значительнее, чем больше дефицит электронов.
Данное обстоятельство следует учитывать при рассмотрении
возможных путей миграции нейтральных атомов и ионов в кри-
сталлической решетке соответственно в металлической или ионной.
При этом очевидно, что подвижность катионов и анионов раз-
лична, поскольку радиус катиона значительно меньше радиуса
аниона (rgf = 0,34 нм, а гй = 1,81 нм). Поэтому транспортиро-
вание реагентов через границу раздела при ДС будет осущест-
вляться более подвижными элементами, имеющими меньшие раз-
меры.
Межатомное взаимодействие. Межатомное взаимодействие мо-
жет наблюдаться как между отдельными свободными атомами,
так и между атомами, входящими в состав одной или разных
молекул, кристаллов. Межатомное взаимодействие может быть
ковалентным, ионным, металлическим, типа водородной связи
и ван-дер-ваальсовым. Взаимодействие первых трех типов является
причиной образования химических связей в молекулах, атомпых
9
и ионных кристаллах, металлах и сплавах. Связи этих типов
наиболее часто реализуются при ДС. Так, при ДС металлов
с неметаллами могут возникать связи на основе ионного и кова-
лентного взаимодействия, а при ДС металлов и сплавов на их
основе — за счет металлической связи. Водородные связи могут
образовываться внутри молекул и между молекулами в основном
в газообразном состоянии. При ДС этот вид связи практически
не реализуется.
Ван-дер-ваальсово взаимодействие обусловливает межмолеку-
лярные связи. Такое взаимодействие называют слабым химиче-
ским взаимодействием. Оно рассматривается как промежуточная
стадия, незавершенная стадия более сильного химического взаимо-
действия. Соединения, в которых значительные площади контакта
имеют незавершенную фазу межатомного взаимодействия, считают
ненадежными, имеющими низкие прочностные характеристики.
Энергия ковалентного, ионного и металлического межатомного
взаимодействия соответствует ~ 102 кДж/моль, в то время как
энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия составляет 0,1—
1 кДж/моль.
Межатомное взаимодействие бывает валентным и невалентным.
К валентному относят ковалентное, ионное и металлическое
взаимодействие, а к невалентному — ван-дер-ваальсово. Нева-
лентное межатомное взаимодействие может включать не только
чисто ван-дер-ваальсово притяжение, но также поляризационное,
электростатическое и другие виды взаимодействия. Энергия
невалентного межатомного взаимодействия, по крайней мере, на
два порядка меньше энергии валентного взаимодействия.
Ковалентное межатомное взаимодействие возникает в резуль-
тате обобществления валентных электронов парой соседних ато-
мов. Обобществление электронов ведет к формированию общей
для связывающихся атомов электронной пары. В зависимости
от числа возникающих таким образом электронных пар различают
простые (одна электронная пара) и кратные связи. Природа кова-
лентной связи раскрывается полностью лишь при квангово-меха-
ническом рассмотрении, которое выявляет общность сил, ответ-
ственных за возникновение как ковалентной, так и другой хими-
ческой связи. При образовании ковалентной связи из одинаковых
атомов или групп распределение электронной плотности в орби-
талях, связывающих электронные пары, строго симметрично
относительно обоих атомных центров (неполярные связи). Если
ковалентные связи образованы атохмами с различной электро-
отрицательностью, то электронное облако связи смещено в сторону
более электроотрицательного атома (полярные связи). Разновид-
ностью ковалентной связи является донорно-акцепторная связь,
которая образуется при наличии группировок, в которых число
связей, образуемых центральными атомами, превышает их фор-
мальную высшую валентность. Возникновение донорно-акцептор-
ной связи обусловлено передачей электронной пары с целиком
10
заполненной орбитали донора на вакантную орбиталь акцептора
и образованием общей связывающей молекулярной орбитали.
Следовательно, природа донорно-акцепторной связи не отличается
от обычной полярной ковалентной связи.
Донорно-акцепторную связь могут образовывать атомы как
непереходных, так и переходных элементов. Наиболее характерна
она для последних, поскольку их вакантные d-орбиталк имеют
более низко расположенные энергетические уровни, что облегчает
переход электронных пар с валентных орбиталей донора. Приме-
ром такого взаимодействия могут служить соединения переходных
металлов через слои низших оксидов с оксидами стекла или
керамики. Так, оксиды марганца (МпО, Мп2О3, МпО2) по отноше-
нию к кремнезему SiO3 н оксиду алюминия А12О3 будут являться
донорами электронов. Образование ковалентной связи возможно
не только между оксидами-донорами и оксидами-акцепторами.
Подобного рода связь может возникать между оксидами и нитри-
дами, оксидами и карбидами, а также между смешанными комплек-
сами. Это подтверждает возможность разработки технологии диф-
фузионной сварки различных металлов с керамическими материа-
лами на основе нитридных, карбидных, фторидных и других
соединений.
Ионная связь — это тип химической связи, энергия которой
определяется почти исключительно кулоновскими силами притяже-
ния противоположно заряженных ионов. Ионную связь можно рас-
сматривать как предельный случай полярной ковалентной связи,
образуемой атомами с сильно различающимися электроотрица-
тельностями, что определяет почти полное смещение электронной
пары в сторону одного из атомов. Таким образом, ионная связь
обусловлена переносом электронов с одного атома на другой и
электростатическим взаимодействием образовавшихся в резуль-
тате этого переноса ионов. Оно характерно для соединения метал-
лов с наиболее типичными металлоидами, например NaCl, Л12О3.
Межатомное взаимодействие в ионных молекулах и кристаллах
чаще всего носит частично ковалентный характер. Так, согласно
квантово-механическим расчетам в молекуле Na^Cl"* заряды на
атомах Na и С1 равны не заряду электрона е, а составляют 0,8 е.
Определенный вклад в стабилизацию этой молекулы вносит и
обменное взаимодействие.
Исходя из этого, металлы периодической системы, относя-
щиеся к s- и p-элементам (Li, Be, Mg, Al), взаимодействуя с окси-
дами стекла и керамики (SiO2, А12О3, TiO2 и др.), в условиях
диффузионной сварки способны образовывать соединение с кисло-
родом по механизму, близкому к ионной связи.
Металлическая связь характерна для чистых металлов и их
сплавов и обусловлена наличием электронов проводимости, сво-
бодно движущихся в решетке металла. Эти электроны электроста-
тически взаимодействуют с положительно заряженными атомами
металлов, скрепляя их друг с другом. Металлическая связь в
п
отличие от ковалентной и ионной является нелокализованной и
йена правленной.
Электронная теория металлов — наиболее общая теория твер-
дого тела. В своем развитии она прошла несколько этапов: класси-
ческая теория свободного электрона Друдэ и Лоренца, квантовая
теория свободного эчектрона Зомерфельда, зонная теория Блока
для движения свободных электронов в периодическом поле крис-
таллической решетки.
Зонная теория твердого тела позволяет наглядно объяснять
такие свойства металлов, как теплопроводность и электрическая
проводимость. Эти свойства металлов определяются способностью
электронов перемещаться в кристалле относительно свободно.
Например, если на электрон действует сила, соответствующая
приложенному напряжению, то он начинает двигаться и его кине-
тическая энергия возрастает. Это позволяет электрону перейти
на более высокий энергетический уровень. «Поскольку разница
в энергиях уровней очень мала, то электрон начинает двигаться
при очень низких напряжениях электрического поля.
Молекулярная связь (ван-дер-ваальсовы силы). *Все атомы,
ионы и молекулы испытывают слабое притяжение друг к другу,
которое обусловлено ван-дер-ваальсовыми силами, однако в боль-
шинстве кристаллов эти силы весьма малы по сравнению с другими
силами, обусловленными ионной или ковалентной связью. Тем не
менее ван-дер-ваальсовы силы играют важную роль при образова-
нии структур инертных и двуатомных газов в твердом состоянии,
где они оказываются единственными силами, удерживающими
атомы или молекулы в кристалле.
Притяжение, вызываемое ван-дер-ваальсовыми силами, ком-
пенсируется силами отталкивания, которые препятствуют взаим-
ному прониканию электронных облаков атомов или молекул.
Поскольку при образовании молекулярных связей не происходит
обмена электронами и их обобществления, структура образую-
щихся при этом молекулярных кристаллов определяется главным
образом геометрическими факторами. В связи с тем, что ван-дер-
ваальсовы силы являются ненаправленными, имеется тенденция
к плотной упаковке атомов или молекул в решетке.
§ 2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Твердое тело — агрегатное состояние вещества, харак-
теризующееся стабильностью формы и характером теплового дви-
жения атомов, которые совершают малые колебания вокруг поло-
жения равновесия. Различают кристаллические и аморфные твер-
дые тела. Кристаллы характеризуются строгой пространственной
периодичностью расположения атомов.
Аморфные твердые тела не обладают строгой пространственной
периодичностью расположения атомов. Они напоминают по своему
строению жидкость с высокой вязкостью Примером такого ве-
щества является стекло.
12
Кристаллические материалы могут быть построены из ней-
тральных атомов, молекул, ионов и металлов.
В узлах атомных кристаллических решеток находятся ней-
тральные атомы, соединенные друг с другом ковалентными свя-
зями. Веществ, обладающих атомной решеткой, сравнительно
немного; к ним относятся алмаз, кремний, соединения некоторых
элементов с углеродом и кремнием (карбиды и силициды). В этих
твердых телах все атомы одинаково связаны друг с другом. В
структуре кристалла с атомной решеткой невозможно выделить
отдельные молекулы, весь кристалл можно рассматривать как одну
гигантскую молекулу. Поскольку ковалентные связи весьма
прочны, вещества, имеющие атомные решетки, всегда являются
твердыми, тугоплавкими и малолетучими; они практически нерас-
творимы.
В узлах молекулярных кристаллических решеток находятся
молекулы. Молекулярные решетки образуют твердые водород,
хлор, двуокись углерода и другие вещества при охлаждении до
низких температур. Кристаллы большей части органических
веществ тоже имеют кристаллические решетки такого типа. Так
как межмолекулярные силы значительно слабее сил химической
связи, то кристаллы с молекулярной решеткой легкоплавки, ха-
рактеризуются значительной летучестью, твердость их неве-
лика.
Ионные кристаллические решетки, в узлах которых попере-
менно находятся положительные и отрицательные иопы, харак-
терны для соединений элементов, сильно отличающихся электро-
отрицательностью. Типичными представителями этого класса
веществ являются фториды щелочных металлов. В кристаллах с
ионной решеткой нельзя выделить отдельные молекулы (нет преи-
мущественного взаимодействия данного иона с каким-либо одним
ионом противоположного знака); весь кристалл можно рассматри-
вать как одну гигантскую молекулу. Связи между ионами прочны,
поэтому ионным соединениям свойственны высокая температура
плавления, малая летучесть, большая твердость, но меньше, чем
для веществ с атомной решеткой.
Следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых,
твердость и тугоплавкость не обязательно связаны только с ион-
ными силами. Твердость и тугоплавкость ионных соединений часто
меньше, чем веществ с атомной решеткой. Во-вторых, многие
кристаллы с ионной решеткой имеют многоатомные ионы, такие,
как SiOJ~,NO->[AlF6]3-’ и т.д. В то время как связи между части-
цами, образующими такую решетку, являются ионными, внутри
сложных ионов атомы, как правило, соединены ковалентной
связью. Поскольку комплексные ионы имеют большие размеры,
то при равенстве зарядов силы взаимодействия частиц в решет-
ке, содержащей многоатомные ионы, значительно слабее, чем в
решетке, состоящей из одноатомных ионов. Ввиду этого темпе-
ратуры плавления и твердость веществ^ содержащих ьшогоатом-
13
<>)
в)
X
Рис. 1.3. Кристаллические ре-
шетки металлов:
а ~ ГПУ; б -* ОПК; в — ГНК
ные ионы, более низкие. Так, температура плавления
NaCl — 1074 К, a NaNO3 — 694 К.
Кристаллические решетки, образуемые металлами, называются
металлическими. В узлах этих решеток находятся положительные
ионы металлов, а валентные электроны могут передвигаться
между ними в различных направлениях. Совокупность свободных
электронов иногда называют электронным газом. Такое строение
решетки обусловливает высокие электрическую проводимость,
теплопроводность и пластичность металлов. При механическом
деформировании не происходит разрыва связей и разрушения
кристалла, поскольку составляющие его ионы как бы плавают в
облаке электронного газа.
Кристаллическая решетка металлов. Математически доказано,
что можно получить 14 различных вариантов расположения в про-
станстве точек, каждая из которых будет иметь одинаковое окру-
жение. Многие металлы имеют сравнительно простые кристалли-
ческие решетки, такие, как гексагональная плотноупакованная
(ГПУ), гранецентрированная кубическая (ГЦК), объемно центри-
рованная кубическая (ОЦК) (рис. 1.3).
Для различных типов решеток важны такие характеристики,
как координационное число, атомный радиус и плотность упаковки.
Координационное число показывает число ближайших соседей
атома и равно для ГПУ и ГЦК 12, ОЦК 8, решетки типа алмаза 4,
просгой кубической решетки 6.
Атомный радиус определяется, как половина расстояния между
ближайшими соседями в кристалле, и равен для ГЦК (V*2/4) а,
ОЦК (К3/4)а, где а — ребро куба. Относительная плотность
упаковки равна отношению объема, занятого сферическими ато-
мами, к объему всей структуры, и составляет для ГЦК 74%,
ОЦК 68,1%, алмазной кубической 34%.
Основываясь на кристаллическом строении металлов
(табл. 1.1), можно предвидеть, что свариваемость элементов, имею-
14
Таблица LI
Характеристики кристаллического строения некоторых металлов
Элемент	Tип решетки	Координационное ЧИСЛО	а (см. рнс. ЬЗ) 1
Mg	ГПУ	6+6	3,203 (5,2002)
Al	ГЦК	12	4,0414
Ti	ГПУ (до 1155 К)	6+6	2,9504 (4,6838)
	ОЦК (1173 К)	8	3,3065
Fe	ОЦК (до 1184 К)	8	2,8606
	ГЦК (1164—1608 К)	12	3,6394
Ni	ГЦК	12	3,5165
Cu	ГЦК	12	3,6074
Nb	ОЦК	8	3,294
Ag	ГЦК	12	3,6074
w	ОЦК	8	3,1586
Pb	ГЦК	12	4,9401
1 Для ГПУ решетки в скобках указав размер с.
щих сходное кристаллическое строение, будет ухудшаться по мере
увеличения разницы параметров их кристаллических решеток.
Поэтому при диффузионной сварке, двух разнородных металлов,
помимо прочего, существенное значение имеют их кристалличе-
ское строение и размеры атомов. Из табл. 1.1 видно, что никель,
медь и серебро, а также железо при температуре выше полиморф-
ного превращения должны хорошо соединяться друг с другом
сваркой давлением, что и подтверждается практикой. Различие
в параметрах решетки более 10% уже приводит к заметному ухуд-
шению свариваемости. Так, при том же типе кристаллической
решетки алюминий по параметрам отличается >12% от меди,
никеля и серебра и поэтому соединить алюминий с этими метал-
лами значительно труднее. Это связано с тем, что алюминий с ука-
занными металлами склонен образовывать промежуточные кри-
сталлические интерметаллидные соединения.
Из металлов с ОЦК решеткой должны неплохо соединяться
между собой тиган и ниобий, а выше температуры 1173 К — и
вольфрам. Соединение с железом должно происходить труднее
из-за большой разницы параметров кристаллических решеток.
Твердые растворы. Твердые растворы образуются в том слу-
чае, когда атомы различных элементов, смешиваясь в различных
соотношениях, способны образовывать общую кристаллическую
решетку. Б настоящее время установлено, что все металлы и
соединения обнаруживают некоторую растворимость в твердом
состоянии, причем большой интерес представляет вопрос о вели-
чине растворимости в каждом конкретном случае. Например, в
у-железе может растворяться лишь 0,2% фосфора, тогда как в
меди возможно растворение около 39% цинка без изменения струк-
туры. При сплавлении меди с никелем ГЦК сохраняется во всем
15
интервале концентраций. Поэтому данная система может служить
примером неограниченной взаимной растворимости компонентов
в твердом состоянии. Такие твердые растворы называют непрерыв-
ными. При ограниченной растворимости мы имеем дело с гранич-
ным твердым раствором.
Различают твердые растворы замещения и внедрения. Во-пер-
вых атомы компонентов могут замещать друг друга в любом узле
решетки, во-вторых, атомы растворенного компонента располага-
ются в междуузлиях решетки растворителя. Решетка твердого
раствора такого же типа, как и решетка чистого компонента, на
базе которого он образовался, но с измененным периодом. Непре-
рывными могут быть только твердые растворы замещения, гранич-
ными — растворы замещения и внедрения.
Образованию непрерывных твердых растворов способствуют
близость размеров атомов компонентов, сходство решеток компо-
нентов, близкое расположение компонентов в таблице Д. И. Мен-
делеева. Например, системы с полной растворимостью образуются
из двух близких компонентов одной группы (Ag—Ан, Мо—W,
Au—Си, Nb—Та), из двух близких компонентов одного периода
(Ag—Pd, Си—Ni, Ni—Fe, Fe—Cr. Co—-Ni), а также из компонентов,
находящихся в близких группах и периодах (Au—Ni, Au- Pd,
Co—Pd? Fe—Pd).
Если хотя бы одно из указанных выше трех условий не выпол-
няется, наблюдается ограниченная растворимость — возникает
граничный твердый раствор.
Влияние таких факторов, как химическое сродство и различие
размеров атомов, на образование непрерывных и граничных
растворов сформулировал Юм-Розери:
1.	Если различие размеров атомов компонентов, образующих
сплав, превышает 15%, то растворимость в твердом состоянии
должна быть ограничена.
2.	Промежуточные фазы, которые называют интерметалличес-
кими, или валентными соединениями, сужают область ограничен-
ных твердых растворов. Вероятность образования таких соедине-
ний определяется химическим сродством компонентов, принимаю-
щих участие в образовании сплава, и будет тем больше, чем более
электроотрицательным окажется один элемент и более электро-
положительным другой.
3.	Взаимная растворимость двух элементов в твердом состоя-
нии связана с их валентностью, причем растворимость в элементе
с меньшей валентностью всегда больше, чем в элементе с большей
валентностью. Это правило иногда называют эффектом относи-
тельной валентности. Сказанное выше подтверждается в случае
образования сплавов меди, серебра и золота, которые являются
одновалентными, с элементами, имеющими валентность выше
единицы.
Твердые растворы внедрения получаются, если отношения
атомных диаметров растворенного элемента и растворителя
<^0,59. Как правило, растворы
внедрения образуются на базе
переходных металлов (Fe, Со,
Мп, Ti, Мо, XV, Zr, V и др.), ь
которых растворяются метал-
лоиды (С, Н, О, N) с малыми
атомными диаметрами. В таких
системах могут образовываться
и промежуточные фазы внедре-
ния.
Пример неограниченной вза-
Рис. 1.4. Диаграмма состояния спла-
к?з металла А с металлом В с чеогрв-
каченной растворимостью в твердом
состоянии
имной растворимости в жидком
и твердом состоянии двух металлов А и В представлен на рис. 1.4.
Выше линии плавления (ликвидуса) существует однородная
жидкость (одна фаза), между линиями ликвидуса и солидуса —
жидкость и кристаллы твердого раствора а (две фазы), ниже
линии солидуса остается твердый раствор. При диффузионной
сварке металлов, образующих неограниченные твердые растворы,
в зоне контакта раствор В и Л постепенно превращается в раствор
А и В без определенного порядка мест замещения. Такого рода
взаимодействие возможно для металлов с аналогичными типами
кристаллических решеток и близкими размерами а сомов. Металлы,
дающие сплавы с неограниченной растворимостью, должны хорошо
соединяться между собой диффузионной сваркой. В переходной
зоне за счет взаимной диффузии должны образовываться однород-
ные твердые растворы, т. е. металл в зоне стыка будег однофазным,
что благоприятно скажется на свойствах. При непрерывном ря*де
твердых растворов свойства сплавов должны изменяться от свойств
образующих их металлов плавно без скачков (рис. 1.5, а).
При образовании эвтектик в зоне соединения изменение свойств
протекает плавне (рис. 1.5, б). Это важно для сварных соединений,
так как постепенное, не скачкообразное изменение свойств более
благоприятно для работоспособности, чем скачкообразное, имею-
щее место в случае образования в сварочной зоне химического
интер мета л лидного соединения (рис. 1.5, в).
Большая группа металлов при взаимодействии может в зоне
сварки образовывать механические смеси — эвтектики при крис-
таллизация из жидкого состояния или эвтектоиды при вторичной
кристаллизации. При образовании таких смесей для формирования
сварных соединений важно, имеют элементы ограниченную взаим-
ную растворимость в твердом состоянии (рис. 1.6, а) или образуют
смеси без ограниченных твердых растворов (рис. 1.6, б).
Диффузионная сварка металлов, не образующих по диаграм-
мам состояния твердых растворов, связана с определенными
трудностями, поскольку отсутствие взаимной, хотя бы ограничен-
ной растворимости свариваемых металлов в твердом состоянии
практически исключает протекание диффузионных процессов на
границе раздела. Возможность получения сварного соединения
Рис. 1.5. Характер изменения свойств сплавов элементов с разными диаграм-
мами состояний
в этом случае целиком зависит от получения надлежащего кон-
такта чистых свариваемых поверхностей, создания максимального
количества активных центров и соответствия атомно-кристалличе-
ского строения, а также применения прокладок из металлов,
образующих твердые растворы с соединяемыми материалами.
Для металлов, имеющих ограниченную растворимость с образо-
ванием эвтектики (см. рис. 1.6, а}, характерно появление диффу-
зионных зон на границе соединения. Образование таких зон
связано с тем, что в металл А в результате определенной раство-
Рис. 1.6. Диаграммы состояния сплавов металлов А и В, дающих в твердом со
стоянии эвтектические смеси Эг не образующие твердые раствооы (а) и обра
зующие ограниченные твердые растворы (б) (аир — твердые растворы А | В |
и В | А |)
18
Рис, 1.7. Диаграммы состояния сплавов металлов А и В, образующих в твердом
состоянии химическое соединение АпВт — Си эвтектические смеси
а без ограниченных твердых растворов; б —* о ограниченными твердыми растворами;
в — о неустойчивым химическим соединением ори повышенных температурах
римости проникает (диффундирует) некоторое количество атомов
В через границу раздела. Точно так же в металл В диффундирует
некоторое количество атомов Л. Наличие таких зон взаимодиффу-
зии улучшает качество сварного соединения, так как изменение
свойств происходит более плавно.
Возможность даже ограниченной взаимной диффузии особенно
важна при диффузионной сварке, когда она может стать дополни-
тельным фактором улучшения свойств сварных соединений.
Неблагоприятно в сварных соединениях рассмотренного типа про-
явление эффекта старения на отдельных участках как сварного
шва, так и примыкающей к шву зоне, где могли образоваться
кристаллы пересыщенного твердого раствора.
Элементы Л и В, которые при кристаллизации образуют хими-
ческое соединение АпВт (интерметаллид), дают диаграммы состоя-
ния, типа представленных на рис. 1.7» Новое химическое соедине-
ние С (АпВт) образует с элементами (металлами) А и В эвтектиче-
ские смеси без какой-либо растворимости одного вещества в другом
(рис. 1.7, д) или же новое вещество С образует ограниченные
твердые растворы с исходными компонентами и химическое соеди-
нение неустойчиво, т. е. при нагреве выше определенной темпера-
туре распадается. Однако ниже этой температуры вещество
устойчиво (рис. 1.7, в).
Интерметаллидные соединения или промежуточные фазы могут
распространяться на широкую область концентраций; они значи-
тельно отличаются от граничных растворов. Более сильная хими-
ческая связь между атомами компонентов в промежуточных фазах
обусловливает возникновение иной, чем у компонентов, решетки.
При этом промежуточные фазы могут обладать свойствами, значи-
тельно отличающимися от свойств компонентов.
Строение промежуточных фаз определяется теми же условиями
что и строение твердых растворов: соотношением радиусов атомов,
19
валентностью компонентов, расположением компонентов в таб-
лице Д. И. Менделеева.
Одним из признаков химического соединения является высокая
теплота образования (—41,8 кДж/моль). Промежуточные фазы
постоянного состава образуют металлы, занимающие различное
положение в таблице Д, И. Менделеева. Однозначно сказать»
какие из металлов дают в соединении фазы постоянного состава,
а какие таких фаз не образуют, в настоящее время не представ-
ляется возможным. Определена закономерность образования ва-
лентных соединений простых металлов с низкой валентностью
(Си, Pb, Са, Mg, Al и др.) с металлами, имеющими относительно
высокую валентность от 4 до 6 (Ge, Sc, Те, Si, Pb и др.). При этом
чем больше различаются элементы по валентности и атомному
радиусу, тем устойчивее соединение и тем выше температура его
плавления. Так, соединения Mg2S, Mg3Sn и Mg2Pb имеют темпера-
туру плавления 1358, 951 и 851 К соответственно. Как видно,
сродство между этими элементами тем больше, чем сильнее у
одного из них выражен металлический характер, а у другого
металлоидный.
Если в соединении Mg2Sn магний заменить цинком, то соедине-
ние не образуется. Это происходит потому, что Zn по своей хими-
ческой природе ближе к Sn, чем магний. При замене магния цинком
в соединении Mg3Sb2 получается также валентное соединение
Zn4Sbs, однако со значительно пониженной температурой плавле-
ния: 829 К вместо 1501 К.
Основное значение для свойств сварного соединения приобре-
тает образование прослойки кристаллов нового химического
соединения, подчас со свойствами, отличающимися от свойств
близлежащих кристаллов компонентов А и Б. Такая неоднород-
ность свойств может оказаться вредной для работоспособности
изделия, тем более что граница между зоной химического соедине-
ния и свариваемыми металлами при отсутствии признаков хотя бы
небольшой ограниченной растворимости должна быть резкой. Если
же при образовании химического соединения существует какая-
либо ограниченная растворимость, то на границе раздела появ-
ляется соответствующая зона взаимной диффузии, приводящая
к образованию ограниченных твердых растворов между швом и
кромками основного металла. Это обстоятельство особенно важно
при диффузионной сварке, так как улучшается переход от зоны
химического соединения к свариваемым металлам.
В сплавах, имеющих ограниченную переменную растворимость
при нагреве, иногда происходит полиморфное превращение в
твердом состоянии — образуются вторичные мелкие зерна в пре-
делах первичных кристаллов. Свойства (прочность и вязкость)
благодаря этому могут улучшиться.
На практике часто приходится иметь дело со сваркой не только
чистых металлов, но и сплавов. Для построения диаграмм для
трех и более компонентов необходимо использовать многомерный
20
принцип. Однако в переходной зоне сварных соединений сплавов
сложного состава могут образовываться твердые растворы несколь-
ких компонентов, эвтектические или эвтектоидные смеси и хими-
ческие соединения. Характер 'Ьормирования переходных структур
и изменение свойств при диффузионной сварке сплавов в основном
будут близки к аналогичным параметрам чистых металлов.
Ковалентные и ионные кристаллические материалы. Кристал-
лы, в которых атомы объединены в пространственный каркас проч-
ными неполярными или малополярными ковалентными связями,
называют ковалентными кристаллами. К ним относят алмаз, раз-
личные модификации кристаллического квариа (SiOJ, оксиды
рения (ReOs), цинковой обманки (ZnS) и др.
Ионные кристаллы образуются частицами, сцепление которых
обусловлено преимущественно ионными связями; они могут быть
построены как из одноатомных, так и из многоатомных ионов.
Ионные кристаллы первого типа — это кристаллы галогенидов
щелочных и щелочно-земельных металлов, образованные ионами
металла и отрицательно заряженными ионами галогена. В них
атомы располагаются по закону плотнейшей шаровой упаковки,
а пустоты между ними занимают катионы. В полных кристаллах
второго типа наряду с одноатомными катионами тех же металлов
присутствуют конечные или бесконечные анионные фрагменты.
Конечные фрагменты (кислородные остатки), состоящие из не-
скольких атомов, наблюдаются, например, в нитратах. сульфатах,
карбонатах. Кислотные остатки могут соединяться в бесконечные
цепи (фрагменты), слои, а также образовывать трехмерный каркас,
в полостях которого располагаются катионы Такие образования
встречаются, например, в силикатах.
Типичные представители кристаллов различных групп резко
различаются по свойствам, например по энергии структуры (энер-
гии. необходимой для разъединения твердого тела на отдельные
атомы, ионы или молекулы). Так, для ковалентных кристаллов
SiC энергия структуры 1183 кДж/молъ, для ионных кристаллов
NaCl 752 кДж/моль, для металлических кристаллов Na 108
кДж/моль, для кристаллов, основанных на ван-дер-ваальсовых
силах, СН4 10 кДж/моль.
Простые стехиометрические оксиды, такие, как MgO,
а А12О3, SiO2 и другие, как правило, обладают низкой электриче-
ской проводимостью, т. е. являются яркими представителями
изоляционных материалов. Изучение проводимости таких оксидов
затруднено, поскольку температура их плавления превышает
2273 К. Энергия образования этих оксидов достаточно велика,
поэтому их проводимость даже при высоких температурах остается
низкой и в основном зависит от наличия в них примесей.
Большая часть кристаллических материалов имеет низкую
ионную проводимость, так как их атомы или ионы, несмотря на
тепловые колебания, обычно не могут покинуть занимаемые узлы
решетки
21
Твердые электролиты составляют немногие исключения в се-
мействе кристаллических материалов» в которых один из структур-
ных компонентов (катион или анион) не привязан к строго опре-
деленным узлам решетки и может передвигаться по кристаллу.
Твердые электролиты — вещества структура и свойства которых
являются промежуточными между нормальными кристаллическими
твердыми телами с регулярной трехмерной структурой и жидкими
электролитами, не имеющими регулярной структуры, но обладаю-
щими подвижными ионами. Нередко твердые электролиты устой-
чивы только при повышенных температурах. Например, Li2SO4
и AgJ — плохие проводники при 298 К, но при 845 К (Li2SO4)
и 419 К (AgJ) они переходят полиморфные модификации, в которых
ионы Li+ и Ag* становятся весьма подвижными (о 1 Ом-1-см"1).
Например, в керамике на основе ZnO2, легированной CaO, Y2O3,
Sc2O3, концентрация анионных вакансий при температуре выше
873 К настолько велика, что диоксид циркония является хорошим
высокотемпературным кислород-ионным проводником.
глинозем объединяет семейство кристаллических структур
общей формулой М2О-пХ2О3, где М — однозарядные катионы,
например Na+, К+, Cu+, Ag+, Ga*; X—трехзарядные катионы
Als+, Ga3+ или Fe3*; п может принимать значение от 5 до 11. Интерес
к р-глинозему как к твердому электролиту возник после того, как
в 1966 г. определили, что ионы Na+ в нем чрезвычайно подвижны
при комнатной температуре, а также при более высоких темпера-
турах. Ионы Na+ могут быть заменены на другие катионы, которые
также проявляют высокую подвижность в структуре р-глинозема.
Потенциальная возможность создания источников тока на основе
твердых электролитов — наиболее существенный стимул для.
исследования этих материалов. Сернисто-натриевый аккумулятор
обладает высокими удельными показателями энергоемкости и
мощности, поэтому он является перспективным для электромоби-
лей и систем выравнивания мощностей электростанций и других
целей.
Сегнетоэлектрики — это критические материалы, отличаю-
щиеся от обычных диэлектриков двумя свойствами: во-первых, они
обладают чрезвычайно большой диэлектрической проницаемостью
и, во-вторых, возможностью сохранения некоторой остаточной
электрической поляризации после устранения внешнего электри-
ческого поля. При повышении разности потенциалов, приложенной
к обычному диэлектрику, наблюдается пропорциональное увеличе-
ние наведенной поляризации р и наведенного заряда Q В сегнето-
электриках нет такой простой линейной зависимости поляризации
от напряжения, а вместо нее наблюдаются гистерезисные явления.
Сегнетоэлектрики имеют структуры, в которых один тип катиона,
например Ti4+ в ВаТЮя, может значительно смещаться относитель-
но своего анионного окружения. Это смещение зарядов приводит
к возникновению диполей и увеличению диэлектрической прони-
цаемости.
22
Основная сфера промышленного применения сегнетоэлектри-
ков — это конденсаторы, поскольку диэлектрическая проницае-
мость е этих материалов высока. Для сравнения заметим, что в
таких общепринятых диэлектриков, как TiO2 или MgTiO3, нахо-
дится в пределах от 10 до 100. При повышенных температурах
может наступить деполяризация сегнетоэлектриков. Температура
Кюри некоторых сегнетоэлектрических материалов приведена
ниже:
Сегнетоэлектрик	Т, К
Титанат бария BaTiOs	. .	293
Ниобат калия НГчЬО3	707
Титанат свинца PbTiOs	763
Ниобат лития LiNbOs . .	... 1483
Титанат висмута Bi4TiaO12	948
Температура Кюри цирконат-титаната свинца [РЬ (Иг^ГД.^) X
X О3], зависит от стехиометрического состава.
Пьезоэлектрические кристаллы используют уже много лет как
преобразователи механической энергии в электрическую и наобо-
рот. Техническое назначение их чрезвычайно разнообразно. Их
применяют при изготовлении микрофонов и наушников динамиков
и стереопроигрывателей, акустических датчиков, систем зажига-
ния в двигателях, звуковых и ультразвуковых генераторах и т. п.
Магнитные материалы на основе оксидов, например ферриты
(MgFe2O4), находят в настоящее время широкое применение при
изготовлении магнитопроводов трансформаторов, устройств для
магнитной записи и хранения информации.
Для оксидов переходных металлов четвертого периода периоди-
ческой системы характерны весьма заметные систематические
изменения свойств с изменением порядкового номера и числа
электронов. Так, оксид ТЮ обладает проводимостью, а оксид
NiO является диэлектриком. В ряду этих оксидов наблюдается
систематическое изменение и магнитных свойств одновременно
с изменением электрических свойств. Оксиды первых трех элемен-
тов этой группы (TiO, Vo и СгО) диамагнитны. В них d-электроны
не локализованы на отдельных ионах, а делокализованы по всей
решетке. По-видимому, магнитные моменты делокализованных
электронов не взаимодействуют друг с другом, следовательно, эти
вещества диамагнитны и обладают высокой электрической прово-
димостью. Оксиды МпО, FeO, СоО и NiO при высоких температурах
парамагнитны,, а при низких характеризуются упорядоченными
магнитными структурами, в которых d-электроны локализованы
на отдельных ионах ?42+ Именно локализация неспаренных эле-
ктронов определяет магнитные свойства и проводимость.
Некоторые важные в практическом отношении оксиды имеют
структуру шпинели. Структура благородной шпинели М§А12ОЛ
представляет собой кубическую плотвоупакованную решетку ионов
кислорода, в тетраэдрических и октаэдрических пустотах которой
23
находятся соответственно ионы Mg3+ и АР*. В настоящее время
известно большое количество соединений со структурой шпинели.
Большинство из них — оксиды. Известны также сульфиды,
селениды и теллуриды со структурой шпинели. Такую же струк-
туру имеют некоторые галогениды. В образовании структуры
типа шпинели могут участвовать многие разнозарядные катионы:
Шпинель	Заряд
катиона
MgAlsO4 .............................. 2;	3
Mg2TiG4	2;	4
LiAlTiO,	1; 3; 4
LiNiVO,	1;	6
Распределение катионов в шпинели может изменяться. Необхо-
димо различать два крайних случая такого распределения. В нор-
мальной шпинели катионы занимают позиции, которые опреде-
ляются формулой АВ2О4, т. е. ионы А находятся в тетраэдрических
позициях, а ионы В — в октаэдрических позициях. Примеры
нормальной шпинели: MgAl2O4 и MgTi2O4.
В обращенной шпинели половина ионов В находится в тетра-
эдрических позициях, а ионы А и оставшиеся ионы В занимают
октаэдрические позиции. Примеры обращенных шпинелей:
MgFe2O4 и Mg2TiO4. Встречаются случаи образования и смешанных
шпинелей.
Наиболее важные в практическом отношении соединения со
структурой шпинели — это ферриты M2Fe2O4, где М — двухзаряд-
ный ион (Fe2+, Ni2+, Cu2+, Mg2+). Ферриты, как правило, являются
частично или полностью обращаемыми шпинелями. Причина
этого, видимо, в том, что ион Fe3+ с пятью d-электронами согласно
теории кристаллического поля не тяготеет к октаэдрическим пози-
циям. Следовательно, двухзарядные ионы большого размера
занимают в основном октаэдрические позиции, а ионы Fe8+ распре-
деляются по тетраэдрическим и октаэдрическим узлам.
Кристаллы для лазеров. Работа твердотельных лазеров осно-
вана на использовании люминофоров, удовлетворяющих особым
требованиям. Термин «лазер» составлен из первых букв английских
слов Light. Amplification by Stimulated Emission of Radiation
(усиление света стимулированным испусканием излучения). Руби-
новый лазер был первым оптическим квантовым генератором. И
сегодня он находит широкое применение Наиболее важная часть
рубинового лазера — монокристалл А12О3, легированный неболь-
шим количеством (0,05%) Crs+. Ионы Сг3+ замещают ионы АР*
в искаженных октаэдрах кристаллической решетки корунда.
Структура корунда близка к структуре ильменита FeTiO3. При вве-
дении СгО8 в монокристаллы А12О3 белого цвета последние окраши-
ваются в красный (при малой концентрации ионов Сг3'4') или зеленый
{при больших концентрациях ионов Сг3+) цвет. Накачку лазера
проводят с помощью мощной вспышки света, например ксеноновой
24
лампы. При этом d-электроны ионов могут переходить из основного
состояния в возбужденное. Обратный переход связан с излучением
световой энергия мощного когерентного импульса.
В качестве основы люминофоров, используемых в неодимовых
лазерах, служит либо стекло, либо алюмин иево-иттриевый гранат
Y3A16O12. Активными центрами в этих материалах являются ионы
Nd3+. Время пребывания в возбужденном состоянии зависит от
концентрации ионов Nd3* и составляет ~10~4 с. На основе мате-
риалов, содержащих ионы Nd3* в качестве активаторов, созданы
лазеры высокой мощности.
§ 3. АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Аморфные вещества не имеют упорядоченного строения,
в связи с этим они отличаются от кристаллических изотропностью,
т. е. подобны жидкостям, одинаковыми значениями данного свой-
ства при измерении в любом направлении внутри вещества.
Аморфная структура, так же как и структура жидкости, характе-
ризуется ближним порядком, поэтому переход аморфного вещества
из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообраз-
ным изменением свойств. Это — второй признак, отличающий
аморфное состояние твердого вещества от кристаллического состоя-
ния. Так, в отличие от кристаллического вещества, имеющего
температуру плавления Гпл, при которой происходит скачкообраз-
ное изменение свойств, например объема V (рис. 1.8), аморфное
вещество характеризуется интервалом размягчения Та — 'Ть и
плавным изменением свойств. Этот интервал в зависимости от
природы вещества может составлять десятки и даже сотни граду-
сов.
Часто аморфное и кристаллическое состояние — это состояние
одного и того же вещества. Так, существуют аморфные формы
ряда простых веществ (серы, селена, оксидов В.2О8, SiO2 и др.).
На практике кристаллизация аморфных веществ наблюдается
очень редко, поскольку структурные изменения заторможены
Рис. 1.8. Изменение свойств прз аагреш крисг&йличвскнх (а) и аморфный! (6)
веществ
25
большой вязкостью твердых тел. Поэтому если не прибегнуть к
специальным средствам, например длительному высокотемпера-
турному воздействию, то переход в кристаллическое состояние
протекает с исчезающе малой скоростью. В подобных случаях
можно считать, что аморфное состояние вещества является вполне
устойчивым.
Уподобляя аморфное тело жидкости и рассматривая его как
переохлажденную жидкость, застывшую из-за очень большой
вязкости, следует помнить, что в отличие от жидкости в аморфном
веществе соседние частицы практически не обмениваются местами.
Большая вязкость расплава затрудняет движение и переориенти-
ровку молекул, что препятствует образованию зародышей твердой
фазы, поэтом у при быстром охлаждении жидкости она затверде-
вает не в кристаллическом, а в аморфном состоянии.
Типичными аморфными телами являются силикатные стекла,
поэтому часто аморфное состояние называют стеклообразным,
понимая под стеклом аморфно (т. е. без кристаллизации) застыв-
ший расплав. В результате огромной вязкости стекло сохраняется
тысячелетиями без видимых признаков кристаллизации.
В природе аморфное состояние менее распространено, чем
кристаллическое. При низких температурах термодинамически
устойчиво кристаллическое состояние, однако процесс кристалли-
зации может потребовать много времени — молекулы должны
успеть выстроиться. При низких температурах это время бывает
очень большим и кристаллическое состояние практически не реали-
зуется.
Поскольку некоторые вещества можно получить в стеклообраз-
ном и кристаллическом виде, принято говорить о стеклообразном
состоянии вещества, являющемся частным случаем аморфного
состояния. К главным отличительным особенностям аморфного
состояния относятся изотропность свойств и отсутствие темпера-
туры плавления. Обратимость перехода из стеклообразного состоя-
ния в расплав и из расплава в стеклообразное состояние (стеклова-
ние) является особенностью, которая отличает стеклообразное
состояние от других аморфных состояний,
К настоящему времени теория стеклообразного состояния еще
до конца не создана, поэтому используют определение стекла,
разработанное комиссией по терминологии АН СССР: стеклом
называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения
расплава независимо от их химического состава и температурной
области затвердевания и обладающие, в результате постепенного
увеличения вязкости, механическими свойствами твердых тел,
причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное
должен быть обратимым.
При охлаждении расплава стекла вязкость его начинает плавно
возрастать (рис. 1.9) и при вязкости т) = 10* Па-с на кривой
появляется первый перегиб. Температуру, соответствующую этой
точке, обозначают Т< (flussig •— текущий, жидкий) и называют
26
Рис. 1,9. Зависимость вязкости оконного (/) н кварцевого (2) стекол от темпера -
туры
температурой текучести. Выше этой температуры стекломасса
имеет свойства ньютоновской жидкости. При дальнейшем охлажде-
нии (т| = 1214 Па-с) на кривой вязкости отмечается второй перегиб.
Температуру, отвечающую этой точке, обозначают Tg (giassfor-
mig — образующий стекло) и называют температурой стеклова-
ния. Ниже этой температуры стекло приобретает свойства твердого
тела. В интервале Tf — Те стекломасса находится в высокоэлас-
тичном состоянии, этот интервал характеризуется высоким темпом
изменения свойств стекла. Стекло, как переохлажденный расплав,
находится в термодинамически неустойчивом (метастабильно.м)
состоянии, однако вследствие высокой вязкости (ц = 10м Па-с
при нормальной температуре), препятствующей кристаллизации,
стекло при нормальных условиях может существовать неопреде-
ленно долго.
Стекло. Основные гипотезы строения стекла следующие: ближ-
него порядка П. П. Кобеко; непрерывной беспорядочной сетки
В. X. Захариосена; агрегативная О. К. Ботвинкина; полимерная
В. В. Тарасова и др. Наибольшее распространение получили две
гипотезы.' непрерывной беспорядочной сетки и кристаллиткая.
Гипотеза непрерывной беспорядочной сетки рассматривает
стекло как сплошную аморфную трехмерную сетку, лишенную
симметрии и периодичности. Согласно этой гипотезе, строение
кварцевого стекла (SiO,) можно представить следующим образом:
как в кристаллическом, так и в аморфном кремнеземе каждый аюм
кислорода связан с двумя атомами кремния и образует кислород-
ный мостик между двумя тетраэдрами. В кристалле тетраэдры
ориентированы относительно друг друга закономерно, что обеспе-
чивает образование кристаллической решетки (рис. 1.10, ц). В
стекле же закономерная ориентация тетраэдров нарушена в
результате непостоянства углов между связями Si—-О—Si, поэтому
структура кварцевого стекла. представляет собой непрерывную
беспорядочную пространственную сетку (рис. 1.10, б). При введе-
?7
Рпс. I JO. Схемы структурных решеток кристаллического кремнезема (а), квар-
цевого (6) и натрий-силикатного (а) стекол
нии в состав стекла оксидов щелочных металлов происходит разру-
шение некоторой части мостиков, что опровож дается дроблением
пространственной сетки. Катионы металла заполняют промежутки
(дыры) сетки (рис. 1.10, *), распределяясь преимущественно вблизи
немостиковых ионов киспорола, компенсируй ненасыщенные ва-
лентности последних. Чем больше вводится оксида щелочного
металла, тем больше дробится пространственная сетка стекла.
Металлические стекла или аморфное состояние металлов можно
подучить путем высококоскпростпого охлаждения расплавов (ско-
рость охлаждения 1СИ — 1(? К/с). Быстрый теплоотвод дости-
гается. если, по крайней мере, один из размеров образца, напри-
•лер толщина или диаметр, достаточно мал (фольга, лента, прово-
лока). Расплющиванием капли расилша между охлаждаемыми
наг’С’вальнями получают фольгу диаметром 15—25 мм и толщиной
^0—70 мкм, а охлаждение’' на вращающемся барабане (диске)
или дгокать -й струи между валками — ленту шириной 3—6 мм
и голп01 н ой 40— 100 мкм (рис. I 11).
Метал лнчесгие стекла состоят из -—80% переходных (Сг, Мп,
Fe, Со, Ni и ;р.) или благородных (Ли, РЬ) металлов и '-'20%
поливалентных неметаллов (В, С. N, Si. Р, Ge и др ), играющих
г> ль стеклообра 'ующях элементов. Примером металлических
стекол являкрт: бинарные сила >ы (AuM> Si19, Pds, Si19 и F80B2n)
и псездобииарные сплавы, состоящие из трех и бочее компонентов.
Металлические стекла — то метаетабнльные системы, которые
кристаллизуются при нагревании до температуры, приблизительно
равной 0,5 температуры плав гения.
Способность к стеклообразованию обычно связывают с наличием
ь. ? рз’пювгсноп диаграмме состояния системы низкоплавкой
эвтектики Считают. <то струк*^рр металлических стекол представ-
ляет собой беспорядочную плотную упаковку шаров двух различ-
ных диаметров.
Металлические стекла по сравнению с кристаллическими метал-
лами обладают некоторыми ценными свойствами. Во-первых, они
обычно имеют гораздо более высокую механическую прочность.
В некоторых аморфных сплавах практически был достигнут теоре-
тический предел прочности. Многие чистые металлы являются
относительно пластичными в результате наличия в них дислокаций,
которые легко перемещаются под действием внешнего напряжения.
Не существует однозначного ответа на вопрос, могут ли существо-
вать дислокации в непериодических структурах, например в стекле.
Если дислокации в металлическом стекле все же существуют, тс
вряд ли они могут гак легко перемещаться, как в кристаллическом
материале. Поэтому металлические стекла характеризуются высо-
кой прочностью, в то же время это очень пластичные материалы.
Металлические стекла могут выдерживать 50%-ную (и более)
деформацию сдвига, прежде чем они разрушатся ио механизму
пластического излома.
Во-вторых, мегаллические стекла более устойчивы в химически
агрессивных средах и более коррозионно-стойки, чем поликристал-
лические металлы. Химические процессы особенно активно проте-
кают на границах зерен и на поверхностях с повышенной энергией,
например, в местах выхода дислокаций или других дефектов.
Поскольку в стеклообразных образцах отсутствуют границы зерен
и дислокации в обычном смысле этого слова, они химически более
инертны.
В-третьих, некоторые металлические стекла характеризуются
особыми магнитными свойствами. Кобальт и железосодержащие
стекла характеризуются низкой коэрцитивной силой, они легко
намагничиваются и размагничиваются. Эти свойства также свя-
заны с отсутствием границ зе-
рен. Металлические стекла мо-
гут найти применение в элемен-
тах памяти в тех случаях, когда
необходима быстрая регистрация
и перезапись информации.
Рис 11. С ма получения лги
"ч металла в аморфном состоя-
нии:
? — охлажд. ечай яращрющв^с»
ыедный f--inatfAhj 2 — раелмп'. 5 —
ГгаГрС’1- .‘ЛЬ ’ - ле» ЙМ- ‘ ЧПГй
Рис Ы2. Стгчз термообротчи ?э-
гр чон	су-.-
Ситаллы. Ситаллы представляют собой новый класс поликри-
сталлических материалов, получаемых пугем направленной крис-
таллизации стекол специального состава. Они занимают промежу-
точное положение между обычными стеклами и керамикой Ситаллы
сохраняют механическую прочность до гораздо более высоких тем-
ператур, чем стекло, которое размягчается, как правило, при
температуре 773 К. Они обладают комбинацией наиболее важных
свойств как стекол, так и керамик. Регулируя состав ситаллов,
можно в широких диапазонах варьировать их свойства, например
коэффициент термического расширения может изменяться в интер-
вале (1—30) Ю^К"1. Термостойкость ситаллов может достигать
1000 К, электроизоляционные свойства, как правило, превосходят
свойства стекол того же химического состава. Они имеют низкие
диэлектрические потери при высоких частотах.
Ситаллы получают путем термической обработки некоторых
стекол специального состава. Технология производства ситаллов
включает три основные операции (рис. 1.12):
—	варка стекла, содержащего специальные добавки — ката-
лизаторы, в качестве которых используют различные оксиды и соли
металлов (интервал /);
	— формование изделий обычными способами (интервал //);
—	термообработка изделий, приводящая к кристаллизации
стекла (интервал III).
Расстеклование или кристаллизация стекла обычно указывает
на прекращение его использования, так как стекло теряет свою
механическую прочность, прозрачность и другие рабочие характе-
ристики. Суть получения ситаллов заключается в управляемой
кристаллизации стекла, в результате которой оно превращается
в мелкодисперсное кристаллическое вещество с наличием стекло-
фазы или без нее, обладающее набором важных параметров, кото-
рые не были присущи исходному стеклу.
Для проведения расстеклования в контролируемых условиях
необходимо создать высокую концентрацию кристаллических
зародышей (обычно 1012—1016 зародышей в 1 см3), равномерно
распределенных в объеме образца. При этом важно исключить
возможность начала кристаллизации на нескольких зародышах,
находящихся на поверхности, поскольку кристаллизация должна
происходить равномерно по всему объему.
Керамические материалы. Структура керамических материалов
имеет, как правило, двухфазное строение. Основная фаза — крис-
та л д я ческая. Она п а х едите я в о к р уж ен и и небол ьшо го кол ичеез ва
стеклофазы, на долю которой в основном приходится от 0,5 до
20%» Кроме то?*о. следует иметь в виду что керамические мате-
риалы обладают значительной пористостью (0.3—15%).
Керамические материалы получают спеканием порошков мине-
ралов и синтетических неорганических веществ Техническую
керамику изготовляют на основе оксидов, тугоплавких карбидов
элементов Г. и VI групп периодически системы, нитридов Si,
В, Al и других элементов, силицидов, боридов переходных метал-
лов, галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов и про-
чих соединений.
Наибольшее распространение получила оксидная керамика.
Различают керамику алюмосиликатную или муллитовую (основная
фаза 2SiO2*3Al2Os), муллитокорундовую (Al2Os-2SiO2 + ЗА!2О3),
клиноэкстантитовую (MgSiO3), форстеритовую (2MgO-SiO2), цель-
зиановую (BaO Al2O3 -2SiO2) и др. Оксидная керамика характери-
зуется высокими удельным электрическим сопротивлением (1011 —
1018 Ом-см), прочностью на сжатие (до 5 ГПа) стойкостью в окис-
лительных средах в широких интервалах температур, а некоторые
виды также высокой огнеупорностью
Карбидная керамика обладает электрической проводимостью
и теплопроводностью, а также огнеупорностью в бескислородной
среде. Керамика на основе SiC устойчива и в окислительной
среде до 1773 К, нитридная (Si3N4) обладает стойкостью к терми-
ческому удару, механической прочностью, стойкостью в окисли-
тельных средах вплоть до 1923 К. Другая нитридная керамика
(ВМ) характеризуется стабильностью диэлектрических свойств
в широком интервале температур, силицидная керамика — малым
электрическим сопротивлением (170—200 мкОм-см), стойкостью
в расплавах металлов и солей, боридная — тугоплавкостью, высо-
кими термоэмиссионными свойствами (СаВ3). Галогенная керамика
пропускает излучение с длиной волны от 0,27 до 20 мкм.
Технология производства керамики включает измельчение
исходных материалов (глин, полевых шпатов, каолина и др.), их
перемешивание и увлажнение с добавкой органических связующих
и пластификаторов. В результате получают пластическую массу
или жидкую суспензию (литейный шликер), пригодные для формо-
вания. Формуют изделия прессованием, литьем, экструзией и
другими способами, затем их сушат в процессе предварительного
жидкотемпературного отжига, удаляют связующее и другие
добавки, после чего обжигают при более высокой температуре для
получения" необходимого фазового состава и заданной степени
спекания.
При работе с керамическими материалами необходимо постоянно
помнить о теснейшей взаимосвязи способа получения, структуры
и физических свойств. Необходимо знать, какие физические,
химические, термические и другие свойства керамики обеспечи-
ваются теми или иными структурами.
Керметы — гетерогенные композиции металлов или сплавов
с одной или более керамическими фазами. Эти композиции сочета-
ют огнеупорность и твердость керамики с пластичностью, электри-
ческой проводимостью, стойкостью к термоудару и другими свой-
ствами металлов. Металлическая составляющая—Fe, Ni, Со,
Сг, W, Та, Mo, Al, Mg и другие металлы, керамическая — туго-
плавкие оксиды А12О3, ВеО, MgO, ZnOr и т. д., карбиды TiC,
WC, ТаС, бориды, нитриды и другие соединения. Например,
31
к керметам относят твердые сплавы типа ВК-8, ВК-15, которые
созданы на основе Ni, Со и карбидов W, Ti, Та и Мо, характери-
зующиеся высокой твердостью, прочностью и жаростойкостью.
Компоненты керметов подбирают таким образом, чтобы они
химически не взаимодействовали друг с другом, имели близкие
коэффициенты линейного термического расширения и температуры
спекания. Прочное сцепление фаз обеспечивается добавлением
небольших количеств (до 5%) веществ, которые образуют со
всеми веществами композиции химические соединения. Изделия
из керметов получают главным образом методами порошковой
металлургии, а также пропиткой керамической пористой заготовки
расплавленным металлом, осаждением металлов из растворов на
поверхности керамических частиц и др. Их применяют для изго-
товления деталей ракетных и реактивных двигателей, металлоре-
жущего инструмента, ядерных топливных, эмиссионных катодов,
щеток электродов и т. п.
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ КОНТАКТЕ ДВУХ
МАТЕРИАЛОВ
Диффузионная сварка является разновидностью сварки
давлением. Для этого способа характерно получение неразъемного
соединения в твердом состоянии, формирующегося вследствие
возникновения связей на атомном уровне, появляющихся в резуль-
тате сближения контактных поверхностей в результате локальной
пластической деформации при повышенной температуре, обеспе-
чивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяе-
мых материалов.
Диффузионные процессы, происходящие в контакте соединяе-
мых материалов, во многом определяют структуру и свойства
переходной зоны. При значительном различии физических и хими-
ческих свойств свариваемых материалов эта зона может являться
зоной изменения химических связей и состава. В ней может также
происходить постепенное изменение типа и параметров кристалли-
ческих решеток и физических свойств соединяемых материалов.
Таким образом, получение монолитного соединения при сварке
давлением основано на образовании связей на атомном уровне в
в результате сближения контактных поверхностей в процессе
пластической деформации с последующим формированием переход-
ной зоны вследствие протекания диффузионных процессов.
§ 1. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТВЕРДЫХ ГЕЛАХ
Основные законы диффузии. Диффузия (от латинского
слова diffusio — распространение, растекание) — проникание со-
при касающихся веществ друг в друга вследствие теплового движе-
лкг* их частиц. Диффузия При-
сходит в направлении умень-
шения концентрации вещества
• ведет к его равномерному рае-
«ределению по занимаемому
•эъему (к выравниванию хими-
i ее кого потении а ла) Д иффу зи я
имеет место в газах, жидкостях
твердых телах, причем диф-
фундировать могут как их соб-
г вен ные атом ы (са мода ффу-
так и находящиеся в них
*томы посторонних веществ (ее-
^родиффузия). Наиболее быс-
тро диффузия происходит в га-
ах, медленнее—в жидкостях,
.ленное — в твердых
телах, что обусловлено харак-
ером теплового движения час-
Рис. 2. t. Схемы механизмов диффузии:
i — Пйкамсиоинчй; 2 по междуузлияы;
3 — г»_ ruuouoA; 4 — обменной. б — кра-
Удионны£
’•иц в этих средах
В твердом теле могут действовать несколько механизмов
диффузии (рис. 2.1):
обмен местами атомов и вакансий (вакансионный);
перемещение атомов по междуузлиям;
одновременное, циклическое перемещение нескольких атомов
(групповой);
прямой обмен местами двух соседних атомов (обменный);
кра уд ионный и др.
Первый механизм преобладает, например, при образовании
. вердых растворов замещения, второй — твердых растворов внед-
рения.
Основным параметром, характеризующим процесс диффузии,
является коэффициент диффузии D, который характеризует среднее
число перемещений через определенную площадь за единицу вре-
мени. Коэффициент диффузии в твердых телах крайне чувствителен
t дефектам кристаллической решетки, возникшим при нагреве,
напряжениях, деформациях и других воздействиях Увеличение
числа дефектов, главным образом вакансий, облегчает перемещение
атомов в твердом теле и приводит к ускорению диффузии. В твер-
дых телах существует резкая экспоненциальная зависимость
коэффициента диффузии от температуры. Эта зависимость может
быть задана в общем случае уравнением
где D - коэффициент диффузии; DQ — предэкспоненниальный
множитель; £ — энергия активации процесса диффузии; R —
у !i и нереальная г*: зевая пост оя ня .<
*. А Ь-чеь
33
Так, коэффициент диффузии цинка в медь при повышении
температуры от 293 до 573 К возрастает в 1014 раз. Зависимость
коэффициента диффузии от температуры подчиняется более общему
закону Аррениуса.
Для большей части научных и практических задач существенно
не диффузионное движение отдельных частиц, а обусловленное им
выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднород-
ной среде. Из областей высокой концентрации уходит больше ато-
мов, чем из областей низкой концентрации. Через единицу пло-
щадки в неоднородной среде за единицу времени безвозвратно
проходит поток вещества в сторону меньшей концентрации —
диффузионный поток J. Он равен разности чисел атомов, пересе-
кающих единичную площадь в том и другом направлениях, и
пропорционален градиенту концентрации с>та зависимость
выражается законом Фика
(2.2)
где с — концентрация вещества; х — координата.
Математически закон Фика аналогичен уравнению теплопро-
водности Фурье. В основе этих явлений лежит единый механизм
переноса: в законе Фика — перенос массы, в уравнении теплопро-
водности — перенос энергии.
Диффузия возникает не только при наличии градиента концен-
трации (химического потенциала). Под действием внешнего элек-
трического поля происходит диффузия заряженных частиц (элек-
тродиффузия), в неравномерно нагретом теле возникает термодиф-
фузия, а под действием механических напряжений возможна
восходящая диффузия, приводящая к уменьшению внутренних
напряжений.
Второй закон Фика описывает изменение концентрации вещест-
ва в пространстве и во времени и имеет вид для одномерной задачи
или для трехмерной задачи
или
(2.5)
где V — оператор Лапласа.
Второй закон Фика представляет собой дифференциальное
уравнение в частных производных, и для его решения необходимо
сформулировать начальные и граничные условия, которым должна
34
Рис. 2.2. К определению концентрации атомов в длинном стержне
удовлетворять концентрация диффундирующего вещества. Эти
условия подробно рассмотрены и проанализированы Б. С. Бок*
штейном.
Для решения диффузионных задач применяют в основном урав-
нение (2.3), которое интегрируют при определенных граничных
условиях, например выбирают очень длинный цилиндр с постоян-
ным поперечным сечением площадью S, разделяют его поперечной
плоскостью (рис. 2.2) и получаюг два пол у бесконечных тела с
идеальнымприлеганиемдругкдругу. Для этого случая из второго
закона Фика можно получить соотношение, которое наиболее часто
используется для оценки процессов диффузии,
х = V^Di,	(2.6)
где х — среднее смещение всех диффундирующих атомов.
Эффект Киркендала. При диффузионной сварке разнородных
металлов или сплавов с различным содержанием легирующих
элементов в результате парциальных коэффициентов диффузии
встречных потоков возникает преобладающий поток вещества
через границу раздела и, как следствие, происходит перемещение
самой границы раздела.
Такое перемещение границы раздела впервые наблюдали
А. Смигельскас и Е. Киркендал. Схема с помощью которой был
надежно установлен эффект Киркендала, изображена на
рис. 2.3. На поверхность латунного образца 2 (30% Zn) был нанесен
слой 1 чистой меди. Предварительно на границу раздела латунь —
медь были помещены инертные метки 3 — тонкие вольфрамовые
проволочки. С увеличением времени ди(]зфузиоиного отжига про-
волочки, находящиеся на противоположных гранях образца, мед-
ленно сближались. Уменьшение расстояния между ними было пря-
мо пропорционально Vl\t— время отжига), что указывало на
диффузионный характер процесса.
Позднее эффект наблюдали для большого числа пар металлов
с ГЦК-решеткой (Си—Ni,Cu—Au, Ag—Аи и др.) и ОЦК~решеткой
(Ti—Cr, Ag—Zn и др.).
Эффект Киркендала можно объяснить явлением течения при
диффузии. Такое течение, увлекающее макроскопические метки,
может возникнуть в результате разности скоростей диффузии ком-
2*	35
?	1
Рис. 2.3V Схема onaia Кирком
дала
нонен гов. Действительно, поскольку парциальный коэффициент
диффузии цинка £>Zn больше соответствующего коэффициента меди,
го на границе раздела компонентов возникают встречные потоки
«томов цинка JZn и меди Jr,., причем Jz„ > JCu. Данное обстоя-
тельство приводит к тому, что зона диффузии, включающая гра-
ницу раздела, изменяется в объеме :?го происходит вследствие
того, что со стороны мечи общее число атомов в единице объема
растет (атомов цинка приходит больше, чем уходит атомов меди),
а со стороны латуни уменьшается. Возникает течение решетки —
к меди пристраиваются со стороны латуни новые плоскости, и
инертные метки сдвигаются в сторону латуни.
Эффект Киркендалл наблюдали при исследованиях целого ряда
сплавов. Во всех случаях перемощение меток происходило в
направлении вещества с более низкой температурой плавления,
т. е. в сторону вещества с более высоким парциальным коэффи-
циентом диффузии.
В случае вакансиопвого мсхани хм а диффузии в системе медь —
латунь вакансии чаще обмениваются местами с атомами цинка,
чем с атомами меди Это и приводит к тому, что поток атомов цинка
превышает поток атомов меди в сторону латуни. С другой стороны,
с процессом перемещения атомов связан процесс перемещения
вакансий в обратном направлении, в результате возникает поток
вакансий от меди к латуни.
Эффект Френкеля. Если вакансии находятся в равновесии и
не образуют поры, то смещение меток в результате эффекта Кир-
кепдала можно определить исходя из теории Даркена. Однако, как
показывают эксперименты, в ряде случаев вблизи поверхности
раздела со стороны более подвижного компонента возникают поры,
что является следствием коагуляции вакансий. Например, в сис-
теме медь — латунь пористость обнаружена в латуни, а в системе
медь -— никель в меди.
Такой процесс порообразования, названный эффектом Френ-
келя, является результатом перемещения вакансий в направлении,
противоположном перемещению диффундирующих атомов через
границу раздела. Эффект Френкеля обусловлен теми же причи-
нами, что и эффект Киркепчал?. различием нарциальяы* коэф
36
риццеигив диффузии. Максимальное смещение границы раздела
пблюдается в том случае, когда отсутствует диффузионная
ристость и, наоборот, число пор максимально, когда граница
раздела неподвижна. Таким образом, если DA > DP (рис. 2.4)т
атомов вещества /1 уходит больше слева направо, чем справа
приходит атомов вещества В, и число вакансий в веществе Л от
первоначальной плоскости возрастет, а это эквивалентно потоку
зкансий, направленному справа налево. В результате в элементе
1 возникает избыток вакансий по сравнению с их термодинамиче-
ки равновесной концентрацией. Переход к равновесному состоя-
ию может произойти благодаря эффекту Киркендала или эффекту
Френкеля.
В первом случае вакансии исчезают при переползании дислока-
ций, так как сохраняется число узлов в решетке в единице объема,
это приводит к исчезновению атомных плоскостей и соответ-
венно плоскость Кирксндала приближается к левому краю
бразца. Справа от этой плоскости появляются атомные плоскости,
ifG восполняет недостаток вакансий. Во втором случае вакансии
коагулируют. Заметим, что эффект Френкеля можно подавить
у гем приложения всестороннего сжатия. При наличии сжимаю-
icro давления в процессе диффузионной сварки разнородных
агериалов и в зоне соединения пор не наблюдается, в то время
1к при чисто диффузионном спекании без приложения сжимаю-
щего давления возникновение пор в результате коагуляции вякан-
ий весьма вероятно.
Реакционная диффузия. До снх пор мы рассматривали диффу-
шю, при которой по обе стороны от первоначальной границы раз-
дела возникали твердые растворы. Однако в ряде случаев процессы
<4-Фузии могут в такой степени изменить соотношение элементов
зоне контакта, что в соответствии с диаграммой состояния бин ар-
:ой системы возможно образование новой фазы стехиометрического
устава со своей структурой и Физическими свойствами.
Условия образования новой фазы следующие:
большое различие электроотрицательностей у взаимно диффун-
1 и р ующ 11 х ве щес гв;
соблюдение определенной электронной копнен грации, отве-
нощей электронным фазам Юм-Розера,
достижение определенной концентрации, т. е. обеспечение
техиометрии.
ЕАо всех случаях возникновение новой фазы приводит к за-
медлению дальнейших процессов диффузии в результате умень-
шения диффузионных потоков из-за барьерного эффекта, созда-
ваемого новой фазой, а также из-за увеличения толщины новой
фазы, через которую идут диффузионные потоки
Образование новых фаз, как правило, связано с ростом на-
пряжений. ухудшением пластических свойств и эксплуатацион-
ных характеристик, поскольку новые фазы по своим физико-хими-
ческим тяам ступают исходнъш материалам
г/
Рис. 2.5. Изменение концентрационных кривых при ьзаимодиффузии в бинар-
ных сплавах:
а — с неограниченной растворимостью; б — образующие одну двухфазную область;
в — образующие две двухфазные области в йвтермегаллид (—---*— линия стыка об*
раэцов при диффузионной сварке)
Если при диффузионной сварке контактируют два металла.
которые образуют непрерывный ряд твердых растворов (Си—Ni,
Ag—Аи, Си—Pt), то концентрационные кривые в зоне сварки
в результате диффузионных процессов, протекающих между
ними, имеют плавный вид (рис. 2.5). Кривая расстояние — кон-
центрация компонента В представляет собой повернутую на 90е
концентрационную кривую, описывающую диффузию компонен-
та В в образце, сваренном из двух металлов А и В.
Если кинетика роста фазы является диффузионной, то тол-
щина фазы увеличивается пропорционально У Г, где t — время
сварки.
Для расчета коэффициентов диффузии в многофазной системе
можно пользоваться методом Мата но, если известна зависи-
мость с (л). Зависимость коэффициента диффузии от концентра-
ции была получена Матано экспериментально. Плоскость Матано
проводят таким образом, чтобы площадь между кривой распреде-
ления и осями координат справа и слева от линии раздела была
одинаковой. Метод Матано может быть применен и для анализа
экспериментальных результатов при образовании интерметаллид-
ных прослоек.
При сварке разнородных металлов процессы возникновения
и роста новой фазы при диффузии играют значительную роль. Эти
процессы известны в литературе под названием реактивной или
реакционной диффузии. Впервые они были обнаружены при изуче-
нии механизма химико-термической обработки металлов при
исследовании цементации железа. Щи явления определяют также
Зй
кинетику окисления металлов, спекания разнородных порошков
и т. д.
Рассмотрим механизм и кинетику образования и роста ин-
терметаллидпых фаз при сварке хметаллов без расплавления,
г. е. типичные реакции в твердой фазе. В простейшем случае
взаимодействия металла А с металлом В на границе раздела воз-
никает лишь одна интерметаллидная фаза АпВт. На механизм
подобного процесса существуют две гочки зрения. По мнению
Д А. Про кошкина. интерметаллидная фаз может возникнуть
лишь после достижения в пограничном слое металла растворителя
предела насыщения твердого раствора (г. pj кри данной темпе-
ратуре, т. е.
Новая фаза возникает в результате перестройки кристалличе-
ской решетки вследствие достижения предела растворимости
в приграничной прослойке одного из металлов. Такой подход
предполагает наличие латентного или инкубационного периода
Ю выделения новых фаз.
В. 3. Бучаков придерживается точки зрения, что при сопри-
косновении двух металлов независимо от явления взаимной рас-
творимости может произойти химическая реакция (х. р) с образо-
ванием иптерметаллидного соединения непосредственно на гра-
н ице раз дела реаги р у ющих металлов:
А Л |ДХ< р-^Л|Д,л Вп\В.
(2.8)
Перед образованием на поверхности соприкосновения двух
металлов новой интерметаллидной фазы происходит хемосорбция,
г. е. такая адсорбция, при которой проявляются химические силы
взаимодействия. Дальнейший рост интерметаллидной прослойки,
разделяющий оба металла, зависит от диффузии, ио крайней
мере, одного из компонентов к поверхности раздела.
Истинная картина оказывается довольно сложной. При взаимо-
действии двух твердых разнородных металлов действительно
возникают твердые растворы. Однако интерметаллидная фаза на-
блюдается и в тех случаях, когда твердые растворы еще не до-
стигли предельной концентрации для данной температуры. Неко-
торую ясность в этот процесс можно внести, обратившись к элек-
тронному строению элементов. Чем больше различия в электрон-
ном строении соединяемых элементов, например s и d (Mg и Fe)
или р и d (Al и Fe), тем более вероятно формирование переходной
зоны по теории В. 3. Бучакова. Если же соединяют разнородные
металлы, относящиеся по электронному строению к одной группе,
например к d (Fe и Ti, Fe и Ni, Fe и Мп), то механизм взаимодей-
ствия может быть объяснен последовательным образованием твер-
дых растворов, ростом концентрации реагирующих компонентов,
а при достижении предела растворимости —образованием новой
фазы. Эта точка зрения принадлежит Д А. Прокошкину
39
Для правильности понимания механизма сварки разнородных
металлов и сплавов без расплавления необходимо, прежде всего,
выяснить последовательность первых этапов диффузионного взаи-
модействия, когда интермегаллидные фазы лишь начинают воз-
никать и их наличие еще не привело к существенному ухудшению
механических свойств.
§ 2.	ДИФФУЗИЯ И ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ
Влияние дефектов структуры на диффузию является
весьма существенным Именно дефекты определяют механизм
и скорость диффузии, поэтому во многих случаях обусловливают
закономерности формирования структуры твердых тел.
Реальный кристалл имеет множество разнообразных дефек-
тов. По классификации Ю. М. Лахтина в кристалле можно вы-
делить три группы первичных дефектов:
1)	точечные (вакансии, междуузельные атомы, примесные
атомы внедрения или замещения);
2)	линейные {дислокации, дефекты упаковки);
3)	поверхностные (границы зерен и фаз).
Для диффузии в металлах и неметаллических материалах
(керамика, стекло, ситаллы), когда процессы протекают при
достаточно высоких температурах (0.8—0,9Ткл), основное зна-
чение имеет вторая группа дефектов, т. е. точечные дефекты.
При более низких температурах (0,6—0,8Тпл) возрастает роль
диффузии по дислокациям, границам зерен и другим протяженным
дефектам.
В настоящее время экспериментальными методами достоверно
установлено, что дефекты решетки ускоряют диффузию, по этой
причине дефектные области кристаллов получили в литературе
название «пути ускоренной диффузии».
Влияние электронных дефектов, например рекомбинации эле-
ктронов, может быть зафиксировано только на сверхчистых моно-
кристаллических материалах, поэтому их роль при диффузионной
сварке невелика.
Точечные дефекты. Вакансии и атомы внедрения являются
дефектами кристаллических решеток. Вакансии могут возникать
в результате перехода атома (иона) из своего нормального по-
ложения в решетке в междуузлия или на поверхность кристалла.
Комбинацию вакансии и иона в междуузлиях называют дефектом
по Френкелю. Наличие такой комбинации удовлетворяет требова-
нию электронейгральности, которое должно всегда соблюдаться.
В ионном кристалле требование электронейтральности удовлетво-
ряется также при эквивалентном числе анионных и катионных
вакансий. Комбинацию анионной и катионной вакансий назы-
вают дефектом по Шотки. Если вакансия образуется в металле,
то происходит одновременное удаление положительного иона и
компенсирующих его ззр.чв электронов.
40
Френкель отметил важную особенность вакансий, которая
заключается в том, что они могут появляться, и исчезать при
нагреве и охлаждении Это отличает их от атомов, число которых
не изменяется при нагреве, если нет испарения или окисления.
Концентрация же вакансий при увеличении температуры растет,
а при охлаждении уменьшается.
Образование вакансии означает разрыв связей какого-либо
атома и требует затраты энергии. Если вакансии образуются при
переходе атома на поверхность, то происходит разрыв z парных
связей с соседними атомами в объеме и восстановление половины
таких связей на поверхности. В такой модечи энергия образования
вакансии равна энергии сублимации: Е = zW/2, где W — энер-
гия парного взаимодействия, которая по расчету должна состав-
лять ~3 эВ'атом. С учетом природы металлической связи, изме-
нения электронной структуры, а также незначительного сближе-
ния атомов вокруг вакансии квантово-механический расчет дает
энергию образования вакансии примерно в 3 раза меньше.
Относительная вероятность пребывания в решетке атома
с энергией, превышающей энергию основною состояния, равна
ехр [—EJkT\ где Ev —энергия возникновения вакансии, k —
постоянная Больцмана. Следовательно, в кристалле, содержа-
щем N атомных узлов, число вакансий
п = N ехр [—EJkT ],
(2-9)
Равновесная концентрация вакансий для меди при 1273 К
n/W 1СГ4, т. е. примерно одна вакансия на 10 000 атомов,
а при нормальной температуре концентрация вакансий резко
падает и составляет всего n/N ж 1(Г16-
Между узел иные атомы, так же как и вакансии, относятся
к точечным дефектам, поскольку их протяженность по всем трем
направлениям соизмерима с размером атома.
Неравновесные дефекты преобладают в кристалле, несмотря
на то что их существование термодинамически невыгодно, но
в силу тех ила иных причин они могут сохраняться в кристалле
очень долго. Например, с помощью рентгеновского излучения,
резкого охлаждения или пластического деформирования в холод-
ном состоянии в металле можно создать большую концентрацию
неравновесных дефектов.
Точечные дефекты способны образовывать комплексы (на-
капливаться) или аннигилировать (уничтожаться) и играют исклю-
чительно важную роль в технологических процессах спекания и
д иффу з ион ной сварки.
Главный источник и сток вакансий — внешняя (свободная)
поверхность кристалла, но он не единственный, им может служить
трещина или пора внутри металла. Поры и трещины не могут бес-
конечно испускать вакансии, они постепенно зарастают. Напро-
тив, при. поглощении вакансий их объем увеличивается.
41
ооооооо.
ооооооо
ооооооо
оооооо
оооооо
оооооо
О)
дислокаций
Рис 2.6. Схема образования краевой (а) и винтовой (б)
Атом металла, находящийся в междуузлии, а не в узле —
это дефект и пустой узел, вакансия — тоже цефекз. У этих дефек-
тов междуузельного атома и вакансии есть две особенности.
Появление вакансий выгодно кристаллу, т. е. термодинами-
чески оправдано. Это же распространяется на собственно между-
узельные атомы. Они тоже уменьшают свободную энергию кри-
сталла вплоть до равновесной концентрации.
Линейные дефекты. Наиболее характерными линейными де-
фектами являются дислокации. Возможны два предельных случая
дислокаций — краевые дислокации и винтовые.
Образование краевой дислокации можно представши как
введение в какой-то объем кристалла лишней атомной полупло-
скости (рис. 2.6, я).
Вблизи нижнего края этой полуплоскости сосредоточены боль-
шие искажения решетки Линия искажения, которая проходит
вдоль края лишней полуплоскости, называется дислокацией
Область вблизи дислокационной линии, где искажения очень
велики, называется ядром дислокации. Атомы, расположенные
непосредственно над краем лишней полуплоскости, находятся
в состоянии сжатия, а непосредственно под краем лишней полу-
плоскости действуют растягивающие напряжения.
Образование винтовой дислокации можно представить сле-
дующим образом. Возьмем совершенный кристалл и сделаем в нем
гонкий разрез на некоторую глубину, а затем сдвинем одну сто
рону надреза на одно межатомное расстояние относительно другой
(рис. 2.6. б). Вдоль края разреза возникает линия искажений,
которая называется винтовой дислокацией. Направление винта
может быть как правосторонним, так и левосторонним, а шаг
винта — от одного до нескольких межатомных расстояний.
Представление об ускорении диффузии по дислокациям воз-
никло главным образом в связи с многократно обнаруженным
различными исследователями ускорением диффузии под влиянием
пластической деформации. В хороню отожженном монокристалле
остается 10*—10е дислокаций на 1 см3 любого сечения. При пласти-
ческой деформации плотность дислокаций возрастает до 1010—
I012 см2. Дислокации играют для атомов роль транспортной ма-
гистрали ускоренного движения. Коэффициент самодиффузии
вдоль дислокаций на несколько порядков больше, чем в кристал-
лической решетке. Относительный вклад диффузии вдоль дисло-
каций максимален при 0,6—0,8Тил.
Вдоль дислокаций с большой скоростью диффундируют при-
месные агомы, которые при выходе на поверхность декорируют их,
что дает возможность в ряде случаев непосредственно наблюдать
диффузию в электронном микроскопе. Выходы дислокационных
трубок на поверхность кристалла обнаруживаются по ямкам
травления и авторадиографическим снимкам скоплений атомов
изотопов в дислокационных трубках.
Дислокация рассматривается как одномерный дефект, поэтому
одни вакансии не могут обеспечить существенного ускорения
диффузии в сравнении с диффузией в кристаллической решетке,
гак как диффундирующий атом смещается только на одно меж-
атомное расстояние. Образование пары вакансия — внедренный
атом ликвидирует одномерность ядра дислокации и является
щинственной возможностью ускоренного перемещения атомов
вдоль дислокации, Возникающая пора может диссоциировать,
перемещаться и аннигилировать. Междуузельный атом легко пе-
ремещается вдоль ядра, так как находится в ряду вакантных
мест. По этой теории основной вклад в энергию активации диф-
фузии вдоль дислокации вносит энергия образования между-
узельного атома, тогда как энергия движения этого атома крайне
мала.
Поверхностные дефекты, К таким дефектам относятся границы
зерен. Многочисленные эксперименты показывают, что границы
зерен являются областями повышенной диффузионной подвижно-
сти атомов. Если измерять коэффициент диффузии в поликристал-
лическом материале с достаточно мелким зерном в широком ин-
тервале температур, то линейная зависимость In D от 1/Т всегда
при температурах, меньших 0,6—0,77"П7, прямая становится
вогнутой. Принято считать, что это отклонение связано со вкла-
дом пограничной диффузии в общий диффузионный поток. Коэф-
фициент пограничной диффузии Dr больше, чем объемной D
(DJD ~ 103—10Б), а энергия активации меньше (ErJE = 0,354-
0.45). Это и приводит к отклонению от закона Аррениуса при
сравнительно низких температурах. При диффузии в монокри-
сталлах такой эффект не наблюдается. Чем мельче зерно, т. е.
чем больше протяженность границ в объеме материала, тем за-
метнее аномалия диффузии по границам зерен.
Интерес к исследованию диффузии по границам зерен обуслов-
лен гем. что такие исследования позволяют:
исследовать закономерности диффузии по границам зе-
рен ;
43
установить связь структуры, границ зерен с зернограничной
диффузией;
, исследовать влияние посторонних примесей на диффузионную
проницаемость границ зерен.
Но поводу модели границ зерен в 1913 г. впервые была вы-
сказана мысль, что границы зерен в металлах имеют аморфную
структуру переохлажденной жидкости. Эта гипотеза просуще-
ствовала довольно долго. В 1948 г М. Кронбергом и Ф. Вильсо-
ном была предложена для границы кристаллическая модель совпа-
дающих узлов. Расстояние между совпадающими атомами или
период «граничной» решетки больше, чем в объеме. Но это все же
решетка, на границе есть порядок в расположении атомов, хотя
и отличающийся от объемного. Следовательно, эта граница не
жидка я, а кр исталлическая.
Таким образом, имеется ряд дискретных значений углов,
при которых вдоль границы есть совпадающие атомы. Такие
границы называются границами частичного сопряжения или спе-
циальными. Ширина такой кристаллической специальной гра-
ницы мала, одно-два межатомных расстояния, т. е. около 0.5 нм.
Если угол разориентации 0 меньше 10е, то граница называется
малоугловой, а при углах более 10° — высоко угловой. Атомной
теории границ зерен обоих типов в настоящее время не суще-
ствует. Тем не менее дислокационная модель малоугловой гра-
ницы на сегодня является наиболее приемлемой. Согласно этой
модели границу зерна можно рассматривать как две сопряженные
стенки разделенных рядом параллельных друг другу дислокаций,
отстоящих одна от другой на расстоянии Ь, где b — вектор Бюр-
герса.
Расстояние между дислокациями определяется углом разори-
ентации- В рамках таких представлений хорошо описываются
только малоугловые границы зерен, для которых дислокации
находятся на достаточно больших расстояниях друг от друга и
вектор Бюргерса (Ь) в которых меньше расстояния между дисло-
кациями /г, т. е. для b < h (рис. 2.7),
В модели Мот га граница зерен также состоит из участков
с «хорошим» — когерентным и «плохим» —- пекогерентнкм сопря-
Рис. 2/ Пйс.юкацнорьая модель чаж)угловой границы
44
жением решеток. Число ато-
мов в «хороших» участках
невелико, а число «плохих»
тем больше, чем больше разо-
риенгация смежных зерен, и
при 0 > 50* граница зерна
рассматривается как неупо-
рядочен на я зона, состоя ниг
которой сравнимо с жидким
состоянием.
Из существующей модели
следует:
а н и зотроп и я д иффу з по н г. ой
и перпендикулярно к ним будет зависеть от угла разориентации
кристаллов:
диффузионная проницаемость зависит от количества дислока-
ций, приходящихся на единицу «длины» границы, а это опять
связано с углом 0.
С увеличением 0 анизотропия пионицаемости должна умень-
шаться, поскольку расстояние между дислокационными трубками
уменьшается до полного их слияния. Следует иметь в виду, что
в предельном случае (0 > 10е) граница зерен становится высо-
коугловой и дислокационная модель становится не всегда прием-
лемой. Если для малых значений 0 наблюдается монотонная
зависимость Dr от 6. то при ботъпшх 0 она становится существенно
немонотонной. Таким углам соответствуют особые границы, в ко-
торых возникает сверхрешетка или решетка совпадающих углов.
Период этой сверхрешетки лишь при некоторых углах сравним
с периодом решетки в объеме (модель нониуса)
Модель, объясняющую особенность диффузионного потока по
границам зерен, разработал в 1951 г. английский физик Дж. Фи-
шер (рис. 2.8). Граница в модели Фишера — это тонкая пластина
шириной 6. вставленная между двумя очень широкими зернами.
Диффузиг по пластине идет быстро, и атомы, движущиеся по
границе, далеко обгоняют атомы, идущие с поверхности прямо
в зерно. Поэтому в точку, расположенную внутри зерна, атомы
попадают так: сначала бегут по границе, а потом уже с границы
в объем.
Из модели Фишера следует, что диффузионный путь па гра-
нице пропорционален не корню квадратному из времени, как при
обычной диффузии, а корню четвертой степени из времени:
xt .= (Щ. VD)iri.
(2.10)
Этот результат получился не потому, что модель случайных
блужданий не применима к диффузии по границам зерен. Она
применима. А закон г1'4 есть следствие «диффузионного отсоса»
вещества из границы в объем Глубина проникновения вещества
по границе растет со временем, но медленнее, поскольку часть
вещества уходит в объем и по границе его идет меньше.
Элементарный акт диффузии по-прежнему связан с преодоле-
нием барьера, имеет активационный характер, а коэффициент
зернограничной диффузии подчиняется уравнению Аррениуса
(2.1). Ускоренная диффузия по границам зерен по сравнению
с объемной сохраняется до высоких предплавильных температур.
Так, преобладающая самодиффузия никеля по границам зерен
наблюдается за 80 градусов до плавления. Границы зерен так
и называют путями ускоренной диффузии.
Диффузия вдоль внешней поверхности металла непосред-
ственно связана со структурой этой поверхности. Поверхность
реального кристалла неоднородна и характеризуется сложным
микрорельефом. На поверхности кристалла всегда имеются сту-
пени, отделяющие два плоских участка поверхности (террасы),
отстоящие на одно или несколько межатомных расстояний. С этой
точки зрения поверхность устроена, как лестница, с той, однако,
существенной разницей, что ступени, ведущие вверх, встречаются
так же часто, как и ступени, ведущие вниз. Ни подниматься, ни
опускаться по такой лестнице нельзя. Второе важное отличие
заключается в том, что ступень не обязательно проходит от края
до края лестничного марша, а может начинаться и заканчиваться
в местах пересечения поверхности дислокационными линиями.
На поверхности кристалла, находящегося в равновесии с га-
зовой фазой, имеются адсорбированные атомы, плотность которых
определяется соотношением
па = поехр(—	(2.11)
где п0 = а~* — поверхностная плотность атомов; здесь а — меж-
атомное расстояние; Еа — энергия адсорбции.
Сложный рельеф поверхности кристалла, наличие на ней раз-
личных положений приводит к тому, что на поверхности имеются
атомы, отличающиеся различным числом соседей и энергией
связи.
Адсорбированные атомы на поверхности очень подвижны.
Образно говоря, они катятся по поверхности, как шарики, сме-
щаясь в элементарном акте на расстояние, во много раз превышаю-
щее межатомное, поэтому такой способ передвижения и получил
название механизма «перекати-поле».
Когда вдоль поверхности кристалла мигрируют не собственные
атомы, а примесные, перемещение по механизму «перекати-
поле» затруднено, если имеется большая энергия взаимодействия,
т. е. большая теплота адсорбции. Однако диффузия атомов не
прекращается, она идет по механизму твердофазного растекания
примеси по поверхности, так называемому механизму «развер-
тывающегося ковра». Процесс заканчивается, когда атомы примеси
покрывают поверхность моноатомным слоем. С повышением тем-
46
Рис. 2,9» Зависимость коэффициента диффузии L)
(см2/с; технеция в вольфраме:
1 ** р объеме кристалла; ? —* вдоль границ верея: J? —
по свободной иоперяное?в
лературы величина адсорбции падает и
определяющая роль может опять перейти
от механизма «развертывающегося ковра»
к механизму «перекати-поле».
Благодаря поверхностной диффузии
происходит залечивание царапин, разви-
тие межзеренных канавок, припекание к
поверхности находящихся на ней частит
и т. д. Движущей силой процесса явля-
ется стремление системы уменьшить сво-
бодную энергию: естественно, что важ-
ную роль играет поверхностное натя
жение. Перенос происходит под влиянием градиента химического
потенциала атомов, зависящего от поверхностного натяжения и
кривизны в данном месте.
Как правило, диффузионный поток приводит к сглаживанию
рельефа вследствие переноса вещества из выпуклых к вогнутым
участкам, если макроскопическая пегладкость является един-
ственным признаком, который определяет отклонение поверх-
ности от термодинамического равновесия. Если на поверхность
выходит межзеренная граница или дислокация, то может быть
термодинамически выгодным и удаление рельефа, при котором
исчезают участки границы или дислокационной линии. Экспе-
риментальные результаты по исследованию поверхностной, гра-
ничной и объемной диффузии показывают, что энергия активации
процесса поверхностной диффузии является наименьшей из всех
трех процессов (Еп < £г < £). Температурные зависимости всех
видов диффузии (в объеме кристалла, вдоль границы зерен и по
свободной поверхности) представлены на рис. 2.9.
§ 3. ДИФФУЗИЯ в СТЕКЛЕ И КЕРАМИКЕ
Диффузионную сварку стеклообразных и керамических
материалов с металлами можно рассматривать с позиций спека-
ния в твердой фазе, когда в зоне контакта под давлением обра-
зуются мостики схватывания, а процесс залечивания образо-
вавшихся пор осуществляется при протекании диффузионных
процессов (рис. 2.10).
Движущей силой и энергетическим источником переноса ве-
щества диффузией является различие свободных энергий в месте
контакта зерен и на их поверхности, обусловленное наличием
дефектов. Чем больше дефектов на поверхности зерен, тем больше
во ве р х ноетна я энергия.
47
Рис, 2JO. Схема залотатния лор а зоне ей рка яри нротэклгяи дяффузионш;^
процессов;
I — ив «пчельной стадии в результате xSOcepxeoGxacfe дчффуггш; // нс ы» тьэчитечь-
tfoft стадии в результате объемной иЯффУзян
11оверхнеепкые дефекты способствуют развитию поверх ноет
ной диффузии и интенсифицируют перенос вещества на начальной
стадии твердофазного спекания; дислокации и другие дефекты
внутреннего строения кристаллов увеличивают объемную диф-
фузию.
На ранних стадиях сварки, когда мостики схватывания только
образуются, наибольшее значение в переносе вещества имеет
поверхностная диффузия, на более поздних стадиях и при повы-
шении температуры решающую роль играет объемная диффузия.
Площадь контакта является источником вакансий. Атомы или
ионы из зоны контакта переходят в пространство пор. а вакан-
сия — в перемычку. Образующаяся повышенная концентрация
вакансий в перемычке приводит к усадке системы при стоке ва-
кансий на границе зерен. Перемычка, увеличиваясь в размерах
за счет поглощения вакансий, заполняет поры. Первоначально
вытянутая пора уменьшается в размерах и постепенно приобре-
тает сферическую форму, а соединяемые детали па эту величину
претерпевают усадку. Диффузионные процессы в стеклах и окси
дах имеют некоторые особенности.
Значения коэффициентов диффузии в кристаллических окси-
дах так же, как и в металлах, меняются в широки?, пределах.
Полезно иметь примерное представ пение о том, каковы эти ве-
личины с точки зрения кинетики протекания процессов связанных
с диффузией. Одно из наибольших значений коэффициентов от-
носится к диффузии кислорода в двуокиси циркония. Это обуслов-
лено тем. что в этом кристалле, ввиду его особого состава, имеется
значительное количество вакансий ионов кислорода. В этом
случае при 1273 К значение коэффициента диффузии составляет
7-10’13 м2'с. Ксйффициент диффузии в MgO при 1773 К равен
6'1(Г15 м2/с что более типично для кристаллов керамических
оксидов при обычных температурах отжига. Измерения коэффи-
циента диффузии кислорода в А12О3 дают значение около IO"18 м2/с
при температуре выше 2073 К. Таким образом, в высокочистых
огнеупорных материалах. такт*х как (-кеч л - . з^и’.ил, ьиффу
шинные процессы протекают е достаточной скоростью только при
очень высоких температурах.
Протекание диффузии в стеклах и ее отличие от диффузии
• кристаллических твердых телах обусловлены иным строением
р« теток»
При охлаждении силикатного расплава с образованием стекла
пространственная решетка становится в переходном интервале
ючператур жесткой, но в ней остаются пустоты, в которых раз-
* -даются щелочные и щелочно-земельные ионы. При этих уело
и |ЯА подвижность ионов кремния очень ограничена, поэтому
v грация может происходить за счет более подвижных ионов
!• I: 4ОЧ вых металлов.
Наличие пустот в решетке приводит также к легкой диффу-
1 в стекле небольших атомов, таких, как гелий и водород.
। пресное явление, связанное с диффузией этих веществ, чаблкь
д тлев при изучении хода деформации стекол при растяжении.
Оказывается, что коэффициент диффузии возрастает, если па
• екло действует растягивающая нагрузка. Было предположи
ние, что некоторые из пустот уже имеющихся в стекле, расши-
|. лютея и переходят в микротрещины, когда стекло растянуто,
и что эти трещины обратимо залечиваются, когда напряжение
। нимается. Напряжения сдвига или сжатия не оказывают такого
действия па пустоты. Пары воды, гак же как и водород, раство-
ряются в силикатных стеклах в больших количествах и имеют
' них высокий коэффициент диффузии.
Стсклофаза керамики особенно важна в технологии сварки,
в скольку коэффициенты диффузии в материалах с неупорядо-
ченной, т. е. некристаллической решеткой, в общем на несколько
порядков величины больше, чем в кристаллических оксидах.
Следовательно, диффузионные явления в смеси, состоящей
и • кристаллов и стекла, идут в основном за счет стекла. Это зна-
ч что присутствие небольших количеств стекловидного вещества
в керамике оказывает сильное влияние на ход диффузионных
процессов в таком многофазной системе в целом. Изучение диф-
фузии в силикатных сз'еклах представляет поэтому большой
практический интерес с точки зрения технологии получения
. • единений многих керамических материалов с металлами.
У многих оксидов даже высокой чистоты на границах зерен
v .жег образоваться прослойка, близкая по строению к стеклу.
более толстая, чем у металлов (рис. 2.11). Таким образом,
I ;олне вероятно, что диффузия по границам у керамических
*• еериалов имеет большее значение, чем у металлов. Эю особенно
। । носится к огнеупорным оксидам, у которых объемная диф-
лия протекает медленно вплоть до очень высоких температур.
Твердофазное взаимодействие, происходящее в условиях диф-
-шовной сварки металлов со стеклом или керамикой, в отли-
от реакции в жидкой или газовой среде, складывается из
\ фундаментальных процессов, собственно химической реак-
49
Рис. 2.11. Микроструктура
пел и кор г (9Q.7% Л13ОЯ и
0.3% MgO)
или и переноса вещества к реакционной зоне. Так как массоперс-
нос осуществляется путем диффузии, а диффузионная подвиж-
ность частиц твердого тела зависит от дефектности его структуры,
можно ожидать существенного влияния дефектов на механизм и
кинетику твердофазных реакций, что и наблюдается в действи-
тельности.
Наибольшее внимание в литературе уделено исследованиям
диффузии щелочных ионов применительно к стеклам. Специа-
листов в области соединения металлов с неметаллами в первую
очередь интересуют вопросы диффузии в стеклах нещелочных
ионов. И в этой области опубликованных результатов исследова-
ний значительно меньше. При исследовании диффузионных про-
цессов нещелочных ионов использовали сложные технические
стекла самых разнообразных составов, поэтому полученные дан-
ные практически не поддаются систематизации и имеют в основ-
ном прикладной характер.
Многочисленными экспериментами подтверждено, что преиму-
щественно в стекло, а также в стеклофазу керамических материа-
лов диффундируют не нейтральные атомы, а в основном ионы
металлов (Cu\ Ag+, Аи+). В этом случае при наличии в стекле
одновалентных ионов щелочных и щелочно земельных металлов
превалирует диффузия одновалентных ионов нещелочных ме-
таллов. А поскопьку ионы натрия и калия имеют наибольшую
подвижность, го они и обеспечивают протекание обменных про-
цессов.
Диффузионная подвижность ионов в керамических материа-
ла? гак или иначе связана с электропроводностью. Наложение
электрического поля на ионный кристалл приводит к направлен-
ному перемещению зарядов. Перемещение электрических зарядов
в ионных структурах осуществляется, как правило, за счет ионов,
имеющих небольшой аиаметр. Например, в стеклах такое пере-
50
мещение осуществляется в основном за счет ионов щелочных и
щелочно-земельных металлов, в то время как каркас из тетраэдров
кремнезема остается неподвижным.
При повышении температуры подвижность всех ионов в ре-
шетке возрастает, поэтому электропроводность ионных кристал-
лов и стекол соответственно растет.
Представление о процессах, происходящих при наложении
внешнего поля, позволяет оценить характер и механизм пере-
мещения ионов и проследить влияние их на различные структур-
ные превращения, а также на процесс взаимодействия металли-
ческой решетки в контакте с ионной. Поэтому рассмотрение во-
просов электропроводности керамических материалов имеет боль-
шой не только теоретический, но и практический интерес.
§ 4. ТОПОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПРИ
ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ
Топохимические реакции протекают с участием твер-
дых веществ и локализованы на поверхности раздела твердых фаз.
Диффузионная сварка осуществляется главным образом при тем-
пературах 0.6—0,8Тпл наиболее легкоплавкого компонента, по-
этому контактирующие вещества находятся в твердом состоянии
и взаимодействие между ними развивается по законам твердо-
фазного взаимодействия.
Наиболее, очевидно, химизм взаимодействия проявляется при
диффузионной сварке металлических материалов с неметалличе-
скими, когда в контакте встречаются твердые материалы с раз-
личными типами химической связи (ионной, ковалентной, ме-
таллической).
Особенность протекания реакций между твердыми телами
обусловлена упорядоченностью структуры твердого тела, суще-
ствованием различных типов кристаллической решетки, границ
раздела фаз исходных материалов и продуктов взаимодействия,
а также малой скоростью процессов массопереноса.
Большинство твердых тел имеют ограниченную взаимную
растворимость, что приводит к изменению в ходе диффузионной
сварки фазового состава в переходной зоне. При этом возможно
появление как новых фаз, так и фаз промежуточного состава.
Появление новых фаз в значительной мере влияет на скорость
реакции, сопровождается, как правило, объемным эффектом,
что вызывает рост внутренних напряжений.
Топохимические реакции протекают на границе раздела соеди-
няемых материалов и начинаются в отдельных точках и посте-
пенно захватывают всю поверхность. Локализация и скорость
роста центров может определяться диффузией, например, при
окислении или при диффузионной сварке металлов со стеклом
или керамикой.
51
Специфика топохимических реакций заключается в гом, что
поверхность раздела контакт ируемых материалов формируется
в результа* е самой реакции и изменяется во времени, поэтому
топохимические реакции обычно протекают нестационарно. Для
твердофазного взаимодейс гви я характер но нал и чие и нду кциоп-
ного (инкубационного) периода» в течение которого в реакцию
вступают наиболее активные участки поверхности контактирую-
щих материалов, например участки выхода свежих дислокаций
или зоны скопления примесных атомов и г д.
Неравновесные дефекты на поверхности соединяемых материа-
лов. В основе теории топохимических реакций лежат представ-
ления о возникновении и развитии зародыша на активном центре.
Модели зародышеобразования основаны на предположении, что
лимитирующей стадией твердофазного взаимодействия является
образование продукта на активных центрах и дальнейший их
рост. В качестве активных центров могу! выступать различные
поверхностные дефекты (дислокации, примесные атомы, заро-
дышевые микротрещины и др.). Третьяков Ю. Д. дал окределе.
ние нормального активного состояния твердых тел.
Нормальным принято называть состояние твердых тел, де-
фектность которых обусловлена собственной разупорядоченностью
решетки, являющейся однозначной функцией параметров со-
стояния .
Активным называют состояние твердых тел, характеризую-!
щееся наличием неравновесных дефектов, которые могут быть раз-1
личпы по своей природе и по-разному влиять на реакционную
способность твердых тел.
Мерой активности поверхности твердых тел может являться
избыток ее энергии Гиббса по отношению к поверхности тожде*
ственного состава, находящейся в нормальном состоянии:
—Г ^ЙК7»
где Ghopm и Сэкт энергия Гиббса поверхности в нормальном
и активном состоянии.
Для опенки активного состояния поверхности твердых тел
существует несколько методов» которые разделяют на интеграль-
ные и дифференциальные.
Интегральные методы дают возможность количественно или
качественно оценить общую величину избыточной энергии Гиббса.
Применение же дифференциальных методов позволяет получить
информацию о конкретных источниках повышенной энергии,
т. е. о типе элементарных нарушений» обусловливающих активное
состояние.
Один из таких методов общего активирования реагентов
связан с изменением их химической предыстории, т. е. способа
приготовления или обработки. Так, активация твердых тел, будь то
металлы или неметаллы, может достигаться окислительно-вос-
становительной обработкой. f- результате проведения которой
удается зафиксировать несовершенства структуры, генерируемые
как при скистении, так и при восстановлении. Возможно также
повышение общего уровня активности материалов путем облу-
чения их различными видами высоких энергий. Все эти виды
обработки позволяют существенно повысить активность соеди-
11 я емы х ма те р на л о в
В подавляющем большинстве случаев повышение активности
Соединяемых материалов связано с возникновением дефектов,
природа и концентрация которых определяют поведение реагин-
ов в любых твердофазных процессах, будь го химическая реак-
ция, спекание, кристаллизация в чистом виде или более сложное
явление — диффузионная сварка. Рассмотрение образования кон-
крегных неравновесных дефектов в зоне соединения металлов
неметаллами позволяет произвести дифференциальную оценку
роли элементарных нарушений на возникновение активно! о
п-нгра и развитие на его базе очага взаимодействия
В случае протекания топохимических реакций при диффу
'ионной сварке в зависимости от особенностей механизма реакций
существенное влияние на скорость могут оказывать не все. а ка-
* ая-го одна группа дефектов. Так, при сварке кристаллических
.териалов, особенно монокристаллов, одним из активных цен-
тров могут служить поля упругих искажении, возникающих
в местах выхода свежих дислокаций и их скоплений или пачек
скольжения в окрестностях деформационного выступа
В ьолякристаллических материалах наиболее активными яв-
ляются границы зерен, имеющие большую разориецтировку ре
метки и, как правило, повышенную концентрацию примесных
«томов.
Активными центрами на поверхности аморфных веществ могут
служить неравновесные дефекты, внесенные в поверхностный слой
различными видами обработки или созданными в процессе сварки.
пчним из таких неравновесных дефектов в стекле могут быть по-
•ерхностные зародышевые микротрещины, которые сосредото-
чим в так называемом «трещиноватом^ слое толщина которого не
превышает 1,0—1,5 нм. Величина «трещиноватого’ слоя связана
предшествующей механической обработкой Возникновение
трещиноватого» слоя оказывает влияние не только на проч-
ностные характеристики стекла, но и определяет степень его
реакционной активности, поскольку взаимодействие, например,
1ЛЮМННИЯ g поверхностью кварцевого стекла начинается в местях
разрыва валентных связей в вершинах зародышевых микро
ещин.
Экспериментально подтверждено, что возникновение очагоь
•^рождения топохимических реакции неразрывно связано также
технологическими параметрами процесса сварки температурой,
влением и временем. Так, установлено, что на количество
лагов определяющее влияние оказывает сжимающее давление
м выше давление тем больпк очагов) Гемг»с;>с,»ур< и врем
сварки оказывают влияние главным образом на степень их раз-
вития и несущественно сказываются на росте их количества-.
Механизм и кинетика реакций в твердом состоянии. При диф-
фузионной сварке соединение образуется в твердом состоянии,
поэтому реакции между твердыми веществами могут происходить
только на границе раздела. Одним из условий непрерывности
протекания топохимических реакций является необходимость
транспортировки реагирующих исходных веществ в активную
зону. Таким процессом, обеспечивающим постоянный приток
новых реагентов, является диффузионный массоперенос.
Важнейшей характеристикой топохимических реакций, будь то
реакция присоединения (2.13) или замещения (2.14). является
образование новых фаз — продуктов реакции. Характер и коли-
чество этих фаз в значительной степени определяет свойства свар-
ных соединений*
АО 4- ВПРАВО/,	(2.13)
А 4 ВО АО 4 В.	(2.14)
Для реакций типа (2.13) характерной особенностью является
образование одной фазы продукта. Этот вид взаимодействия
типичен для сварки металлов через слой оксида с керамикой
или стеклом. Кристаллические структуры реагентов и продуктов
относительно просты, как правило, известны физические и хими-
ческие свойства этих веществ. Подобные реакции характерны для
образования различных шпинелей, силикатов, алюминатов и т. п.
двойных оксидов. Механизм протекания этих реакций достаточно
общий. После миграции катионов из одного реагента к поверх-
ности другого процесс лимитируется скоростью диффузии через
затрудняющий слой (продукт взаимодействия). Механизм этого
процесса подробно рассмотрен К. Хауффе.
Так, при изучении А1—Mg-шпинели было установлено, что
скорость ее образования определяется подвижностью ионов
в шпинельной фазе. К. Хауффе предложил, что образование
шпинели происходит путем диффузии ионов Mg®* и А13+ в противо-
положных направлениях, а ионы О2“ практически неподвижны.
В пользу этого предположения говорит отношение размеров ионов:
= 0,078 нм: гАн+ -= 0,057 нм; Го- = 0,132 нм. Реакции
на границах фаз при образовании шпинели следующие:
4ALOS — 2АР+ + 3Mg2+ - 3MgAl2O4;
4Mg6 — 3xMg2+ + 2A1S* = MgAl3O4.
Реальное взаимодействие, по-видимому, сложнее, чем пред-
ставленное стехиометрическими уравнениями, поскольку кон-
тактирую'; много компонентные системы и в зоне сварки могут
происходить образование твердых растворов, окисление или вос-
становление одного из реагентов.
Вторая реакция типа А 4- ВО -> АО 4- В является частным
случаем реакции замещения более благородного элемента менее
□ла!сродным. 3wt ни ; «заимодейс вия находит в последние годы
гтаточно широкое использование, особенно при диффузионной
сварке алюминиево-мдгниевых сплавов со стеклом и керамикой.
Примером наиболее изученного механизма протекания подобных
реакций может служить восстановление хлористого серебра
*1ью Механизм взаимодействия при этой реакции показан на
рии 2.12, Полученные выводы, по-видимому, с определенной
сгпиеныо достоверности могут быть распространены и на другие
подобные реакции, протекающие между металлами и оксидами
условиях твердофазного взаимодействия.
Так, по аналогии можно пред' .«вить и механизм взаимодсй-
твия между алюминием и кремнеземом (рис. 2.13), когда на гра-
нице раздела идет реакция замещения кремния алюминием в крем-
не'еме. Образующийся в результате восстановления кремний
пстворяегся в алюминии и только после достижения предела
гвори мости может произойти распад пересыщенного раствора
выделением новых фаз. Такая схема может быть реализована
р условиях диффузионной сварки чистых материалов, например
при сварке кварцевого стекла через промежуточную прокладку
из алюминия.
Отличи тельной особенностью протекания топохимической ре-
щи и присоединения от реакции замещения при диффузионной
«’варке является то, что в первом случае взаимодействие осуще-
твляегея между оксидами металла, созданными искусственным
путем на его поверхности, с оксидами стекла и керамики, а во
втором в контакт вступает чистый металл со стеклом и керамикой.
В первом случае реагирующие компоненты имеют ионное строе-
ние, характеризующееся, как правило, меньшей диффузионной
подвижностью по сравнению с металлами. Поэтому реакция за-
мещения, протекающая между металлом и оксидом стекла и ке-
рамики, имеет потенциально более высокие кинетические ха рак-
Рис. 2.12. Схема восстановления
хлористого серебре, мелью
ния алюминием в кремнеземст
растворение продуктов
лб|»а,4СГ*8НН'' ЙОГОЙ фзл*2
55
Таблица 2.1
Схема маршрутов топохимических реакций, указывающая на связь
с кинетическими характеристиками
Реакция
Моаянизм
Кинетические лар ^кт^ряслнки
Присоединения
АО 4- ВО-* АВО
Замещения
А г ВО-> АО 4- В
Зарождение очагов, рост
очагов, образование тор-
мозящего слоя или труд-
норастворимых продук-
тов
Зарождение очагов, об-
разование твердых рас-
творов продуктов и ис-
ходных веществ, распад
твердого раствора
Характерно образование
тормозящего реакцию слоя;
с корость контэол и р уетс я
диффузией через образую-
щийся сдой
X арактерно рэсгзорение
продуктов реакции; ско-
рость реакции не замедляет-
ся
котику взаимодействия металлов с неметаллами при диффузион-
ной сварке с позиций особенностей маршрутов диффузионных
потоков, участвующих в переносе реагирующих веществ. Схема
маршрутов реакций с кинетическими характеристиками приведена
в табл. 2.1.
Как было показано ранее, топохимические реакции возни-
кают на активных центрах путем зарождения и развития очагов
взаимодействия. В первоначальный момент образования очагов
взаимодействия скорость топохимической реакции невелика, но
по мере их роста повышается и скорость реакции. Растущие очаги
взаимодействия расширяются независимо друг от друга и пере-
секаются с образованием единого фронта реакции. Этот этап сварки
соответствует максимальной скорости взаимодействия металлов
с неметаллами. Когда фронт реакции охватывает всю или почти
всю поверхность соприкосновения деталей, скорость топохими-
ческой реакции стабилизируется. До этого момента развитие
реакций присоединения и замещения осуществляется по близким
закономерностям. С завершением образования единого фронта
взаимодействия для реакции присоединения характерно образо-
вание тончайшего слоя нерастворимых или труднорастворимнх
продуктов взаимодействия, так называемого тормозящего слоя]
В дальнейшем скорость реакции присоединения будет зави-
сеть от диффузии реагирующих веществ через вновь образованный
продукт взаимодействия. В связи с тем, что диффузионные про-
цессы в неметаллических материалах протекают медленно, ско-
рость реакции резко уменьшается. Изменение скорости реакции
присоединения может иллюстрироваться кинетической кривой
(рис. 2.14), которая отражает изменение концентрации реаги-
рующих веществ во времени.
Указанная реакция присоединения протекает при диффузи-
онной сварке большей части переходных металлов и подгруппы
56
z. i 4, Изме he н не кон цен Vpaun и
1кчц ства А при прогекинии реакции
Присоединения
Рис 2 15» Изменение с renew и прей*,
кь мия вещества Д но реакции Заме-
щения
мечи через низшие оксиды с кварцевым стеклом, керамикой
ВКС|4-1 и другими материалами. 11ри этом в зоне соединения
н-ледствие малой растворимости продуктов реакции образуются
вдоль фронта взаимодействия тончайшие слои, в которых сосре-
доточены труднорастворимые продукты взаимодействия. Поэтому
скорость реакции лимитируется транспортировкой реагирующих
компонентов через этот слой. В связи с тем, что скорость продви-
жения ионов при диффузионной сварке невелика, скорость реак-
ции замедляется. На этом процесс формирования соединения
но реакции присоединения заканчивается и дальнейшее увеличе-
ние времени сварки несущественно влияет на прочностные свой-
ства сварных соединений.
Непереходные металлы (Al, Mg. Be) и сплавы на их основе
«"• нмодействуют с большинством стеклообразных и керамиче-
ских материалов по реакции замещения.
В отличие от реакции присоединения реакция замещения при
образовании единого фронта взаимодействия не замедляет свою
скорость, а продолжается с максимальной скоростью, характер-
ной для конкретного случая. Это происходит потому, что продукты
реакции, как правило, растворимы в соединяемом металле. В связи
с этим происходит постепенное накапливание продуктов реак-
ции, и если металлическая деталь имеет ограниченные размеры,
например является тонкой прокладкой, то концентрация раство-
ренных веществ может достичь такого предела, когда произойдет
распад пересыщенною твердого раствора. Этот процесс может
выть проиллюстрирован кинетической кривой на рис. 2.15.
Понятие степени превращения существенно отличается от по-
нятия концентрации. Если концентрация компонента при опре-
деленных давлении и температуре сварки однозначно характе-
ри <ует систему, то степень превращения не является однозначной
характеристикой гетерофазной системы при фиксированных пара-
метрах состояния. Действительно степень превращения может
быть одинаковой в разнообразных системах идентичного состава
отличающихся структурой реакционной зоны, в которой перво
начально возникает, а в дальнейшем накапливается продую
реакции
Характерным примером взаимодействия металлов с неметал-
лами может служить реакция замещения кремнезема алюминием.
Так. при соединении кварцевого стекла через алюминиевую проч
кладку происходит замещение кремния в кремнеземе. В алюми!
ние.вой прокладке происходит постепенное накопление продух го
взаимодействия, и когда их концентрация досыпает предел!
растворимости, происходит
гвора, сопрфвождающийся
распад пересыщенного твердого рас
выделением новых фаз, кремния j
окси да алюминия.
Для малых толщин промежуточных прокладок при одинаковых
режимах сварки предельная концентрация достигается значив
гельно раньше, чем для более толстых прокладок. С технологичен
с кой точки зрения доводить процесс сварки до образования
пересыщенного твердого раствора недопустимо, поскольку проиен
ходит оазупрочнение соединения вследствие того,, что выделив^
шнеся в зоне соединения кремний и оксид а.,ыоминия обладают
низкой пластичностью и несогласованными коэффициентами ли-
нейного расширения, что ведет к возникновению в зоне сварка
больших остаточных напряжений, которые резко снижают проч-
ностные свойства соединений. Поэтому изучение кинетики про-
текания реакции замещения позволяет определить оптимальную'
степень ее развития, соответствующую максимальной прочности
сварки, и зафиксировать ее на этой стадии.
Метод математического исследования. использованный для
решения уравнений химической кинетики разложения твердых
веществ, может успешно применяться и для описания процессов
взаимодействия металлов с оксидами керамических материалов
при диффузионной сварке:	I
а == 1 — ехр (—Л"т"),
(2.15)
где а — степень превращения вещества; К — константа скорости!
реакции, зависящая от природы вещества, наличия очагов реак-®
ими при г — 0, формы зародышей и числа промежуточных стадий I
в процессе образования активных центров.
Значение п может быть больше или меньше единицы в зави-И
еимости от характера процесса. Для реакции, протекающей®
в начальной стадии сварки, n > J; для реакции, скорость которой®
лимитируется процессами диффузии через твердый продукт,II
п < 1 При п = 1 протекает реакция первого порядка. Так, для у
реакции присоединения при образовании нерастворимого продукта
значение п изменяется во всем диапазоне от п > 1 до п < 1,
а для реакции замещения при наличии растворения продуктов I
взаимодействия п изменяется в тех же. пределах, однако при рас-
иялр п 'пегы1пенного твердого раствора г. < О
58
2Л6. Кинетика изменения прог-
ости сварного соединения корундо-
ой керамики с коваром при различ-
>й тем перату ре , К:
1373: 2 — 1273: 3 — 1223
Рис. 2.i7 Кинетика изменен ня проч-
ности соединений кварцевых стекол,
полученных через алюминиевую фоль-
гу толщиной 50 мкм, в ^авиглмости
от обработки стекла:
/ полпроьаиий я травление; 2 - волн*
роиояае; 8 шлзфоианяе
Уравнение (2 15) часто используют для исследования кине-
тики образования соединения материалов в твердом состоянии.
Исходя из положения, что прочное соединение образуется путем
зарождения и последующего роста очагов взаимодействия с обра-
зованием впоследствии единого фронта реакции, получено кине-
тическое уравнение прочности:
^П18Х
I — ехр (- - /< т';),
(2-16)
где ot — реальная прочность соединения; oniav — максимально
возможная прочность; К константа роста прочности, которая
зависит от скорости образования физического контакта, скорости
зарождения активных центров и скорости изотропного роста
о чагов взаимодействия.
После двойного логарифмирования получаем уравнение вида
In
—’ in ( 1 —
— п !п К -г- п In t -4
п In с,
(2.17)
.второе удобно для анализа экспериментальных данных. Кинети-
ческие кривые прочности в координатах In — ln^ 1 - - — \ | — In I
должны представлять собой прямые с тангенсом угла нак тони
равным п.
На рис. 2.16 представлена кинетика роста прочности соеди-
нений ковара с корундовой керамикой, полученных диффузион-
ной сваркой в вакууме при различных температурах сварки.
Б логарифмических координатах кривые удовлетворительно ли-
неаризируются, что свидетельствует, по-видим эму о развидни
одного механизма топохимической реакции а именно о проте-
кании реакции присоединения с образованием труднорзствори-
мл го про т у Kq а бзй 51 моде f с: ч w с котор г р* об р а юьа чин i , ->
фг>.)Н1. реакции приводит ь разделению реагирующих компонен-
тов и замедляет тем самым реакцию, делая ее зависимой с- ско-
рости диффузия реагентов через продукт реакции. Эта скорость
ма..« даже .три относительно высоких температурах.
На рис 2.17 показана кинетика изменения прочности соеди-
нений кварцевых стекол, полученных через алюминиевую про-
ка |Дку. На рисунке видны резкие перегибы, что свидетельствует
о двухсгадийпости процесса сварки. На первой стадии проис-
ходит ооравозание очагов взаимодействия, их разрастание с по-
следующим образованием единого фронта реакции На второй
гг-дии :лсдует прекращать процесс снарки, поскольку при до-
. т-'кенци предела растворимости происходит распад пересыщен-
ного твс'1 доги раствора с выделением новых фаз, что приводит
к разупиочненвю соединения.
Факторы, влияющие на скорость твердофазных процессов.
Диффузионная сварка, как разновидность сварки давлением,
может быть описана с помощыс законов твердофазного ьзаимо-
действк.. пос колы у материалы в процессе соединение находятся
в твердим состоянии. 1 тесном контакте и достаточно продолжи-
тельное вр«. ля. При анализе необходимо учесть в'е факторы су-
щественно влияющие па кинетические характеристики процесса
сварки. Ошибочные пр д -давления о доминирующей роли тех
< ли инь.,-: факторов в формировании сварного соединения, но-
сат донат - гости их ‘Здействия на процесс могут привести
ложным представлениям и ошибкам при разработке ’•ехзюлоги-
че.коп процесса Факторы, которые должны рассматриваться
при разработке технологии диффузионной сварки, особенно, раз-
неродных ^ета.1 личесоих и неметаллических материалов пере-
чне лечь ’ и>1 е.
 Ног б хоти мо учитывать возможность того» что в зоне соеди-
нения МОЛ<С1 В(. никнуть	продуктов взаимодействия
А АД>- . ./А ХВ /В. которые являются, как правило» барьерами.
? ма^сообменпых рсаы'иях.	I
2 II зссь г ног юбразия возможных процессов необходимо
опре ши ли'-ч* гчрующук стадию например адсорбцию, обра-
•вани1 физическ- i .1 контакт: , перенос вещества за счет диффу-
зии, вьп.е :ени( з"ой фа ъг и т. д При этом необходимо учиты-
вать 4io and iitзируемыи фактор может в процессе взаимодей-
1’5ия 3! зникат достигать максимума эгрфекта и исчезать в силу
г.агпх либо jipi’U'f
3 рация реагирующих веществ к реакционной зоне,
*акж<‘ • срез iiee может нриве<ти к значительному градиенту
Кинциг рацвм  переходной зоне
4. Миграция р^агноующь компонентов може1] происходить
чс » Лл< единым нутя -1, границам '4ерен, скоплениям ло-
ь^л.ьаых дефектог. решетки. Рост повой фазы продукта может!
• .	. 4ТЪ< г Перестройкой решетки с последующим затруд-]
ч - itfhv-,-..  а зип нг ь гзьгпорта
• Возникновение тока «юных напряжений можег привести
Н возникновению трещин, которые могут снизить общую проч-
ность соединения, а другой стороны, могу г вызвать повыше-
ние активности в протекании процессов взаимодействия.
6 Фактор, контролирующий скорость реакции, может ме-
няться в зависимости от температуры, времени и степени образо-
вания продукта взаимодействия На ранних стадиях реакции
Между двумя разнородными твердыми веществами стадией, лимн-
Гирующей скорость формирования соединения, может
быть ад-
фбция на поверхности, поверхностная или граничная диффузия
•дпого или нескольких реагирующих веществ через границу
|м. тела. На разных этапах взаимодействия самый медленный
Процесс будет определять скорость формирования соединения,
г Начальное формирование контакта и зарождение очага взаи-
м<> .стзия будет легче всего начинаться в местах физического
Koi акта между реагентами Д и В При низких температурах этот
Пр< есс быстро затухает по двум причинам. Во-первых, доступ-
н । । площадь физического кон га к га составляет малую долю от
Полной поверхности. Во-вторых, объемная диффузия может быть
|> !гек гивной лишь при высоких температурах, а если в зоне кон-
ги к га возникает продукт взаимодействия, го это дополнительно
Юрмозит транспорт реагентов в реакционную зону.
При прохождении твердофазной реакции А В АВ, в ко-
торой частицы вещества А более подвижны, чем частицы ве-
ще- ва В, скорость взаимодействия контролируется диффузией
компонентов А и В через затрудняющий слой АВ. В этом случае
Ирк щолагаегся. что компоненты менее .ермослабильного bci
(•»••: ♦ А будут мигрировать но иозерхнозти другой > твердого ве
|щчтвй В, Эти ионы являются хемосорбированными как п i первой
стадии образования продукта, так и в последующем процессу
углубляющем внешние слои внутрь крист; лличеслой решетки,
ин? приводит к образованию продукта в объеме.
7 Контактное плавление. Начавшийся процесс i гчердон Ла .
мг > ж ст при о п р е дел ей н ы х у с л о в и я х в зоне ком га к г а об р а зо в а -
К'-1.кую фазу, которая, просуществовав эпгс деле иное иремя
К дменту завершения процесса, вновь может ясчс шуть. Наиболее
ча это явление встречается при цифйузионнон сварке разно
ридпых металлов, но и не исключено при взаимодейггв и ne'i илов
с г гемета л л ичес к и м и м атер в ал амп
11 р имерами испод ьзова ни я контактного пл а в ген и я	i . а кже
I жить контакт но’реакгивная пайка, скованная на прово-
гш .овании двух актов: появлении в контакте между пр. жатыми
Apvr к другу деталями жидкости и последующем акте к рис галл и
4ИЦИИ этой жидкости, приводящем к монолипк w соединению
Большую роль контактное плавление играеч г юрою ко вой
мс:аллургии. Спекание частиц в присутствии жидкой фазы начи-
нается с контактного плавления разнородных nopi • *^ноч, что
Г" золаст ПОВЫСИТ:- а'И-'Лг-О ДПСК Н МЫХ ' .
Появление жидкой фазы возможно также при контактных
процессах между металлами и неметаллами. Так, при взаимо-
действии магния с сапфиром (А12О3 4 3Mg 3MgO + 2А1) воз-
можно обогащение переходной зоны алюминием с образованием
легкоплавкой у-фазы Mg4Al8. Поэтому процесс, первоначально
начавшийся между материалами, находящимися в твердом со-
стоянии, переходит в реакцию с участием жидкой фазы.
Появление жидкой фазы ускоряет массообменные процессы,
поэтому кинетические характеристики реакций резко возрастают.
8.	Твердофазное взаимодействие с участием газообразных
фаз при диффузионной сварке также достаточно частое явление.
Например, использование карбонильных соединений никеля, же-
леза, кобальта и других металлов с целью получения в зоне сварки
высокоактивных порошков путем термического разложения кар-
бонилов по реакциям	(
Men (CO)m nMe + mCO f .	(2.18)
Находят применение на практике также процессы разложения
гидридов металлов, например титана и циркония, которые терми-
чески малоустойчивы и в результате разложения в зоне сварку
мы можем получить высокоактивные металлические порошки с вы-
сокой степенью активности (например, TiH4 -> Ti + 2Н2 j ),
В ряде случаев необходимо учитывать газы, выделяющиеся в про-
цессе разложения твердых веществ. В частности, СО может слу-
жить источником науглероживания контактной зоны, а водород
активно растворяется большинством металлов, что может пони-
жать пластические свойства материалов (Водородное охрупчи-
вание).	I
9.	Саморазогрев. Твердофазное взаимодействие при диффу-
зионной сварке химически активных металлов (Al, Mg, Be и др )
с неметаллическими материалами (оксидами, нитридами, карби-
дами) может идти с значительным термическим экзоэффектом.
Без учета этого явления процесс взаимодействия может выйтй
из-под контроля и за счет самор асп ростр а няющегося высоко-
температурного синтеза приведет к лавинообразному ускорению
химических процессов, что, как правило, сопряжено с выделе-
нием новых фаз, ростом напряжений в контактной зоне и, как
следствие, снижению прочности сварного соединения.	1
10.	Необходимо также учитывать ряд дополнительных фак-
торов, влияющих на кинетику: размер зерен, состояние кон-
тактных поверхностей, степень дефектности, предварительную
обработку, окружающую атмосферу и др.
Термодинамика твердофазного взаимодействия. Термодина-
мика — наука о наиболее общих свойствах термодинамического
равновесия и о процессах перехода между этими системами.
Система, рассматриваемая в условиях диффузионной сварки,
далека от термодинамического равновесия и в результате проте-
кания сварки она не становится полностью равновесной Рас-
62
смотрение и описание подобных систем осуществляются с помощью
термодинамики неравновесных процессов, ее также называют
термодинамикой необратимых процессов
Классическая термодинамика дает полное количественное
описание равновесных (обратимых) процессов. Для неравновесных
процессов она устанавливает лишь неравенства, которые ук пи-
нают возможное направление этик процессов. Основная задача
термодинамики неравновесных процессов — количественное изу-
чение неравновесных процессов, в частности определение ско-
рости неравновесных процессов в зависимости от внешних усло-
вий. Такими внешними условиями при диффузионной сварке
являются давление (Р), температура (Г), объем (И*
С помощью термодинамических потенциалов можно охарак-
теризовать состояние термодинамической системы (Н — энталь-
пия, U — внутренняя энергия и ее изменение, S — энтропия,
Г — свободная энергия, G — энергия Гиббса). Термодинамиче-
ские потенциалы связаны друг с другом соотношениями:
H — U 4- PV (для переменных Р и
F — U — TS (для переменных Т и V); >
G — Н — ГS (для переменных Т и Р), t
(2.19)
Метод термодинамических потенциалов, созданный американ-
ским физиком Дж. У. Гиббсом в 1874—78 гг., основан на совмест-
ном изменении 1-го и 2-го начал термодинамики и позволяет ио-
луч и гь ряд важнейших термодинамических соотношений между
различными физическими параметрами системы.
Термодинамический анализ при изучении процессов взаимо-
действия в условиях диффузионной сварки является важным
инструментом при определении условий протекания той или иной
топохимической реакции.
Взаимодействие металлов с керамикой, стеклом или ситаллом
возможно по реакции замещения или присоединения. Уравнение
реакции может быть записано в общем виде:
аА + ЬВ гР : sS.	(2.20)
Изменение энергии Гиббса можно определить из соотношения
AGr = |r(AGH) + 5(AGS)I - la(AGJ -|- ft (AGJ). (2.21)
Для свободных элементов таблицы Д. И. Менделеева изменение AG
принято за точку отсчета и приравнивается к нулю:
4А1 + 3SiOa2А1гО3 f-3SL	(2.22)
При Т “ 1000 К AGl000K = 2 (ДСд1аоа) — 3 (AGgfoa) ~
—639,3 к Дж/мол ь.
Значение энергии Гиббса устойчивых оксидов при определен-
ных температурах — это табличные величины, которые внесены
во многие справочники. Отрицательное значение энергии Гиббса
свидетельствует о возможности протекания этой реакции слева
направо при данных условиях, т ? при чанной температуре
т а блица 2.2
Взаимодействие металлов с кремнеземом п<* реакциям присоединения и заме щей и
Тип зле- ментэ	Ме?/ллл	Оксид	•—Дб, кДж/моль, при T -» 1000 к	Реакция
J	Си	CuaO	185Л	а МЮ b SiOs —*
d	Ni	NiO	298,4	
d	Мо	MuOfi	392.9	► с
d	W	wo,	400,4	
	Li	LUO	883,4	a Ale -f- t iSiOjs —
р	Al	A-igOg	906,2	
5	Mg	MgO	968,8	“* с	-j- d Si
3	Be	BeO	1002,8	
Термодинамический анализ взаимодействия керамических ма-
териалов на основе оксида алюминия с оксидами переходных
металлов и меди показывает возможность протекания реакции
присоединения, например:
NiO + A12Os-> NiAl2O4, ДС120()К - —21,74 кДж/моль; (2 23]
СоО 4- А12О3 -> СоА1аО4, AG121i0K == —20,48 кДж/моль; (2.24)
СийО + А1аОи -* CusA12O4, ДС1Я)0К = —16,72 кДж/моль (2.25)
Следует отметить, что
наиболее интенсивно протекают ре<
акции оксидов с элементами или их оксидами, отстоящими друг
от друга в ряду активности на большом расстоянии. При аналкз!
взаимодействия металлов с многофазной керамикой термоди-
намические расчеты следует вести относительно наименее ynopaj
доченной структуры. Так, при наличии в керамике стеклофазы
взаимодействие осуществляется главным образом через нее. Апая
лиз процессов взаимодействия металлов с керамическими матеи
риалами показал, что механизм связи большинства d-элементов
осуществляется через низшие кислородные соединения этих меГ
галлов, которые и обеспечивают постепенный переход от механик
ческой решетки к оксидным структурам стекла и керамики, а ма
таллы, относящиеся к s- и /^-элементам, в контакте с керамикой
не имеют переходной зоны.
Проведенные металлографические и структурные исследова
ния, а также выполненные термодинамические расчеты энерги!
Гиббса реакций взаимодействия различных металлов и их оксидов
с кремнеземом позволили систематизировать характер этоп
взаимодействия (табл. 2.2).	j
Отсюда следует вывод о том, что для соединения металлов
находящихся в верхней часта таблицы (d-элементы), характер!
перед сваркой создание оксидов низшей валентности, т. е Mi
таллы должны проходить специальную обработку и в процесс
образования соединения созданные оксиды необходимо сохранять
Металлы, относящиеся к s- и ^-элементам,перед сваркой окислять
не требуется, а, наоборот, следует как можно надежнее защищать
от возможного окисления. Данная закономерность была уста-
новлена и подтверждена многократно на практике как в сте-
кольной технологии, так и при получении соединений методом
диффузионной сварки.
• ПАВА 3 ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ
Исходя из современных представлений об энергетиче-
ских аспектах активированной адсорбции, разработанной Тей-
лором и развитой Леннардом—Джонсоном, взаимодействующие
материалы должны быть первоначально сближены на расстояние
соответствующее уровню физического взаимодействия, обус-
ловленного ван-дер-ваальсовыми силами (рис. 3J). На расстоя-
нии RTl равном 2—4 нм, возникает слабое химическое взаимодей-
ствие, основанное на молекулярных силах. Такое сближение
в условиях диффузионной сварки может быть достигнуто в ре-
еультате пластической деформации металла. При этом энергети-
ческие уровни связи соответствуют энергетическим уровням,
характерным для физической	адсорбции (Е£ — 0,04-н
0,4 кДж/моль). Этот этап сварки принято называть этапом
'6розования физического контакта.
Для развития дальнейшего взаимодействия материалов, т. е.
образования активных центров и последующего протекания то-
похимических реакций между соединяемыми материалами, не-
обходима дополнительная активация. Только после создания
активных центров появляются предпосылки для взаимодействия
материалов на уровне активированной адсорбции, что соответ-
ствует расположению атомов на более близком расстоянии /?£,
равном 0,1—0,3 нм, энергия связи Е2 = 200-^400 кДж/моль.
Энергетический переход от физической адсорбции к хемосорбции
происходит•после преодоления некоторого порога, когда начи-
нается акт химического взаимодействия, связанный с обобще-
ствлением электронов. При диффузионной сварке металлов это —
образование металлической связи, а при соединении металлов
с неметаллами — образование ионной или ковалентной связи.
Таким образом, процесс взаимодействия металлических и
неметаллических материалов можно условно подразделить на
три последовательных процесса:
образование физического контакта;
активация соединяемых поверхностей и схватывание;
объемное взаимодействие соединяемых материалов.
3 в 4
65
Рис. 3.1. Изменение энергии при
сближении двух кристаллов:
1 — физически i адсорбция; 2 — хими-
ческая адсорбция
Подразделение процесса вза-
имодействия является в опреде-
ленной степени условным, по-
скольку в различных ситуациях
будут наблюдаться опережение
или отставание одного процесса
от другого. Это зависит, напри-
мер, от качества обработки поверх-
ностей: чем больше шероховатость
поверхностей, тем существен-
ней отставание гю времени обра-
зования физического контакта и
продолжительнее время сварки.
Процесс взаимодействия проте-
кает всегда дискретно, т. е. начинается и развивается в отдельных
зонах, один процесс может опережать другой или независимо раз-
виваться в нескольких очагах одновременно.
§ I. ОБРАЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО КОНТАКТА
Процесс развития физического контакта зависит от
ряда факторов, прежде всего от состояния контактируемых по-
верхностей, свойств материалов, вступающих в контакт, условий
термодеформационного воздействия на коптактируемую пару.
В технике состояние поверхности деталей принято оценивать
по степени шероховатости, которая и определяет ее микрогео-
метрию. Иногда используют термин волнистость поверхности,
который характеризует микрогеометрию твердого тела. Волни-
стость и шероховатость принято моделировать в виде пирамид,
конусов или сферических выступов. Степень шероховатости в за
висимости от способа обработки поверхности можно характе
ризовать следующим образом:
Обдирка наждачным кругом
Чистое точение и фрезерование
Шлифование:
грубое .	. .
среднее
чистое
Полирование
Rzt мкм
40—120
20—40
8—14
3—7
1,5—3
0.3—1
Вопросам контактирования твердых поверхностей различив к
металлов и неметаллов постоянно уделяется пристальное внима-
ние в различных областях науки и техники. Советскими учеными
М. X. Шоршоровым, Ю. Л. Красулиным, Э. С. Каракозовым,
И. И. Метелкиным, А. М. Дубасовым и А. Л. Макаркиным была
разработана математическая модель для расчета первоначальной
стадии образования соединения — образования физического кон-
Рис. 3.2. Схема образования физического контакта в результате деформации
микровыступсв под действием сжимающего давления:
и до вварки; б —> в процессе аварки
такта на основе деформации микрорельефа поверхности под дей-
ствием сварочного давления (рис. 3.2).
В основу этой модели положен критерий высокотемпературной
пластической деформации в условиях интенсивного нагрева.
Эта деформация характеризуется скоростью ползучести. При
этом оговаривается, что различные материалы могут иметь равные
скорости ползучести либо при различных температурах, либо
ври различных напряжениях, поэтому при сварке разнородные
материалы находятся в неодинаковых условиях и предполагается,
что физический контакт между ними будет образовываться в ре-
зультате деформации более пластичного материала.
Согласно этой модели физический контакт образуется вслед-
ствие сглаживания микронеровностей. Этот процесс схематизи-
руют в виде двух вариантов. В первом оценивается длительность
сглаживания выступа в виде конуса, скорость сглаживания
где £к — длина образующей конуса; Lo — длина основания ми-
кровыступа; /ф — длительность сглаживания.
Длительность сглаживания
Врт еХр ’
(3.2)
где А — коэффициент, зависящий от обработки поверхностей;
В — частотный множитель; р — приложенное давление; т —
коэффициент, обычно т = 4 — 5: Е — энергия активации; k —
постоянная Больцмана; Т — температура,
Во втором варианте рассматривается форма микровыступа
виде параболы, которая тем ближе к прямоугольнику, чем выше
чистота обработки. В конечном счете скорость деформирования
и для второго варианта описывается аналогичной аналитической
зависимостью.
67
Рис» 3.3. Схема процесса сварки
через пластичную прокладку
Исходя из анализа получен-
ных зависимостей, можно кон ста-]
тировать, что по мере увеличения
относительной ширины площади
контакта при смятии микровыс-
тупов, процесс развития физиче-
ского контакта быстро затухает
во времени вследствие уменьше-
ния истинного давления в контак-1
те и соответствующего резкого по-
нижен» я скорости ползу чести. |
М. X. Шоршоровым и В.В. Аб-
рамовым было проведено экспе-
риментальное исследование про-
цесса смятия микронеровностей
на образце из меди при сварке его
с кремнием и сапфиром. В про-
цессе исследований были сншы профилограммы и проанализиро-
ваны поверхности контактирования с помощью фрактографии.
В результате было установлено, что вначале действительно идет
смятие микронеровностей, затем происходит заваривание боковых
поверхностей микро выступов, а потом поверхностные слои ме-
талла растекаются и развивается пластическая деформация в глу-
бину металлического образца.
Наибольшее совпадение расчетных и экспериментальных дан-
ных наблюдается при сварке однородных или близких по значе-
ниям пластических свойств металлов. Применение же этой мате-
матической модели для расчета образования физического контакта
металлов с неметаллами практически невозможно, так как расчет
времени образования физического контакта, например, керамик
BK94-I, ВК100-2 и кремния с медью не обеспечивает достаточной
сходимости экспериментальных и расчетных данных.	1
При диффузионной сварке твердого материала через пластич-
ную прокладку процесс образования физического контакта воз-
можен лишь за счет пластической деформации прокладки на вы-
соту микроперовностей поверхности твердого материала.
Такой подход к проблеме установления физического контакта
оправдан в тех случаях, когда при образовании соединения
используют пластичные прокладки, например медные или алю-
миниевые, при сварке керамики или кварцевого стекла. Как
показывают результаты экспериментов, в этих случаях микро*
выступы соединяемых поверхностей не деформируются и их рельея
полностью повторяется поверхностями прокладок.	।
Поскольку в качестве прокладок используют металлы с по-
вышенными пластическими свойствами, а процесс соединения осу-
ществляется при довольно высоких температурах и давлении, то
прокладка должна находиться в состоянии текучести. Это усло-
вие является наиболее благоприятным и для образования надеж-
«ого физического контакта свариваемых поверхностей. В силу
этого для описания процесса установления физического контакта
можно использовать гидромеханическую аналогию, которая ус-
пешно применялась при создании гидромеханической теории про-
катки и штамповки. Сущность этой теории заключается в том,
что металлы, находящиеся в состоянии текучести, можно рассма-
тривать как несжимаемые жидкости с высокой вязкостью и при
менять к ним уравнения Стокса.
Для решения задачи установления физического контакта по-
верхностей при наличии пластичной прокладки рассмотрим про-
цесс сжатия вязкого слоя 2 толщиной Ло между двумя цилиндри-
ческими образцами /, 3 в предположении, что текущая толщина
слоя h значительно меньше радиуса R цилиндров; нижний обра-
зец неподвижен, а верхний, к которому приложена постоянная
нагрузка Q, перемещается с некоторой скоростью (рис. 3.3).
В этом случае можно воспользоваться формулами для скорости
частиц вязкого слоя и давления в вязком слое:
’~3»т(т 4):	й-3'
Р • л - • W - г”).	<3.4)
где vr — скорость вязкого слоя в радиальном направлении; г и
z — соответственно радиальная и осевая координаты частицы
слоя; h — текущая толщина слоя; р—давление в слое; —
давление при г = R; р — коэффициент вязкости.
Используя уравнение (3.4), можно подсчитать силу сжатия,
действующую на верхний образец:
F - - и.	(3.5)
Если к верхнему образцу прикладывается постоянная на-
грузка, то пренебрегая ускорением образца, получим
-Qr + Р. = 0,	(3.6)
где Fz — реакция опоры,
или
- Q -	- 0.	(3.7)
Поскольку V == dh/dt^ то, подставляя это значение в формулу
(3.7) и интегрируя полученное дифференциальное уравнение
по h в пределах от h до hG и по t в пределах от 0 до /, получим
h - Л0/?а 1 А-S—(3.8)
У Злр./?4 + 4(2Л^	'	'
Эта формула связывает основные параметры диффузионной
сварки в сталии установления физического контакта Коэффи-
69
Рис. 3.4. Зависимость времени об-
разования физического контакта
при диффузионной сварке через
алюмин новую прокладку от разме-
ров и Формы последней (Т =г 873 К»
6 =. 0,5 мкм, р 10 МПа):
а — круговая; б — кольцевая, в —»
п ря моугольиа я
циент р в ней необходимо считать функцией температуры сварки.
Зависимость р =- f (Т) может быть представлена формулой
И	.	(3.9)
! -г cqT -f- а/Г* . .	7
где а2... — ЭхМпиричсские коэффициенты, определяемые опыт-
ным путем.
Для удобства выполнения расчетов времени образования фи-
зического контакта т^ формулу (3.8) преобразуем:
Злр#4 1	1 \
Т* = 4Q (	j
В этой формуле Q — сила, а давление р =
круглой прокладки, тогда
(3.10)
Q/S, где S — площадь
3pj?& ' (^о + h) (ftp — h) \
? \	.1
(3.H)
При деформировании прокладки на величину шероховатости
поверхности соблюдается условие й0 >> й0 — h = 26 (6 — высота
микронеровностей); поэтому можно с небольшой погрешностью
записать /го 4- h 2h^ и /г2Ао h4, тогда в окончательном виде
для круговой прокладки получим уравнение
Зр/?86
(3.12)
Аналогичные преобразования можно провести и для сварки
через кольцевую прокладку. Время образования физического
контакта
3pW
(3.13)
^>2_
где b2 — RJr + Ri--t ~ь zd^~, здесь Rs в Rj— наружный и
III к2/Al
внутренний радиусы кольцевой прокладки.
Для прямоугольной прокладки
32р6 / azb'2 \
4
(3.14)
где а и b — стороны прямоугольной прокладки.
Проведенные преобразования позволяют перейти к практи-
ческим расчетам.
По полученным уравнениям было рассчитано время образова-
ния физического контакта и построены графические зависимости»
которые представлены на рис. 3.4.
Наглядность графической информации позволяет легко ана-
лизировать, каким образом взаимосвязаны с временем сварки
такие важнейшие технологические параметры процесса, как тем-
пература и давление, температура и толщина прокладки или чи-
стота обработки поверхности.
§ 2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ
И ОБРАЗОВАНИЕ ОЧАГОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
После сближения соединяемых поверхностей на рас-
стояние, соответствующее возникновению молекулярного взаимо-
действия на этапе образования физического контакта, т. е. сил
физической адсорбции, может последовать активация соединяе-
мых поверхностей, приводящая к химическому (валентному)
взаимодействию, которое еще называют схватыванием материа-
лов. Схватывание — это бездиффузионпый процесс, с которым
часто встречаются в технике, при трении. В этом случае он носит
нежелательный характер. При сварке, наоборот, этот процесс
во многом определяет условия формирования надежного соеди-
нения, поэтому его стремятся спровоцировать с наименьшими
энергетическими затратами.
Схватывание происходит на активных центрах, природа кото-
рых для различных материалов может быть различной. В качестве
активных центров могут выступать поверхностные дефекты, на-
пример выходы дислокаций в кристаллических материалах, при-
месные атомы, зародышевые поверхностные микротрещияы
в аморфных материалах. Ювенильная поверхность металлов
может также рассматриваться как активированная поверхность.
71
Рис. 3.5. Модель активного цшпра,
образованного при выходе дислока-
ции в зону физического контакта:
1 — кривая пзыененн^ анергии в зоне
дислокации: 2 — средний энергетиче-
ский уровень атомоь; £ — ядро дисло-
кации; 4 - - а-кюмы ки. лорода; 5 — атомв
металла: 6 — дислокация длиной 2г;
и —- ввгргетъ^есиий Сары?р
При сварке давлением
к р ист ал л и чески х	ма гер и а -
iob процесс взаимодейст-
вия реализуется на актив-
ных центрах, природа ко-
пластической деформацией при кон-
пи совр емен ны? 1 представлен и я м
торых может бы)ь связана с
тактных поверхностей. Так
активные центры — это поля упругих искажений, возникающих
в местах выхода в зону контакта дислокаций и их скоплений
или пачек скольжения в окрестностях деформационных выступов.
В пределах активных центров может происходить разрыв старых
и установление (трансляция) новых валентных связей между по-
верхностными атомами соединяемых материалов. Условно модель
активного центра в местах выхода на поверхности дислокаций
можно представить в виде поля упругих искажений (рис 3.5).
В работах Ван-Бюрена и А X Коттрела сделано предполо-
жение, что энергия ядра дислокации, приходящаяся на одну
атомную плоскость, составляет 0, hi/?3 (b — вектор Бюргерса),
а общая энергия дислокации в любом кристалле по порядку ве-
личины составляет pfe3 на одно межатомное расстояние вдоль оси
дислокации. Указанная величина справедлива для оценки не-
подвижной дислокации.
В работах Я. И. Френкеля и Ж Д. Эшелби для оценки энер-
гии движущейся дислокации предложено уравнение, анало-
гичное уравнению для оценки энергии движущейся массы
<?д» = Q И - ^/с~,
(3-15)
где Q — энергия неподвижной дислокации; v — скорость дви-
жения дислокации; с — скорость звука, с ж МО3 м/с. Из этого
уравнения следует, что при скорости движения дислокаций
v <0,1 с энергия движущейся дислокации мало отличается от
энергии неподвижной дислокации.
Э. С. Каракозов в своих работах показал, что при диффу-
зионной сварке со свободным и принудительным деформированием
инерционные силы, возникающие при движении дислокации,
можно не учитывать. При этих процессах даже в период активного
деформирования микровыступов на поверхностях соединяемых
деталей значения скоростей деформации и* велики, поэтому
интенсивность микропластической деформации соединяемых ме-
таллов (и тем более пластической деформации) мала в кннегиче-
скую энергию движения дислокаций ввиду ее малости можно
и* учитывать.
Для ма 1ых скоростей деформирования, какие наблюдаются
при диффузионной сварке, согласно данным Ж- Фриделя, можно
принять линейную зависимость плотности дислокаций р о г де-
формации в: р (2/L0fe) в, где LQ — расстояние между барьерами
при движении дислокаций.
Частота выхода дислокаций в этом случае X = 2в7(Ь0/?).
Таким образом, частота выхода дислокаций определяется интен-
ивностью пластической деформации соединяемых металлов. Со-
' местная пластическая деформация металлов с близкими Физико-
механическими свойствами сопровождается движением и выходом
;услокацнй одновременно на обе соединяемые поверхности. В мо-
мент выхода две юкаций и происходит схватывание поверхностей.
1ри соединении разнородных материалов схватывание регламея-
• нруется активацией более твердого материала.
Чисто дислокационный механизм активации осуществляется
лои низких температурах для пластичных металлов. С повыше-
нием температуры тзозрастаег ее вклад в активационный процесс.
С повышением температуры повышается скорость движения
•шелокаций и час гота их выходя в зону физического контакта,
и также уменьшается прочность связей между атомами металла
ч кислорода в оксидном или хемосорбированном слое. Таким
образом снижается потенциальный энергетический барьер U.
Термодейюрмационные условия, создаваемые при соединении
материалов в твердом состоянии, обеспечивают активацию по-
верхностей при выходе па них дислокаций. Наряду с этим могут
осуществляться и другие механизмы активации, например, свя-
занные с диссоциацией, сублимацией, весе г ано влей ием и раство-
рением поверхностных слоев оксидов. Роль каждого механизма
активации зависит, прежде всего, от особенностей технологиче-
ского процесса сварки и природы соединяемых материалов.
Так, дислокационная модель активного центра в условиях
диффузионной сварки металлов со стеклом не может служить
рабочей моделью для обеспечения возникновения очага взаимо-
действия, так как процесс деформации аморфных материалов не
объясняется дислокационным механизмом, поскольку аморфный
материал имеет иррегулярную структуру. Активными центрами
на поверхности аморфных веществ могут служить неравновесные
тефекты, появившиеся в поверхностном слое в процессе какой-
либо обработки или в процессе сварки в результате термомехани-
ческого воздействия. Одним из таких неравновесных дефектов
стекле могут быть поверхностные зародышевые микротрещины
;убиной ~10 нм (рис. 3 6), которые сосредоточены в так называ-
емом «трещиноватом» слое.
Гриффитс первым высказал мысль, что техническая прочность
стекла меньше теоретической из-за наличия микротрещин в испы-
vewoM образце. Он считал, что эти трещины находятся хак на
7’3
Рис. 3.6. Схема изменения конфи-
гурации мвкротрещчны на поверх-
ности стекла при травлении
поверхности, так и внутри об-
разца.
Наиболее доказательной в
настоящее время для стекла и
полимерных материалов является
кинетическая концепция прочнос-
ти, базирующаяся на флуктуаци-
онных явлениях. В соответствии
с флуктуационной концепцией за-
рождения трещины частота ее воз-
никновения зависит от
ния с, коэффициента перенапряжения температуры
гих факторов. Этот процесс описывается уравнением
напряже-
Г и дру-
ф = фое kT
(3.16)
где %с — постоянная для всех тел; — энергетический барьер;
k — постоянная Больцмана.
Разрывные флуктуации возникают на различных связях не
одновременно. Некоторые разрываются сразу или вскоре после
нагружения тела, другие позже. Если допустить, что разорвав-
шиеся связи не восстанавливаются, то все связи будут разорваны,
и следовательно, тело разрушится за время т — ТфЛ, т. е. долго-
вечность тела примерно равна «периоду» следования флукту-
аций Тф,;.
При рассмотрении процессов образования активных центров
при диффузионной сварке аморфных материалов теория фаукту-
ационных явлений является одной из наиболее аргументирован-
ных для объяснения зарождения очагов взаимодействия на только
что освобожденных валентных связях. Поскольку уровень кон-
тактных напряжений в зоне сварки не превышает критического
значения, флуктуационная концепция прочности твердых тел
позволяет объяснить механизм разрыва валентных связей в стекле
и на их основе объяснить зарождение очагов взаимодействия.
Рассматривая активный центр как акт возникновения свобод-
ных валентных связей и полей упругих искажений, следует отме-
тить, что раскрытие зародышевых микротрещин как раз и свя-
зано с разрывом валентных связей и возникновением в вершинах
микротрещины значительных полей упругих искажений. Этот
процесс можно рассматривать как образование активного центра,
на базе которого начинает развиваться очаг взаимодействия.
Теория образования микротрещин хорошо объясняет повыше-
ние прочности стекла при его травлении. Глубина трещины
остается неизменной, а радиус г ее вершины увеличивается сначала
очень быстро, а затем медленнее (см. рис. 3.6). Эта модель прием-
лема не только для качественной оценки изменения прочности.
На поверхности поврежденного стекла при травлении образуются
74
Рис. 3.7. Поверхность квар'
цевого стекла после травле-
ния в плавиковой кислоте.
< 5000
«ямки» травления. Каж-
тая ямка возникает на
месте первоначально не-
видимой ми кротрещи-
ны. Абразивная обра-
ботка действует совер-
шенно противоположно
травлению — число мик-
ротрещин возрастает, а
средняя прочность стек-
ла убывает.
До сих пор не из-
вестны какие-либо ус-
пешные попытки пря-
мого обнаружения зародышевых микротрещин в поверхностнолМ
слое. Предполагаемые размеры их выходят за рамки разрешающей
способности световых оптических измерительных инструментов.
Исследование тонких стеклянных пленок с помощью просвечива-
ющей электронной микроскопии позволило установить, что ши-
рина зародышевых трещин (1,0 нм.) — величина того же порядка,
что и разрешающая способность электронных микроскопов.
На рис. 3.7 показана поверхность кварцевого стекла после
травления в плавиковой кислоте. С увеличением времени травле-
ния новых дефектов травления не наблюдается, а происходит
лишь растравливание первоначально возникших ямок травления,
причем эти ямки имеют чечевицеобразную форму и примыкают
одна к другой вдоль направления царапины, представляющую
собой серию более мелких поперечных разрывов.
Таким образом, возникновение очагов взаимодействия кон-
тролируется процессом активации контактируемых поверхностей.
Местами возникновения очагов в условиях сварки кристалличе-
ских материалов могут быть зоны выхода на поверхность дислока-
ций, границы зерен, а для аморфных материалов — разрывы
сплошности в виде зародышевых микро грещин.
Активация атомов, находящихся в состоянии физического
контакта или вступающих в физический контакт, приводит к схва-
тыванию поверхностей, т. е. первоначальному этапу, предшеству-
ющему объемному взаимодействию, который в свою очередь
обеспечивает дальнейшее формирование зоны сварки как по
фронту контакта, так и по глубине соединяемых материалов.
Схватывание поверхностей — это, прежде всего, взаимодей-
ствие поверхностных атомов соединяемых материалов. В общем
случае зоны соединения представляет собой межзеренную гра-
ницу, проходящую по поверхности контакта В случае полной
реализации межатомных связей рассеянные физические и хими-
ческие микронесовершенства не влияют на механическую проч-
ность соединений при статическом растяжении, но резко снижают
их пластичность и прочность при динамических нагрузках. По-
этому с точки зрения получения равнопрочного соединения,
по крайней мере, одноименных или образующих твердые растворы
материалов схватывание нельзя считать завершающей стадией
процесса сварки в твердом состоянии.
§ 3. ОБЪЕМНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОЕДИНЯЕМЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Объемное взаимодействие металлических материалов
приводит к устранению в результате диффузии физических и хими-
ческих несовершенств в строении металла в зоне стыка, образова-
нию общих зерен в контакте, релаксации внутренних напряжений.
Данные1 процессы приводят к устранению неоднородностей и сни-
жению внутренних напряжений, т. е. к выравниванию характе-
ристик соединяемых металлов. При соединении одноименных
металлов объемное взаимодействие всегда улучшает эксплуата-
ционные характеристики соединений.
Характер объемного взаимодействия при диффузионной сварке
разноименных металлов определяется диаграммой состояния.
В этом случае возможно образование переходной зоны, состоящей
из неограниченных твердых растворов, ограниченных твердых
растворов, ин герметал лидов или эвтектоидов. Во время форми-
рования соединения металлов с неметаллами в зоне сварки за
счет объемного взаимодействия также возможно образование
новых фаз в виде шпинелей, силикатов, алюминатов, а также
других термодинамически разрешимых продуктов взаимодействия.
Если соединяемые материалы в зоне сварки образуют хрупкие
переходные слои, то процесс объемного взаимодействия необхо-
димо контролировать и ограничивать. При этом процесс схватыва-
ния является не только необходимым, но и достаточным для
образования сварного соединения, однако сварные соединения не
обладают высокими вязкостью и пластичностью. Сварку подобных
разнородных металлов, а также металлов с неметаллами проводят
при таких энергетических параметрах процесса, которые исклю-
чают возможность опасного развития диффузионных процессов.
Условия получения качественного соединения, когда завер-
шение сварки должно характеризоваться схватыванием контакт-
ных поверхностей, записываются следующим образом:
(3-17)
+	(3.18)
где tB — длительность взаимодействия, определяемая длитель-
ностью действия сжимающих напряжений на свариваемые мате-
риалы; —длительность процесса схватывания атомов контакт-
76
ных поверхностей но всей площади соединения; 1Р — длительность
релаксаций напряжений в свариваемых металлах до уровня
меньше критического; /и—длительность инкубационного пе-
риода образования термодинамически устойчивого зародыша но-
вой хрупкой фазы (рис. 3.8); iH — длительность контактирования
поверхностей при постоянной температуре выше (0,4—0,5) 7’ял;
/ех — длительность охлаждения зоны соединения после сварки
до температуры ниже или равной 0,4Т|1д.
Длительность инкубационного периода £и образования термо-
динамически устойчивого зародыша новой фазы определяется
природой свариваемых материалов и температурой. Наиболее
простой способ определения ta конкретного сочетания разнород-
ных металлов предполагает такую последовательность:
сварка серии образцов при постоянных параметрах режима;
отжиг сварных образцов при температурах 7\, 7\, Т3 и 7\
в течение времени t3 и соответственно;
металлографические исследования зоны соединения каждого
сварного образца и определение средней толщины 6 слоя новой
фазы для каждого значения Т и t.
Наличие таких экспериментальных данных позволяет по-
строить зависимость 6 (I) при различных Т. Если полученные
кривые экстраполировать в точке б — 0, го можно получить
набор значения Т при соответствующих значениях L Рост заро-
дыша новой фазы до термодинамически устойчивого размера
всегда термически активируемый процесс. Поэтохму правомерен
анализ зависимости /и от 7\ Если построить зависимость In
от 1/Т (рис. 3.9), то по тангенсу угла наклона а кривой Аррениуса
к оси 1/Т можно найти эффективную энергию активации Е про-
цесса, контролирующего рост зародыша новой фазы до термо-
динамически устойчивого размера. При этом можно получить
зависимость вида
tv. = t0 ехр \E](RT) I.
(3.19)
Рис. 3.8. Зависимость толщины б
слоя новой фазы от времени взаимо-
действия и температуры (Т{ >
7 а > 7 3)
Параметр легко определить по
пересечению зависимости Ig —
— l/Т с осью 1g V
Рис. 3.9. Зависимость in or f/7'
Знание параметров t0 и Е для конкретного сочетания разно-
родных металлов позволяет оценивать значения /н при любых
температурах, если не происходит смены механизма, контролиру-
ющего рост зародыша новой фазы.
Образующиеся в зоне соединения новые фазы обладают опре-
деленными механическими свойствами. В зависимости от отноше-
ния этих свойств, а также условий эксплуатации сварных соеди-
нений допускается наличие в зоне соединения слоя новой фазы
толщиной не более 60 либо отдельных включений.
Длительность релаксации напряжений в свариваемом металле
зависит от их величины к моменту окончания деформации, темпе-
ратуры, а также механизма релаксации напряжений. В свою
очередь, величина напряжений зависит от температурно-скоро-
стных условий деформирования при сварке и накопленной де-
формации.
Для повышения механических свойств необходимо образование
в зоне соединения общих зерен, так как в противном случае стык
будет ослаблен непрерывной цепочкой границ вдоль плоскости
контакта. Образование новых зерен в результате развития ре-
кристаллизации может обеспечить наиболее надежное сопряжение
в переходном слое сварного соединения.
Рекристаллизация — процесс повышения • структурного со-
вершенства и уменьшения свободной энергии металлов и сплавов
в пределах фазы, совершающейся путем возникновения и движе-
ния пли только движения границ с большими углами разориен-
тации. Процесс кристаллизации охватывает широкий круг струк-
турных изменений, которые происходят при нагреве металла
и приводят к изменению свободной энергии системы. Эти процессы
заключаются в замене одних зерен другими той же фазы, но
с меньшей энергией.
Тип и характер распределения дефектов кристаллической
структуры, вносимых деформацией, весьма разнообразны. Устра-
нение этих дефектов при нагреве происходит в процессе диффузии
точечных дефектов и их стока, перераспределения дислокаций
и их кристаллографической переориентации, формирования мало-
угловых и межзеренных высокоугловых границ g поглощением
дефектов.
В зависимости от степени и характера деформации, темпера-
туры, скорости и продолжительности нагрева все эти процессы
совершаются последовательно или накладываются один на другой.
Как следствие этого, устранение следов наклепа в структуре
металла может происходить различными путями и с разной сте-
пенью завершенности. Различают процессы возврата (отдых,
полигонизация) и рекристаллизации (первичная, собирательная,
вторичная), приводящие к устранению следов наклепа при на-
греве.
Стадия возврата включает все процессы до начала рекристал-
лизации. а именно уменьшение концентрации точечных дефектов
78
и перераспределение дислокаций без образования новых границ
или с образованием и миграцией малоугловых границ. Это самый
низкотемпературный процесс с выраженным изменением струк-
туры.
При деформации энергия кристалла повышается. Повышенная
энергия заключает в себе энергию дислокаций и энергию взаимного
отталкивания дислокаций одного знака.
При отжиге дислокации частично перегруппировываются и
аннигилируют. Избыточные дислокации, движимые взаимодей-
ствием полей напряжений, образуют границы или «стенки» дисло-
каций одного знака. Эти стенки перпендикулярны плоскости
скольжения. Дислокации, вытягиваясь в стенки, выявляются
в вице ямок травления на поверхности, перпендикулярной дей-
ствовавшему при деформировании скалывающему напряжению.
Под полигонизацией понимают такое перераспределение струк-
турных дефектов, которое образует области кристалла, свободные
от дислокаций и отделенные друг от друга дислокационными
границами. Полигонизация имеет много общего с рекристаллиза-
цией. Оба процесса связаны с перераспределением дислокаций
и образованием новых границ Нагрев сильно деформированного
металла до температуры, при которой возможно перераспределе-
ние дислокаций, приводит к рекристаллизации. Полигонизация
в таком материале почти не обнаруживается. Если материал
не сильно деформирован, то в нем можно вызвать полигонизацию
при нагреве до более низкой температуры или рекристаллизацию
при нагреве до более высокой температуры.
В зависимости от исходного состояния материала и внешних
условий скорость процесса полигонизации и энергия активации
различны. Если полигонизация протекает в слабо деформирован-
ном металле и без внешних напряжений, то суммарная энергия
активации процесса полигонизации
Зп = <2с + <2в + <2м,	(3.20)
где Qc— энергия активации образования ступеньки; QB — энергия
активации образования вакансии; QM — энергия активации миг-
рации вакансии.
Сумма QB и QM является энергией активации самодиффузии.
Это равенство связано с тем. что процесс полигонизации опре-
деляется притоком вакансий к дислокациям или возникновением
вакансий на дислокациях. Легче всего вакансии переходят или
образуются на ступеньках. Если число вакансий и ступенек
велико, например, при нагреве под напряжением (ползучесть,
усталость), то скорость полигонизации определяется только миг-
рацией вакансий.
Если полигонизация протекает в сильно деформированном
металле, но без значительных напряжений, т е. имеется большое
число дислокационных ступенек, то
(3.21)
79
В этом случае процесс определяется скоростью самодиффузии
Процесс полигонизации бывает столь интенсивным, что возни-
кают не только малоугловые, но и ьысокоугловые границы.
При рекристаллизации достаточно деформированного металла
можно наблюдать, как возникают очень малые зерна, которые
далее растут, трансформируя деформированную структуру, вплоть
до взаимного соприкосновения. Указанный процесс характери-
зуется зарождением и ростом зерен и называется первичной ре-
кристаллизацией. Дальнейший отжиг, особенно при высоких
температурах, может вызвать новое увеличение размеров зерен»
полученных при первичной рекристаллизации. Протекающие пои
этом процессы объединяют под общим гермином «укрупнение
зерна».
При рекристаллизации происходи г наиболее существенное
уменьшение энергии деформированного металла за счет умень-
шения числа дефектов структуры.
Таким образом, соединение материалов диффузионной сваркой
осуществляется пои протекании последовательных процессов,
заключающаяся в сближении соединяемых поверхностей в ре-
зультате пластической деформации приконтактиых зон до обра-
зования физического контакта. Этот акт неразрывно связан с про-
цессами активации, которые завершаются схватыванием, т. е.
связь из состояния физической адсорбции переходит в хемосорби-
рованное состояние. Дальнейший рост прочности я надежности
соединений связан, как правило., с расширением зоны соединения
и протеканием релаксационных процессов. В этот период активно
протекают процессы массоиереноса и рекристаллизации, которые
формируют переходную зону. При значительном различии физи-
ческих и химических свойств свариваемых материалов эта зона
может стать зоной перестройки химических связей и структуры,
РАЗДЕЛ II
ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ
Технология — это наука о способах воздействия на сырье, мате-
риалы или полуфабрикаты в целях изменения их свойств или
зормы для получения нового продукта или изделия. Под техно-
огоясским процессом понимают совокупность операций (воздей-
ствий), выполняемых планомерно и последовательно во времени
и пространстве над однородными или близкими к ним изделиями»
Состав и особенности методов обработки материалов, образу-
ющих в совокупности конкретную технологию (технологический
процесс), определяются особенностями материала, изготовля-
емого из него изделия (продукта) и условиями его производства.
Изготовление сварных изделий включает операции подготовки
свариваемых деталей, их сборки и сварки, перемещения и кон-
троля, послесварочную обработку изделия. Последовательность
операций, используемые инструменты, оснастка, квалификация
работников, режимы работы оборудования, контролируемые пара-
метры и другие необходимые характеристики технологии указы-
ваются в специальной технологической документации, называ-
емой маршрутной технологией, типовым техпроцессом и т. д.
в зависимости от терминологии, принятой в той или иной отрасли
фоизводства и установленной Общесоюзной единой системой
технологической документации (ЕСТД).
Создание технологии изготовления конкретных изделий яв-
ляется творческим процессом, основанным на интуиции и научной
эрудиции инженера-технолога. Обусловлено это тем, что в каж-
дом конкретном случае разработчик технологии должен назначать
способы изготовления» обеспечивающие удовлетворение разно-
образных требований, предъявляемых к изделию, С одной сто-
роны, изделие должно обладать эксплуатационными качествами,
часто трудносовместимыми (легкостью, прочностью, упругостью,
жаростойкостью, гибкостью, твердостью, товарным видом, корро-
зионной стойкостью и т. д.). С другой стороны, изделие должно
быть технологичным, т. е. удобным для изготовления, не требу-
ющим применения сложных устройств, инструментов, контроль-
ных приборов. При этом технология должна гарантировать
получение изделий требуемого качества с минимальными затра-
•лмч груда и средств.
81
Для успешного решения технологических задач необходимы:
научные представления о физико-химических явлениях, протека-
ющих при сварке (обработке) материалов, практические навыки,
знания о применяемых способах и оборудовании, а также умение
анализировать информацию, прямо или косвенно относящуюся
к разрабатываемой технологии. Как область инженерной деятель-
ности, технология представляет сплав науки, практики, искусства
и находится в состоянии непрерывного совершенствования.
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
Диффузионная сварка представляет собой одну из
разновидностей сварки давлением. Ее технологическая харак-
теристика была предложена Н. Ф. Казаковым и принята Между-
народным институтом сварки в следующем виде:« Диффузионная
сварка материалов в твердом состоянии — это способ получения
монолитного соединения, образовавшегося вследствие возникно-
вения связей на атомарном уровне, появившихся в результате
сближения контактных поверхностей за счет локальной пласти-
ческой деформации при повышенной температуре, обеспечива-
ющей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых
матер чалов».
Из определения ясно, что технология диффузионной сварки
характеризуется многообразием параметров и тем, что Формирова-
ние сварного соединения протекает в тонком приконтактном слое.
В результате массообмена между соединяемыми поверхностями
при диффузионной сварке происходит образование качественно
нового переходного слоя в процессе исчезновения поверхностей
раздела и рекристаллизации поверхностных слоев. При соедине-
нии разнородных материалов являются промежуточные структур-
ные составляющие, которые могут ухудшать качество исходных
материалов в зоне сварки, если образуются эвтектики или ннтер-
металлиды. Иногда изменения в зоне формирования сварного
соединения протекают весьма медленно из-за наличия оксидов
или низкой диффузионной подвижности элементов либо сопро-
вождаются появлением остаточных напряжений, снижающих экс-
плуатационные свойства сварных соединений.
Для устранения подобных нежелательных эффектов при диф-
фузионной сварке неизбежно применение промежуточных мате-
риалов различного функционального назначения, в частности
материалов-активаторов и материалов-демпферов.
Материалы-активаторы предназначены для удаления окси-
дов из зоны контакта свариваемых поверхностей (парафин, фто-
ристый аммоний и другие флюсующие материалы). Применять
промежуточные материалы экономичнее и эффективнее, чем вос-
станавливать оксиды путем их термической диссоциации в ва-
82
кууме. На примере жаропрочных сплавов В Ф Кьасницким
было показано, что в условиях диффузионной сварки в вакууме
сравнительно небольшое число оксидных пленок толщиной 3,0 им
можно удалить с поверхности путем возгонки. Так, для испарения
пленки оксидов титана толщиной 3,0 нм при 1473 К требуется
28 мин, если отсутствует натекание кислорода в вакуумную
камеру.
К этой группе относятся также материалы, активирующие
массообмен диффузионно инертных сплавов, например тонкие
прокладки, содержащие бор, марганец, кремний, углерод, раз-
рушающие оксиды хрома, титана и рассасываемые в свариваемом
материале. Хотя в качестве таких прокладок можно использовать
припои (ВПр7, Г40НХ). этот процесс нельзя назвать пайкой,
так как по ГОСТ 17325—79 при капиллярной пайке припой за-
полняет паяльный зазор и удерживается в нем под действием
капиллярных сил (а затем образует паяный шов); а при диффу-
зионной пайке затвердевание паяного шва происходит при тем-
пературе выше температуры солидуса припоя без охлаждения
в жидком состоянии.
В случае диффузионной сварки паяный шов отсутствует, так
как материал прокладки расходуется на активацию процесса
образования сварного соединения, выдавливается при сжатии
и рассасывается в соединяемых сплавах.
Материалы-демпферы снижают термонапряжепия, возника-
ющие при сварке материалов с различными коэффициентами
линейного расширения. В качестве демпферов обычно применяют
высоконластичные материалы (медь, никель, алюминий).
При рассмотрении конкретных проблем получения качествен-
ного сварного соединения из разнородных материалов один
и тот же промежуточный материал может выполнять несколько
функций.
В зависимости от интенсивности термомеханического воздей-
ствия на соединяемые материалы широкое распространение полу-
чили пять способов сварки давлением: холодная, взрывом, тре-
нием, ультразвуковая и диффузионная. Сравнительная оценка
интенсивности воздействия температуры и давления, а также
продолжительности процесса при различных способах сварки
давлением и сварки плавлением приведена на рис. 4.1.
В технологии диффузионной сварки выделяют три этапа или
три технологии, каждая из которых определяет конечный резуль-
тат. Во-первых, это технология подготовки соединяемых поверх-
ностей под сварку, заключающаяся в очистке, обезжиривании
и точной подгонке свариваемых поверхностей. Во-вторых, это
технология получения диффузионного соединения, когда одно-
временно по всей контактной поверхности в условиях общего
длительного нагрева и равномерного сжатия заготовок форми-
руется монолитное соединение. В-третьих, эго технология охла-
ждения полученного соединения после сварки, которая особенно
83
Нис. 4.i. Диаграмма средних значе-
ний теплового Т, силового Р и вре-
менного t факторов процесса форми-
рования сварных соединений различ-
ными способами сварки:
J1C — лазерная; ЗЛС — электронно-луче-
вая; ЭДС — электродуговая; 3fUC — элек-
трошлаконая; ГИС — газопламенная.
К.С — контактная; ДС — диффузионная;
УЗС — ультразвуковая; СТ — трением;
ХС — холодная; МПС — магнитоимпульс-
ная; СВ — взрывом (ат — предел теку-
чести)
важна для соединений разнород-
ных по физическим свойствам
материалов. Обычно первый и
второй этапы диффузионной сва-
рки разделены во времени. Это
иногда приводит к тому, что в
процессе длительного хранения
заготовок перед сваркой сущест-
венно изменяется состояние сва-
риваемых поверхностей и все по-
следующие технологические операции
будут безрезультатны. Свар-
ка и охлаждение непрерывны во времени. Их разделение на два
технологических этапа существенно при диффузионной сварке
металла и твердого сплава, металла и керамики, стекла и метал-
лического. сплава и т. и. В этих случаях велика вероятность
получения некачественного соединения, которое может пройти
стандартные виды контроля и разрушиться спустя некоторое
время даже при отсутствии внешних нагрузок из-за высокого
уровня остаточных напряжений, возникающих при быстром
охлаждении сварного соединения. На каждом технологическом
этапе диффузионной сварки существует несколько параметров,
которые определяют конечный результат — качество сварного
соединения; их называют основными параметрами Степень вли-
яния каждого из них на конечный результат зависит как от тех-
нологического этапа, так и от природы и сочетания соединяемых
материалов, габаритных размеров и формы сварных изделий.
§ 1.	ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА
ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
В табл. 4.1 представлены основные параметры, харак
терные для различных технологических этапов процесса подго-
товки и выполнения диффузионного сварного соединения. Их
комплексное воздействие на свариваемые материалы обеспечи-
вает качество сварки. При отсутствии надежных средств нераз-
рушающего контроля сварных соединений их качество гаранти-
руется точным соблюдением оптимальных значений основных
технологических параметров. В справочной и специальной лите-
84
Таблица 4 Л
Технологические параметры диффузионной сварки
Параметр
Способ или средства
контроля
Способ обеспечения
требуемого значения
Параметра
Возможные
дефекты
Ч истота иоверх-
мости
Шероховатость,
волнистость, за-
зоры
Состав сварочной
среды
Термический цикл
сварки
Давление сжатия
при сварке
Продол житель’
несть сварки
Визуально, опти-
ческие приборы
Визуально, про-
филограф, профи-
лометр, щуп
Вакуумметры,
манометры, м ас-
спектрометр ы
Термопары, пи-
рометры
Индикаторы, ди-
намометры, дат-
чики силы изме-
рения
Часы
Механическая
очистка, обезжи-
ривание, травле-
ние
Точение, шлифо-
вание, полирова-
ние подгонка
свариваемых по-
верхностей
Обеспечение гер-
метичности ка-
меры
Регулирование
источника нагре-
ва
Непровары
Регулирование
электро-, гидро-
и пневмосистем
Регулирование
термомеханиче-
ского цикла
сварки
Окисление поверх-
нести, непровары
Непровары, изме-
нение структуры
зоны сварки, опла-
вления, остаточ-
ные напряжения
Непровары, избы-
точная деформа-
ция, остаточные
напряжения
Непровары, обра-
зование новых фаз,
изменение струк-
туры зоны сварки
»
ратуре для описания режимов диффузионной сварки из шести
приведенных в табл. 4.1 технологических параметров называют
четыре основных (температура сварки, давление, состав сварочной
среды). Обычно их недостаточно для воспроизведения рекоменду-
емых технологий, так как каждый технологический параметр
должен обеспечить высокое качество соединения в определенном
временном интервале. Например, при длительном хранении тща-
тельно зачищенных деталей их состояние существенно изменяется
и они становятся непригодными для сварки. На этапе охлаждения
сваренных деталей ступенчатое снижение температуры может
обеспечить усредненную скорость охлаждения, равную требуемой
по технологии, однако при сварке малопластичных материалов
с различными коэффициентами теплового линейного расширения
(твердого сплава со сгалью) каждая ступень снижения темпера-
туры действует, как тепловой удар, после которого возникают
и не успевают релаксировать термические напряжения, приводя-
щие к снижению прочности или разрушению монолитного свар-
ного соединения. Длительность выдержки при температуре сварки
определяет полноту диффузионного массообмена между сварива-
емыми поверхностями. Одновременно с этим происходит изменение
85
6д,мпа
КО^МДж/м2
КС V, МДж/м 7	6g, МПа
кс v, мДт/м 2	68, мпа
ТО 12 /4 16 /7, МЛа
Я
О
1,0
0,8
0,6
ОД
973	1173 Г, К
W73	1773
О)
кы,ыдн<1м2 6g, мпа
360 ЬВО 600 720 t,C
6)
К СУ, МДж/м 7	6в, МЛа
13f3 1,330.13 ОДJ В,Па
373 373	773
^73	673
д)
Рис. 4.2. Зависимость ударной вязкости KCV ч временного сопротивления раз-
рыву <тв сварного соединения стали 20X13 от температуры (и) и времени (0)
сварки, давления сжатия (в), степени вакуума (а) и температуры охлаждения
в вакууме (д)
структуры металла в зоне нагрева, поэтому избыточное тепловое
воздействие также может приводить к ухудшению качества свар-
ных соединений.
На рис. 4.2 приведены зависимости механических свойств
сварных соединений стали 20X13 от различных параметров тех-
нологии, полученные экспериментально. По кривым 1 и 2 можно
довольно точно определить значения технологических параметров,
при которых механические свойства максимальны. Они являются
оптимальными, поэтому их определение является задачей раз-
работки технологии диффузионной сварки данных материалов
и конкретных узлов.
§ 2.	ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА ПОД СВАРКУ
Заготовки, предназначенные для сварки, приобретают
необходимые форму и размеры в итоге их обработки резанием
(точение, фрезерование, шлифование и т. д.) или давлением (про-
катка, штамповка). Реальные поверхности, между которыми будет
происходить диффузионное взаимодействие и формирование свар-
ного соединения, имеют геометрические особенности, отличающие
Ряс. 4.3. Схемы контактирования шероховатых (б)
। вол «'истых (6) металлических поверхностей
Гр 4. L Поверхность металла на воздухе’
.4 — слой мш’ялла, пластически не деформированный;
Й — поверхностный «.ЛОЙ польостью разориентировйк-
еыу кристаллов g прослойками оксидов; В — оке и д ни й
ззй» характерная поляонос*г границ (внутренних и
j-iinHHx), а 5?кже полярное" верхних слое? показаны
знаками плюс и минус; I — адсорбированный слой
KGпорочных ионов а нейтральных молекул воздуха;
-• слой вод » шах мстекуд; Е — слой жировых моле-
кул; X — ионизированные пылевые частицы
их от идеальных поверхностей. Различают макрогеометрию —
волнистость поверхности и микрогеометрию — шероховатость
поверхности (рис. 4.3).
Макроотклопения формы заготовки имеют большой шаг и раз-
личные размеры. Они проявляются ь виде выпуклости, впадин,
конусности, завалов кромок и т. д.
Волнистость — эго колебания реальной поверхности относи-
тельно идеальной, шаг колебаний в десятки раз меньше размеров
заготовки. Шероховатость также можно представить в виде волн,
шаг которых в десятки и даже согни раз меньше шага волнистости.
Шероховатость зависит от свойств материала и способа обработки.
На характеризуется средним размером микровыступов: 0,3—
1,0 мкм у полированных поверхностей, 10—40 мкм у поверх-
ностей, полученных точением или строганием, 40—120 мкм у по-
верхностей после обработки наждачным кругом. Шероховатость
измер я ют п рофилогр афом- профило.мером.
Непосредственно после обработки металла резанием поверх-
ность лишь малые доли секунды остается ювенильной, т. е. со-
вершенно чистой. При атмосферном давлении и нормальной тем-
пературе каждую секунду о каждый квадратный сантиметр по-
верхности удаляется около 5-1022 молекул кислорода воздуха,
что в 10s раз больше, чем потребовалось бы для образования
мономолекулярного слоя кислорода па поверхности. Кроме того,
реальные поверхности металлов и сплавов покрыты слоями пыли,
жировых загрязнений, воды, пленками оксидов и адсорбирован-
ных газов (рис. 4.4).
В ходе обработки поверхностные слои металла переходят
в активированное, наклепанное состояние. Степень наклепа дости-
гает ПО—170%, а толщина наклепанного слоя составляет 3—
7 мкм при притирке пастами, 16—35 мкм при шлифовании, 30—
87
50 мкм при точении, 40—100 мкм при фрезеровании, 180—200 мкм
при сверлении и зенкеровании. Структура слоев измельчается,
появляются остаточные напряжения. /Металл окисляется, но
скорость роста оксидных пленок зависит от их строения. Рыхлые
пористые оксидные слои растут быстро, гак как атомы кислорода
легко .проникают сквозь оксиды к чистому металлу На поверх
ногти металлов, имеющих оксиды с плотно у паков ан ней структу-
рой, образуется топкая, прозрачная пленка толщиной менее
0.03 мкм, которая не пропускает атомы кислорода и тем самым
защищает металл от дальнейшего окисления. Строение оксидной
пленки зависит также от состава окружающей среды.
На границе с металлом оксидный слой имеет отрицательный
потенциал (см. рис. 4.4), а снаружи положительный, который
адсорбирует электроотрицательный слой кислородных ионов и
молекул (слой Г). Образуются два электроотрицательных слоя,
обозначенные на рис. 4.4 знаками 4 и Далее фор. мир ус гея
гонкая пленка паров воды 50—100 молекул (слой Л), а затем —
слой жировых загрязнений (слог Ej, который даже после ipo-
мывкп поверхности бензином имеет толщину •—5 мкм. Только
тщательная промывка поверхности растворителем уменьшает его
толщину 10— 100 молекул. Прочность сцепления жировых молекут
с мета 1лом обусловлена их поляризацией и образованием твой
ного электрического слоя.
Наиболее эффективной сухой очисткой металлической поверх-
ности является ионная бомбардировка в плазме тлеющего раз-
ряда. Она не только удаляет все загрязнения, нивелирует микро-
рельеф, по и активирует поверхностный слой металла, насыщая
его дислокациями и вакансиями. Такую очистку целесообразно
проводить в сварочной камере непосредственно перед совмеще-
нием свариваемых поверхностей и последующим их сжатием.
Весьма эффективна предварительная прокалка заготовок в высо-
ком вакууме. Нагрев в вакууме сопровождается диссоциацией
оксидов, нитридов, гидридов и удалением газов из поверхностных
слоев металлов. В большинстве случаев необходимыми и достаточ-
ными мерами по подготовке металлов под сварку являются меха-
ническая зачистка и обезжиривание поверхности органическими
растворителями (ацетоном, бензином «калоша») или четырех-
хлорпстым углеродом либо травление в щелочах или кислотах.
Выбор химических травителей определяется конкретными усло-
виями производства. Протирка спиртом применяется для обез-
воживания поверхностей.
Такие эффективные способы очистки металла перед сваркой,
как ионная бомбардировка, термообработка в вакууме или ультра-
звуковая обработка, требуют, чтобы они проводились непосред-
ственно перед соприкосновением соединяемых поверхностей. Для
диффузионной сварки металлов и сплавов, легированных хромом,
алюминием, титаном и другими активными элементами и имеющих
плотные оксидные пленки, недостаточно даже самого тщателъ-
Рис 4.5. Зависимость временного си
противления разрыву ов (---------)
и степени пластической деформации е
(— ----) соединений сплавов
ХН56ВМТЮ (вверху) и ХН75МБТЮ
(внизу) от температуры сварки, К:
/ — 1373; S ~ 1423; 3 — 147С
Рис. 4.G Влияние времени сварки
на ав (----) и в (------) соедине-
ний сплавов:
. - ХНГ16 3МТЮ (Т = 1423 к, р -
4иМГИ): 2 — ХН75МБТЮ(7' = 1423 К
р = 30 МПа
него обезжиривания свариваемых поверхностей. Необходимо уда-
ление оксидов.
Нс менее сложной проблемой является диффузионное соеди-
нение жаропрочных сплавов, отличающихся пониженной диффу-
; конвой подвижностью компонентов, из-за чего требуется ведение
процесса сварки при повышенных давлении сжатия и температуре.
Рассмотрим сварку жаропрочных сплавов Х1175МБГЮ
и XH56BMTIO. Температуру сварки и давление выбирают такими,
чтобы обеспечить быстрое развитие диффузионных процессов
и пластическое деформирование рельефа контактирующих поверх-
ностей, сохранив при сном макрогеометрические характеристики
изделия и зоны сварки и не вызвав ухудшения структуры и свойств
свариваемых материалов в результате перегрева. Оптимальные
значения температуры диффузионной сварки обычно находятся
в интервале (0,7—0,8) Тпл, а давление сжатия — вблизи предела
текучести свариваемых материалов при температуре сварки.
В рассматриваемом случае давление сжатия изменяли от 10
до 40 МПа с интервалом 5 ?4Па. Сварку выполняли при темпера-
туре 137.3» 1423, 1448 и 1473 1\. Механические свойства соединений
приведены яа рис. 4.5 и 4.6. По мере увеличения давления сжатия
при всех температурах росла прочность соединений, которая
преимущественно связана с увеличением поверхности фактиче-
ского контакта, т. е. со степенью завершения первой стадии
процесса. Однако, как показали металлографические исследова-
ния, момент завершения первой стадии не совпадает с моментом
89
достижения равнопрочное?» соединения с основным металлом.
По-видимому, в момент установления физического контакта соеди-
нения еще содержали в стыке ультрамикроскопические неснлош-
ности и включения. Для рассасывания этих дефектов требовалось
дополнительное время. При дальнейшем увеличении давления
сжатия время установления физического контакта становится
меньше времени сварки и за оставшееся время успевает закон-
читься рассасывание микронесплошностей. Образование внутри-
кристаллической связи па большей части контактирующих по-
верхностей соответствует достижению равнопрочности.
При увеличении температуры сварки до 1473 К пластичность
и прочность сварных соединений обоих сплавов понижается, что
связано с чрезмерным ростом зерна в сплаве X Н75МБТЮ и раство-
рением упрочняющих фаз в сплаве ХН56ВМ1Ю. При температуре
1523 К и давлении выше 10 МПа в соединениях обоих сплавов
по границам зерен образуются трещины. Это подтверждает необ-
ходимость учега диаграмм технологической пластичности при
назначении температуры сварки.
Минимальное время сварки сплава ХН56МВТЮ составляет
6 мин, а сплава ХН75МБТЮ — 3 мин. Обращает на себя внимание
некоторое повышение прочности соединений при длительности
сварки 0,1 мин. Эго может быть объяснено явлением термомехани-
ческого упрочнения — наклепом, который снимается при более
длительном нагреве.
Приведенные данные позволяют рекомендовать следующие
режимы сварки: для сплава ХН75МБТЮ Т — 14234-1448 К,
р = 25-т-ЗО МПа, t = Зч-4 мин, для сплава ХН56ВМТЮ Т —
= 14234-1448 К, р - 35-4-40 МПа, t - 64-7 мин.
Стабильность свойств зависит от длительности перерыва между
зачисткой соединяемых поверхностей и сваркой; она повышается
с уменьшением перерыва. Применение прослоек из фтористого
аммония ни качественно, ни количественно не изменяет получен-
ные зависимости, но стабилизирует качество сварки — ослабляет
влияние перерыва между очисткой поверхностей и сваркой в пре-
делах одних суток. При нагреве в вакууме прокладка полностью
разлагается, образуя газообразные продукты, удаляемые из стыка.
Существенное влияние на процесс сварки оказывают промежуточ-
ные металлические прокладки.
§ 3.	ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА
С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ПРОКЛАДКАМИ
Промежуточные прокладки могут быть расплавля-
ющимися и яерасплявляющимися. В качестве расплавляющихся
прокладок наиболее часто применяют припои, например, для
сварки сплавов ХН56ВМТЮ и ХН75МБТЮ — промышленный
припой ВПр7 на никель-марганцевой основе с содержанием 30-4
35% Мп. Концентрация остальных элементов в припое близка
90
О	5	10	15 го Z5 50 о, МПа
Рис. 4.7. Влияние давления сжатия на концентрацию марганца, толщину Л
прокладки и ширину Ь диффузионной зоны в соединении сплава ХН56В.МТЮ
\Г = 1448 К, I = 6 мин)
к концентрации этих элементов в сплаве. Температура сварки
1448 К, время сварки 6 мин.
Расчет диффузии из тонкого слоя показал, что при заданных
температуре и времени конечная концентрация марганца в центре
прокладки, равная 0,4 %, будет достигнута при ее толщине 0,1 мкм,
а концентрация, равная 4%,—при толщине 1 мкм. Получить
такую тонкую фольгу и работать с ней сложно, однако требуемая
толщина прокладки может быть получена путем выдавливания
расплавленного металла при сжатии детален.
Определение оптимального давления сжатия и времени сварки
сплава XH56BMTIO осуществлялось следующим образом. Тол-
щина фольги припоя составляла 0,06—0,08 мм. Толщину про-
кладки, образующейся после выдавливания избытка жидкого
металла, определяли давлением интегральной суммы концентра-
ции марганца в диффузионной зоне (площади под кривой распре-
деления марганца в стыке) на его начальную концентрацию
в припое.
Для получения кривой распределения концентрации марганца
и Других элементов использовали рентгеноспектральный микро-
анализатор, позволяющий определять химический состав металла
на площади 2 мкм2.
На рис. 4.7 видно, что толщина прокладки обратно пропорци-
ональна давлению, однако увеличение давления более 19,6 МПа
нецелесообразно. В указанном диапазоне давлений фактическая
толщина прокладки составляет 1,3 мкм, а концентрация Мп—
2,2%, что близко к расчетным данным.
Рис. L8. Влияние времени свирки на остаточ-
ную концентрацию марганца в соединении
сплава ХН56ВМТЮ (р ==- 15 МПа, Т =
1448 К)
Аналогично изменяется и проч-
ность соединений. При давлении
14,7—19,6 МПа практически дос-
тигается прочность основного ме-
талла.
Увеличение длительности сварки
способствует более полному вырав-
ниванию содержания марганца
(рис 4.8). Однако спустя 6 мин скорость выравнивания резко
замедляется.
Распределение никеля, хрома и вольфрама в зоне стыка пока-
зано на рис. 4.9, а. Титан и в основном металле, и в прокладке
присутствует в виде карбидов. В прокладке появляются хром
и вольфрам, продиффундировавшне из сплава.
В условиях эксплуатации детали из жаропрочных сплавов
нагреваются до 1173 К и выше, поэтому исследовали влияние
выдержки в течение 300 ч при 1173 Кив течение 16 ч при 1373 К
на распределение элементов в стыке. Как видно из рис. 4.9, б, в9
в процессе эксплуатации диффузионных сварных соединений
их химическая однородность повышается. Режим сварки с рас-
плавляющимися прокладками сплавов ХН56ВМТЮ и
ХН75МБТЮ (Г - 1448 К, р = 14,74-19,6 МПа, t - 6 мин) при-
знан оптимальным. Он стабилизирует качество сварных соедине-
ний, далаег их нечувствительными к длительности перерыва
между зачисткой и сваркой, резко уменьшает общее укорочение
деталей, вызванное их пластической деформацией при сварке,
устраняет негативное действие оксидов алюминия и хрома.
Подбор промежуточных материалов приобретает особенную
значимость при сварке разнородных металлов и сплавов, которые
различаются физическими, химическими и механическими свой-
ствами.
Для получения качественного соединения в этих случаях
необходимо но только компенсировать напряжения, возника-
ющие из-за различий в коэффициентах теплового расширения,
но и предотвратить образование в зоне сварного шва хрупких
интеометаллидов в результате взаимодействия свариваемых ме-
таллов.
Например, при диффузионной сварке титановых сплавов со
сталями используют композитные прокладки: ванадий -г медь -ф
I- никель или ванадий ф медь + сталь ф никель, получаемые
прокаткой в вакууме. При сварке твердых сплавов со сталями
промежуточные материалы (никель или кобальт) наносят предва-
рительно на соединяемые поверхности гальваническим методом
или напыляют в вакууме
Hi, Or, W
15
Ю
SO
0
19
13
139 110 90 10 50 30 W 0 W 30 50 Ю 90 НО мкм
Л//?. %	л;
zo
Рис. 4.9. Распределение элемен-
тов в соединении сплава
ХН56ВМТЮ, выполненного с
прокладкой:
а — без выдержки после сварки
(Т = 1448 К. р — 14.7 МПа. t —
6 мин); б — выдержка после свар-
ки в течение 16 ч при 1373
выдержка после сварки в
300 ч при 1173 К
К; e —
течение
15
*\*Л'

19
J_______I-------1------1_______L
Пп
л----1---J_____I____I___
11
О
150 но 90
70 50 30 W 0 10 30 50 70 90 110 мкм
(В
§ 4.	ЗАЩИТНЫЕ СРЕДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ СВАРКЕ
Для защиты свариваемых металлов си окисления и на-
сыщения азотом и водородом окружающей атмосферы в процессе
нагрева и сварки используют разнообразные защитные среды,
состав которых вависит не только от химической активности
материала заготовок, но и от экономичности и технологичности их
использования.
Вакуум — наилучшая по чистоте защитная среда, однако
в тех случаях, когда необходимо сваривать сплавы, содержащие
легко сублимирующие компоненты (латунь, бронза, магниевые
сплавы и 1\ д.), применение вакуума нежелательно. Испаряю-
щиеся в вакууме компоненты сплавов приводят в негодность
вакуумную систему, одновременно происходит изменение состава
свариваемого материала.
Широко применяют в качестве защитных средств: нейтральные
(аргон, гелий, азот и их смеси) и активные (водород, углеводороды,
реже углекислый газ) газы, а также их смеси с инертными газами.
Состав защитного газа подбирают, исходя, в первую очередь,
из химической активности системы металл — газ в условиях
сварки. Например, для твердых сплавов, получаемых спеканием
в водороде, водород является естественной защитной средой.
В то же время водород крайне опасен при сварке титановых
сплавов. Азот, являющийся вредной примесью в аргоне и гелии
при сварке активных металлов, служит прекрасной защитной
средой при сварке меди. Углеводороды целесообразно применять
при сварке сталей и твердых сплавов, небольшие добавки водорода
и углеводородов в нейтральные газы при сварке ряда сталей
и сплавов обеспечивают восстановите,пятые свойства защитной
газовой смеси, не вызывая сколько-нибудь существенного наводо-
роживакия или карбидизации поверхности свариваемых мате-
риалов за время сварки.
Для защиты углеродистых сталей и чугунов приемлем угле-
кислый газ с добавками углеводородов. При выборе состава
защитного газа следует учитывать свойства источника энергии,
работу нагревательных элементов и технологической оснастки
в защитной среде Например, при индуктивном нагреве можно
использовать неэлектропроводную среду любого состава, а элек-
тронно-лучевой взгрев осуществим лишь в вакууме.
Несомненно, что в каждом конкретном случае инженер-техно-
лог при определении оптимального состава защитной среды должен
учитывать такие существенные факторы, как ее стоимость, без-
вредность применения, тип производства, конструктивные и тех-
нологические особенности свариваемого изделия, а также возмож-
ности сокращения технологического цикла сварки путем1 совме-
щения операций
При диффузионной сварке простых по форме неответственных
изделий из меди, никеля, свинца, средне- и низкоуглеродистых
94
сталей на установках с электроконтактным нагревом используют
следующий способ защиты заготовок от окисления. В рабочей
камере, заполненной углекислым газом, специальный механизм
зачищает свариваемые поверхности непосредственно перед их
совмещением и сжатием.
Иногда прибегают к местной защите зоны сварки от воздействия
окружающей воздушной атмосферы, окружая сварное соединение
муфтами или камерами, заполненными угольным порошком или
другим составом, активно взаимодействующим с компонентами
воздуха и не пропускающим их к свариваемому материалу. Иногда
на сварной стык надевают графитовую втулку, которая при на-
греве на воздухе создает в зоне сварки защитную среду из СО
и СО2. Эффективным средством защиты даже активных металлов
и их сплавов является использование расплавов солей Как
правило, для этих целей применяют соли плавиковой и соляной
кисло г.
Наконец, защитным средством для сварного шва может слу-
жить сам свариваемый материал, как это осуществляется при
сварке по методу «труба в трубе». Суть способа в том, что для
коррозионной стойкости труб, используемых при перекачке агрес-
сивных жидкостей, их внутренние поверхности покрывают соот-
ветствующим материалом. С этой целью в трубу вставляют другую
тонкостенную трубку из коррозионно-ciойкого материала, остав-
ляя между ними минимально возможный зазор. Торцы труб
сваривают, чтобы пространство между их стенками было гермети-
зировано. Получившийся цилиндр «труба в трубе'- закрывают
заглушками, нагнетают в него газ и помещают в печь, где нагре-
вают до температуры диффузионной сварки. В таком состоянии
внутренняя груба плотно прижимается к наружной под давлением
газа и в течение времени сварки оксиды, оставшиеся между стен-
ками труб, разрушаются и рассасываются в материале более мас-
сивной трубы. Поскольку пространство между поверхностями
заварено герметично до начала сварочного нагрева, то поступле-
ния кислорода в зону сварки из внешней атмосферы не происходит.
§ б.	ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ,
ВЫПОЛНЯЕМЫХ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКОЙ
Основные типы, конструктивные элементы и условные
>бозначения соединений, выполняемых диффузионной сваркой,
приведены в табл. 4.2. Диффузионную сварку можно вести одно-
временно по двум и более поверхностям (многослойные сварные
соединения). При соединении диффузионной сваркой металлов,
нерастворимых друг в друге, образующих хрупкие интерметал-
лидные соединения, имеющих резко отличающиеся коэффициенты
термического расширения, а также металлических материалов
• неметаллическими можно применять промежуточные прокладки,
которые по форме и размерам повторяют свариваемую поверх-
95
Таблица 4.2
Основные типы сварных соединений
Сварное соединение
Основные параметры
Плоское (П)
КсвструклЕвнвге злвмецэд
।
Ширина bt высота ht
длина Л наружный D
и внутренний d диамет-’
ры толщина проклвд
ки s, угол скоса а
i
Цилиндрическое (Ц)
Площадь свариваемой
 поверхности F, высота
Л, наружный D и вну-
тренний d диаметры
Коническое (К) 1	Угол скоса а, длина образующей конуса Л» наружный D и внут- ренний d диаметры	f f ( 1 1УП ч '	1
Сферическое (С)	Радиус сферы R> глу~ би на погружения h	V Г. х	-'О’— &.><*»..	4
Криволинейное (Кр)	i Радиус кривизны г, высота волнистости h, ширина Ъ. длина 1	4 *1 il b _ 1	*1 1	«		
косгь, а материал, толщина прокладок и их число устанавли-
ваются технологом-разработчиком процесса сварки.
Форма изделий и сочетания соединяемых диффузионной свар-
кой материалов необычайно разнообразны, что вызывает необходи-
мость оптимизации технологического процесса с самого начала его
разработки, т. е. создание экономичной технологии начинается
характерной проблемы: зная материал и требования к будущему
изделию, надо выбрать источник нагрева, средство защиты зоны
парного соединения от окисления, способ и устройства для сжа-
сваривасмых заготовок, определить требования к точности
регулирования технологических параметров и обеспечить мини-
м затрат при гарантированном качестве сварного соединения,
Для оптимального решения нужны количественные характера-
ми взаимосвязей между параметрами свариваемых объектов,
источников теплоты и теолофизичеекими особенностями диффу-
ыэнной сварки.
Последние заключаются в тедующем.
1.	Нагрев сварного соединения (сварного контакта) осуще-
ствляется путем теплопроводности через поверхность изделия,
воспринимающего энергию источника теплоты. Исключение пред-
гавляет нагрев проходящим током, когда теплота выделяется
непосредственно на свариваемых поверхностях за счет контакт-
ного сопротивления. Ограниченность применения такого нагрева
при диффузионной сварке обусловлена сложностью управления
^нерговыделением при очень широком диапазоне изменения пло-
щади сварных соединений и электрической проводимости свари-
ваемых материалов. Так как используемые источники нагрева
являются поверхностными, то все изделие или его большая часть
нагревается до температуры сварки.
2.	Нагосв свариваемого изделия неизбежно связан с нагревом
технологической оснастки. В ряде случаев нагрев изделий осу-
ществляется через прижимные приспособления, которые погло-
щают энергию во много раз больше, чем необходимо для получения
сварного соединения.
3.	Нагрев и охлаждение в процессе сварки осуществляют
плавно и длительно со скоростями 0,01—100 К/с. Время только
зотермической выдержки при диффузионной сварке составляет
сотни и тысячи секунд. Температурный цикл сварки подобен
циклу термической обработки, что ограничивает интенсивность
энергии, вводимой через поверхность изделия.
4« Нагрев свариваемого изделия осуществляется в защитной
реде (нейтральной или активной) несмотря на то, что свариваемые
гэверхности находятся в плотном контакте и сжимаются под
давлением 0,1—50.0 МПа.
5. Формы поверхностей, воспринимающих теплоту от источ-
ника нагрева, весьма разнообразны, а их площади изменяются
1 до 1и4 см2
4 Р 1. В&чир
97
В условиях разнообразия форм и типое соединений необходима
методика выборе оптимальных решений ил множессва возможных
вариантом Основой 1акой методам мож< быть лексикографа
ческий ириншп выбора,, г е выбор но не .ледователъно примени
емым критериям.
С этой целью возможна следующая класс фикация изделий:
по материалам — металлически»* (* гектрппроводные); компо-
зитные (соединения. металла с неметаллом), т. е имеющие неэлек-
гропровозпо’? элементы; химически активные;
по ггетктр^н - про тые, б* i внутренних полостей и выдаю-
щихся рельефов; сложные по ф рме. сложные с полостями;
по форме соединения стыковые, •лпиегые; развитой слож-
ной поверхностью контакта;
по тепловой инерции — массивные; гонкостенные (критерии
Б ио нсз н ачитол ь н ы).
Сочетание признаков сгарпых соединений '•пре' ci тр♦ 1 ова-
ния к истемпку энср1ни. * передачи давления, смете%е
защиты изделий при сварке от окисления и системе регулирования
параметров нроне^ . нагрева. Первостей . значение дня раз-
работки тсхнолоз и и -V-узионпой свари» имеет ряд со«с. • яемых
материалов, О г . i •• • те си .огни с- .rr.Hct ня рлзл :»ых м<пе-
риалов бп ут ра<\ ’"«трег.1 лодующих главах
Рассмотрим пример проект л реванш; энологических пара-
метров диффу*- юнпоЛ • к рки. Пер* • в- регламен! ярусных пара-
метров тех*’ • 'ОГИЧ1 • : I  Принес- :	♦ л ~ аьНЫХ : • . .1	• Я-
затслей качества сварки можг: о ► весьма пооораэиым ц
определяется особенностями лопкр<тног< изделия Усг -шипеть
выбора параметре! эав"‘ *<т от • л нош и . •осп верности информа-
ции о i с?'твш свар! в?мш -’.«агири .. "юв, ж гжфФ: и» . • л Bj*a-
<модейсгвш1 и прочноетних аракт :ристакг1Х яр темпе атуре
сварки.
Методику разработки ускоренной экономичной но лог и и
диффузиошюй сварки пдесмотрим на примере магнитопроводов
электрома» лчых пневмо j одроьчаа шов, и. сото вл немых из фер-
рэмагнипи. . и диамапгжг:ых материале, сталей ЭИ) и
12Х18Н9Т или стал» ЭЮ и бронзы Б?Х0,8. При этом можно
выделить четыре <сносных этаж
1 этап. Анализ лит» ратурных даплы.. с соединениях, п_ [учен-
ных диффу ию той сварьэй. Пс литературе однозначным крите-
рием необходимого качества является ширина шва, равная 1 —
15 мкм при ширине зоны диффузионного массообмена 15—
200 мкм-	J
II этап. Пропюз к.чсстг: сварных оединегий ЭЮ
с 12Х18НЮТ • ЭЮ < i X0,8, который провод inc-;T при следу-
ющие .опущ н^ях.
определяемся прогностическая завис имость качества сварки
от степени завершенности сор., лрования соединения с Уразова-
иием в зон? ь  тгаига г.ерех'- i < пруктур j ,п .• .н.их , ер: н. \
Рис. 4.10. Зависимосгь механических свойств соединения сталей I2X18HI0T
и ЭЮ от температуры (й) и времени (б, в) сварки при р = 15 МПа
свариваемыми заготовками в результате диффузионных процессов
и рекристаллизации;
для прогноза параметров сварки используются литературные
данные по коэффициентам диффузии и рентгеноспектральным
исследованиям сварных соединений;
оптимальная длительность диффузионного процесса характе-
ризуется шириной шва 2—10 мкму что соответствует зоне диффу-
зии 10—40 мкм;
нижняя граница температуры сварки равна началу у-превра-
щения железа (1183 К), при которой достигается крупнозернистая
структура и минимальная коэрцитивная сила электротехнической
стали ЭЮ;
диффузионный процесс и рекристаллизация при сварке ЭЮ
с 12Х18Н10Т приводят к образованию неограниченных растворов
между железом, никелем и хромом и ограниченных растворов
железа с титаном, а при соединении ЭЮ с БрХ0,8 образуются
ограниченные растворы и эвтектоидная смесь;
время сварки определяется по формуле t — х2/(2Р), где х —
усредненная глубина диффузии одного из компонентов сварива-
емых сплавов; D — коэффициент диффузии. Такое допущение
для прогнозных оценок правомерно.
Исходя из этих допущений, для сварки ЭЮ с БрХ0,8 принят
исходный режим: давление 10 МПа, температура 1323 К, время
сварки 30 мин. Для сварки ЭЮ с 12Х18НЮТ время может быть
сокращено до 15 мин за счет повышения температуры до 1373 К.
Для сварки 12Х18Н9Т с ЭЮ соответственно выбраны 1373 К,
15 МПа и 15 мин. Прогнозируемые режимы должны обеспечить
прочность соединения не ниже наименее прочного из соединяемых
материалов.
Ill этап. Экспериментальная проверка принятого исходного
режима путем факторного планирования эксперимента при изме-
нении основных параметров сварки с интервалами варьирования
V - ±ЗМПа, А 7 ~ ч=50 К, А/= ±5 мин для Э10 и 12Х18Н10Т;
Ар j-4 ДПа, А 7 — :fc50 К, А/ = .±:Ю мин для ЭЮ и 5рХ0,8
99
4*
Р вс . 4. И Изменение тем перату ры,
юнит сжатия и пластической дефор-
мации при диффузионной сварке ста-
лей 12X1 ЯН JOT и ЭЮ
Результаты эксперименталь-
ных исследований сварки ста-
лей 12Х18Н10Т и ЭЮ приведе-
ны на рис. 4.10. Аналогичные
результаты получены при свар-
ке стали ЭЮ и бронзы БрХ0,8.
Прочность соединения, близкая
к прочности основного метал-
ла, достигается при ширине
сварного шва 3—4 мкм. Но
поскольку опа существен но
зависит от колебаний темпе-
ратуры и времени сварки,
соответствие прочности свар-
ного соединения прочности ос-
новного металла гарантировано при ширине шва 5—8 мкм.
/V этап. Выбор оптимальных режимов. Для сталей ЭЮ
и Х18Н10Т оптимальный режим следующий: Т = (1373 dr 10) К,
р {15 -Ь 1) МПа, t (15 dr 0,5) мин: стали ЭЮ и бронзы БрХ0,8
Г =~ (1273 di Ю) К, р (Ю dz 0 МПа, t — (30 dr 0,5) мин. Первое
соединение имеет следующие механические свойства. ов >
\ 370 МПа, KCV > 156 кДж/м2, в < 3%, второе — ив >
> 280 МПа, KCV > 150 кДж/м2, е < 3.1 %
Предложен 1»я технология позволила совместить процесс
сварки с термообработкой электротехнической стали ЭЮ и обес-
печить минимальное значение коэрцитивной силы. Скорость охла-
ждения в интервале уа-превращения должна быть 0,011-4
0,028 К/с для обеспечения Нс б 0,65 А/м.	4
Рез ул ы лгы испытаний сварных соединений показали их гер-
метичность, вакуумную плотность, усталостную а
• • ю Юл ц л лов пол давлением ПО и 50 МПа соотве
соединений, что ;
гвенно тип м
качество соединения. Онтима^льный
зона изменения напряжений сжатия заготовок
тастичоск* й деформации изделии в ходе диффузионной сварки
рис 4.U Эти чанные легчи в основу отраслевого
дч । диффу «ионной сварки деталей из разнородных
'Ц-лсриалов и сплавов (ОСТ 92 1 ЮЗ—79).	I
Аналогичным образом разрабатывают технологию диффузной-
чой сварки других материалов
гюказзн на
§ С. ПРИМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ
В ряде случаев при диффузионной сварие в вакууме
зоне контакта образуется хрупкий слоя
шдлых соединений, Для предотвращения возникпо-
;лбо соответ-.
разнородных металлов в
интермстз
йения интерметаллидов необходимо использовать
тзующи*. п» ч VK isV.-ivKEr? прокладки, ЛПбО СОк[
1 Л-'
Ряс. 4.12. Д|1клограмм& v тар-
ной сварки
нагретые зоны контакта
;арки. .Для этой цели в Институте
r.if-ктросварки им. Е О. Патона раз-
работяны технология, аппаратура и
пециализированная оснастка дпя осу-
ществления ударной сварки в вакууме
Например, изготовлены установки
ус тройства типа У-394М и У-860 для
осуществления скоростной сварки дав-
лением трубчатых переходников диа-
:етром до 100 мм. Использование свар-
 ых переходников из разнородных ме-
таллов при монтаже трубчатых ксм-
уникаций иозволяе/ успению пешигь
ряд важных задач в различных o*i-
зслях техники.
Суть способа в том, что ня локально
сетали прикладывается одиночный импульс силы со скоростью
—30 м/с. Нагрев деталей осуществляется кольцевым электронно-
учевым нагревателем. обеспечивающим необходимую фокуси-
ювку луча.
В свариваемых деталях под воздействием динамической на-
грузки происходят локальная пластическая деформация в зоне
контакта и образование сварного соединения.
Общее, время сварочного цикла состоит из подготовительного
периода, времени t4 деформирования. т. с. сварки, и времени ц
охлаждения. Период подготовки изделия к сварке включает
время предварительного нагрева цо температуры Гск сварки
и время Е выдержки при этой температуре для равномерного
нагрева деталей в зоне соединения (рис. 4 12).
Продолжительность образования сварного соединения состав-
ляет 10“*—КГа ..
Основными на раме-рами ударной сидки в вакууме являются
-мпература нагрева к удельная энергия №\л удара, обеспечива-
ющая необходимую высокоскоростною деформацию яр«контакт-
чях объемов свариваемых мс..ллов (табл. 4.3).
Свариваемые металл^ нагревают до разлччщлх температур
разведенном состоянии, что обеспечивает равномерную пласги-
скую деформации в кию соединения
В свапных соединсгыях из ра шородных металлов, полученного
тарной сварка й в вакучме. слой юперметзллидов в переходной
юпе нс обнаружив 1ется. Прочность сварных соединений нахо-
[ится на уровне основное менее прочного металла.
Детали, сварен вые ударной сваркой в вакууме, обладают
вакуумной плотностью, высокими механическими свойствггми и
•тррозиоппой стойкостью в агрегсивлы/ средах. Гермоцпкличе-
гкие ИчПыт.” i’i oKoBHva-.n высокую на ьжясс'’'* сварны.х соеди-
геч ий
Т а б л и ц а 4.3
Оптимальные режимы сварки заготовок диаметром 20 мм
и высотой 30 мм из разнородных металлов
Соединяемое металла	Материал	Режим сварки	
		7. К	IFvn. МДж/м3 J г\
Ниобий — сталь	Никель	1423	1,5—2,0
	Железо	1523	1,5—2,0
Титан — сталь	Ванадий — железо	1473	2,0—2,5
	Ванадий — никель	1423	2,0—2,5
Ванадий — сталь	Никель	1423	2.0—3,0
	Железо	1473	2,0—3,0
Примечание. Толщина прокладок 0,05—0» 10 мм; скорость падения
бойки 6 м/с.
§ 7. ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ
Одним из направлений совершенствования технологии
диффузионной сварки является применение принципа контроли-
руемого деформирования на всех этапах процесса образования
соединения (нагружение, формирование, последеформационная вы-
держка, разгружекие). В основе этого метода заложены принципы
принудительного деформирования (А. П. Терновский, С. А. Гав-
риленко-Горошевский), т. е. управление скоростью пластической
деформации в свариваемых деталей в процессе их соединения.
Такую схему можно реализовать на оборудовании, в основу
которого заложена схема передачи давления, используемая в со-
временных испытательных машинах.
Диффузионную сварку с принудительным деформированием
(ДСПД) осуществляют при напряжениях, как правило, превыша-
ющих предел текучести. Таким образом скорость деформации г
задается приложенной нагрузкой Р и условиями, в которых она
действует. — прежде всего температурой Т и временем дейст-
вия t.
Скорость деформации может быть задана перемещением дефор-
мирующего устройства (пуансоны, траверсы, штампы и др.) при
любых значениях параметров, определяющих условия деформи-
рования. Эту схему применяли, как правило, при различных
способах сварки давлением, отличающихся значительными де-
формациями соединяемых элементов: холодной, газопрессовой,
трением, стыковой, электро контактной и др. Применение такого
деформационного цикла при диффузионной сварке дает возмож-
ность превратить пластическую деформацию из пассивного сопут-
ствующего процесса в фактор активного управления формирова-
нием сварного соединения и его свойствами В этом случае основ-
102
пым технологическим параметром (кроме Т) становится не Р,
• ё. Ее можно регулировать, т е. сознательно изменять в широ-
ком диапазоне значений — от скорости ползучести до более
пысоких независимо от других параметров (температуры, окружа-
цей среды, свойств и состояния соединяемых материалов и их
поверхностей), т. е. тех факторов, которые влияют на ё в условиях
зободиого деформирования В этом случае деформирующая
нагрузка Р становится зависимым и изменяемым параметром,
вязанным с сопротивлением пластической деформации при вы-
оранных режимах и размерах свариваемых деталей.
Преимуществом ДСПД является то, что контроль основных
зраметров осуществляется непосредственно во время сварки
ю диаграмме деформирующая нагрузка — деформация или де-
армирующая нагрузка — время. Для большей наглядности де-
г1х>рмирующие усилия обычно пересчитывают в напряжения. Это
♦<ожет быть выполнено в процессе сварки с помощью встроен-
• ой ЭВМ.
Выполненные к настоящему времени исследования показали,
зависимость механических характеристик сварного соединения
прочности, ударной вязкости, пластичности) от ё для ряда кон-
струкционных материалов (титановый сплав ВТ6, никель НП2,
'едь и др.) имеют экстремальный вид, что свидетельствует о воз-
можности оптимизации процесса.
Советскими и зарубежными фирмами для изготовления крупно-
габаритных титановых деталей самолетов и ракет используется
диффузионная сварка в сочетании со сверх пластичным форма ва-
1ем (СПФ/ЦС). Этим методом изготовляют детали длиной более
м (лонжероны, сложные штангоуты, несущий профиль крыла
амолета, рамы, каркасы и т. и.). По свавнению с традиционными
способами производства СПФ/ДС-процесс позволяет снизить сто-
имость титановых конструкций на 50%, массу на 30%, при этом
шело деталей в них уменьшается примерно в 20 раз и они стано-
вятся конку рентноспособными с алюминиевыми конструкциями.
Материалом, пригодным для СПФ/ДС-процесса, является сплав
Ti — 6А1—4V. После сварки изделия подвергают визуальному
ультразвуковому контролю, испытанию образцов-свидетелей
па растяжение и ударный изгиб, а также исследуют их микро-
структуру.
На рис. 4.13 показан этап СПФ/ДС-процесса получения типо-
вых конструкций.
Физической основой СПФ/ДС-процесса является способность
некоторых сплавов к сверхпластическому деформированию при
повышенных температурах. Технологическая изюминка заклю-
чается в том, что пакет заготовок (листов) сваривается и формуется
в температурном интервале сверхпластичности, образуя объемную
конструкцию.
Для этого листовые заготовки 1 помещаются в штамп 2 требу-
емой формы Участки 3, где не должно происходить сварки
>03
J
Рис. 4.13. Типовое конструкции, получаешь п»к СПФ/ДС-процессе:
« • лисэдаая g усиление»; б9 л • интегрально- кде-эдв* ^донитне ^с^ье^СФвенво нв vpex
и четырех «н«гон
покрывают антиадгезионным составом на основе иттрия или
нитрида бора. При сборке конструкции, показанной на
рис. 4.13, ау ее помещают в вакуумированную камеру, нагревают
до требуемой температуры и нагнетают инертный газ, под дав те-
нием которого сверхпластичный материал деформируется, при-
обретает форму, определяемую рельефом штампа. В местах кон-
такта листовые заготовки 1 образуют диффузионные соединения.
Таким образом, конструкция становится объемной и получает
необходимую жесткость. При изготовлении конструкций, пока-
занных на рис. 4.13, б, 6. сначала сваривают листы на участках 1
без покрытий, а затем подают в зоны 3 инертный газ и производят
сверхпластическое формование. Процесс ведут при постепенном
нагреве от 1023 до 1193 К со скоростью 3 К/мин при раздельной
подаче аргона для формования и диффузионной сварки. Формо-
вание происходит в процессе нагрева, затем идет диффузионная
сварка в гечение 2 ч,	1
В ажнейшим технологическим параметром СПФ ДС- процесса
является скорость деформирования листовых заготовок в состо-
янии сверхпластичиости. Во избежание их утонения и разрыва,
а также в целях обеспечения точности конструкции давление
и подача аргона изменяются во программе, обеспечивающей по-
стоянную скорость деформирования в зависимости от размеров
и сложности конструкций. Длительность формования зависит от
сложности конструкции и равна I —4,5 ч.
СПФ/ДСпроцесс осуществляется на прессовых установках,
где для равномерного распределения давления используют не-
сколько цилиндров (до 24 шт.), а для нагрева применяют спе-
циальные плиты. Усилие сжатия в открытых или вакуумных
прессах составляет от 1 до 176 МН. СПФ/ДС процесс позволяет
получать заготовки сложных изделий из разнородных н компози-
ционных материалов
104
 ЛАВА 5. ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА СТАЛЕЙ
И ЧУГУНОВ
$ 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМЫХ
МАТЕРИАЛАХ
Сталями называют сплавы на основе железа с содер-
жите?* углерода до 2%. Сплавы с содержанием углерода более 2%
13 $вают чугунами. Высока пЛ?иуованнылш сплавами, именуют си-
ы. • i держащие железо мене. 50%. Название дается по методу,
•шлющемуся основой сплава (>50%), например никелевые,
'6алът?вые, железе никелевые и др.
Объем производства ста. ей во много раз превосходит яроиз-
» дсгво в t z других металлов, вместе взяты?;. Конструкционные
'леродистые стали содержат до 0,7% углерода, который опре
. кет прочность этой группы. В стилях присутствует также
.  ..торсе количество ак называемых постоянных примесей
ера, фосфор, кислород, азот водород, марганец, кремний),
опадающих в металл или специально вводимых в него в процессе
рои водства, и небольшое количество случайных примесей, попа-
•гЮщих в сталь из скрапа (никель, хром) или шихтовых мате-
риалов (медь, мышьяк). Обычно в сталях содержится не более
О Мп, 0,35% Si, 0.05% S, 0,04% Р, 0,05% О, 0,3% Ni.
. 3% Сг, 0,3% Си. 0.08% Аг
В сварочной технике стели содержащие до 0,25% С, называют
« iэкоугл<?родистыми При содержании от 0 26 до 0,45% С стали
игносят к среднеуглеродистым. Высокоуглеродистыми называют
япи, содержащие более 0,46% С. Конструкционные углеродистые
«зли относится к доэвтехтоадным сплавам (<0,8% С).
Стали, которые содержат специально введенные легирующие
 лементы, отсутствующие в углеродистых сталях, называют леги-
I «ванными. При этом марганец и кремний считают легирующими
элементами, если их концентрация превышает соответственно
,7 и 0,4%. Согласно принятой классификации различают пизко-
редне и высоколегированные стали. Низколегированной назы
ют сталь, которая легирована одним или несколькими элемен-
! ми, содержание каждого из которых пе превышает 2,0%, а сум-
марное содержание не превышает 5%. Суммарное содержание
.тирующих элементов в среднелегированных сталях не пре-
ышает 10%. К высоколегированным сталям условно относятся
сплавы, содержание железа в которых более 45%, а суммарное
-удержание легирующих элементов не менее 10%, считая по
•ерхнему пределу, при содержании одного из элементов — не
8% по нижнему пределу (ГОСТ 5632—72} При обозначении
арок легированны?; сгалеи указывают примерный состав сталей,
аждый легирующий элемент обозначается буквой: Г — марга-
д- — кремний; Н — никель: X — хром; К — кобальт;
ниобий Ц — г./пкэний: М — молибден: Д — медь; Р —
бор, П — фосфор; В — аольфрам; Т — титан; Ф — ванадий;
Ю — алюминий; А — азот; Ч редкоземельные металлы.
Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание
угчерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инстру-
ментальных сталей в десятых долях процента). Цифры после букв
показывают примерное содержание данного легирующего эле-
мента в процентах (при содержании до 1% цифра после буквы
отсутствует). Стали, легированные азотом» имеют букву А в сере-
дине обозначения. Если в стали ограничено содержание серы
и фосфора (до 0,03% каждого) и 'обличены все условия произ-
водства высококачественной стали, то буква А ставится в конце
обозначения марки. Нестандартные стали и сплавы имеют произ-
вольное обозначение. Например опытные марки завода «Электро-
сталь» обозначают ЭИ (И — исследовательские), ЭП (П - пробные)
с указанием порядкового номера: ЭИ276, ЭП202 и г. д. Сплавь»
Челябинского металлургического завода обозначают буквами ЧС
(ЧС57, ЧС70 и др ).
Легированные стали классифицируют в зависимости от системы
легирования, структуры, свойств и назначения. По назначению
выделяют конструкционные и инструментальные стали, стали
и сплавы с особыми свойствами (коррозисниип тонкие, тепло-
устойчивые, жаропрочные, с особыми магнитны-ли и электри-
ческими свойствами и т. д ).
Низколегированные стали для сварных конструкций под-
разделяют па три группы: низколсгиоо данные низкоуглерэдистые
конструкционные, низколегированные теплоустойчивые и низко-
легированные среднеуглеродистые. Низколегированные низко-
углеродистые стали широко применяют в транспортном машино-1
строении, судостроении, строительстве гидротехш ческих соору-
жений. Эти стали легируют марганцем, кремнием, хромом и дру-
гими элементами (09Г2. 09Г2С, 14ХГС, 15ХСНД и др ). Низко-
легированные теплоустойчивые стали предназначены для работы
при повышенных температурах (до 873 К) в котлах, паровых
энергетических установках и других конструкциях. Для тепло-
устойчивых сталей характерно легирование хромом, молибденом,
вольфрамом, ванадием (12ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и т д.) и тер-
мическая обработка, заключающаяся обычно в нормализации
с последующим отпуском. Низколегированные среднеуглеродистые
конструкционные стали содержат более 0.23% • (25ХГСА,
30ХГСА и т. д.) и применяются в машиностроении в термообрабо-
танном состоянии.
Среднелегированные стали по назначению подразделяют на
конструкционные и теплоустойчивы*. Сроднелегировашше кон-
струкционные качественные и высококачественные стали содержат
до 6,5% С (30ХГСНА, 30ХН2МФА и т д ), а теплоустойчивые —
до 0.25% С (12ХЗМА, 20Х2МА и т. д.). Стали применяют в термо-
обработаянсм состоянии (нормализация или закалка с последу-
ющим отпуском), что обеспечивает временчег согрейявление раз-
106
рыву от 600 до 2000 МПа и вы-
сокую пластичность. Среднеле-
гированные стали в основном
относятся к перлитному клас-
су, а некоторые стали с высо-
ким содержанием легирующих
элементов — к мартенситному.
Эти стали используют в энерго-
машиностроении, тяжелом, хи-
мическом и транспортном ма-
шиностроении, других отрас-
лях техники.
Высоколегированные стали
и сплавы являются важнейшим
Рис. 5.1, Диаграмма Шеффлера (А —
аустенит, М — мартенсит, Ф — феррит)
конструкционным материалом практически во всех отраслях
промышленности, но наиболее широко их применяют в энерге-
тике, химической и нефтехимической промышленности, судо-
строении, авиационной, ракетной, атомной технике. В зависи-
мости от свойств высоколегированные стали и сплавы делят на
коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Основными
легирующими элементами в них являются хром и никель, наряду
с ними вводят также титан, молибден, ниобий, вольфрам, алюми-
ний и др. Коррозионная стойкость и окалиностойкость сталей
обеспечивается хромом при его концентрации более 12%.
Высоколегированные стали в зависимости от их структуры
делят на мартенситные (20X13, 20Х17Н2, 13Х11Н2В2МФ и др.);
ферритные (08X13, 08Х17М2Т, 15Х25Т и др.); аустенитные
(12Х18Н10Т,	10Х14Г14НЗТ,	20Х23Н13,	40Х18Н25С2,
09Х14Н18В2БР и др.); мартенситно-ферритные (09X13,
15Х13НЗБ, 18Х12ВМБФР и др.); аустенитноферритные
(20Х23Н13, 20Х28АН, 20Х20Н14С2, 08Х21Н6М2Т и др.); аусте-
нитно-мартенситные (09Х15Н9Ю, 14XI7H2, 09Х17Н7Ю, 09Х16Н6
и др.). Структура хромоникелевых сталей может быть прибли-
женно определена по диаграмме Шеффлера, предназначенной для
оценки структуры сварных швов (рис. 5.1).
Структура сталей определяется соотношением элементов фер-
рипгизаторов и аустенизагггоров, стабилизирующих феррит и аусте-
нит. Аустенизаторами являются никель, кобальт, марганец, медь,
азот, бор, углерод. К ферритизаторам относятся хром, титан,
алюминий, кремний, молибден, ниобий, ванадий, вольфрам.
Действие всех аустенизаторов приводится к эквивалентному
содержанию никеля, а ферритизаторов — к эквивалентному со-
держанию хрома. Если действие никеля и хрома принять за еди-
ницу, то их эквивалентное содержание можно определить по
формулам
NiaHB == Ni + ЗОС + 30N + 10В + 0,5Мп;
Сгекв = Cr + 1,5Si + 2МО 4- 5Ti + 2Nb + 2AI + 1,5 W + V.
107
Приведенные в различных работах коэффициенты уравнений
отличаются друг от друга. Расчет и диаграмма Шеффлера дают
ориентир* очную оценку структуры статей. Деление сталей на
структурные классы также является условным и приведено для
основной структуры, получаемой после охлаждения от высоких
температур на воздухе. Кроме того, разработаны новые стали,
например аустенитно-боридные, мартенситно-ста реющие. Если
в сталях мартенситного класса упрочнение достигается за счет
мартенситной структуры, vo в мартепситно-стареющих сталях
эффект упрочнения повышается в результате старения.
В высоколегированных оалях и сплавах обычно используют
комплексное упрочнение в результате легирования твердого
раствора и выделения упрочняющих фаз, например карбидов»
интерметаллидов, боридов. В инструментальных сталях исполь-
зуют главным образом твердорастворное и карбидное упрочнение.
Эффективность его реализации растет но мере перехода от сталей
повышенной прокаливаемости к штамповым и быстрорежущим
сталям. Стали пониженной прокаливаемости являются преимуще-
ственно углеродистыми с концентрацией углерода более 0,7%.
Для сталей с особыми магнитными и электрическими свойствами
механические свойства, а следовательно, и механизм упрочнения
не имеют существенного значения
§ 2. СВАРКА ОДНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
Низкоуглеродистые и низколегированные низкоуглеро-
дистые конструкционные стали наиболее широко применяются
в сварных конструкциях, однако использование диффузионной
сварки для их соединения незначительно. Это обусловлено хоро-
шей свариваемостью сталей любыми способами сварки плавлением,
а также возможностью пайки различными способами и припоями.
Кроме того, нет смысла говорить о диффузионной сварке крупно-
габаритных конструкций, например корпусов судов, вагонов,
резервуаров, для изготовления которых используют низколегиро-
ванные и нпзкоуглеродистые стали. Поэтому диффузионная сварка
рассматриваемых сталей выполняется только в тех случаях, когда
применение других способов сварки нецелесообразно из-за кон-
структивных особенностей изделий Применение диффузионной
сварки оправдано при соединении больших поверхностей тонко-
листовых заготовок, многослойных деталей, фольги, а также при
изготовлении деталей без последующей механической обработки,
формировании в процессе сварки каналов воздушного или жидко-
стного охлаждения и некоторых других случаях.	4
Диффузионная сварка в вакууме пизкоуглеродистых и низко-
легированных сталей не вызывает затруднений. Образующиеся
после зачистки поверхностные пленки в виде физически адсорби-
рованных или хемосорбированных газов существенного влияния
на образование соединений не оказывают. Более стабильные
108
Рис. 5.2. Характерные температурные интервалы, снь Лк
!»• геляющие изменение структуры при диффузионной п
сиз р кс углеродистых сталей:
/ перегрев; 2 — нормализация (перенрвездллнэация);
неполная перекристаллизации; 4 — рекряаталля5а-
• п б — старение	1573
оксидные пленки образуются на поверхно-
сти теплоустойчивых сталей в результате	и?з
легирования их хромом в небольшом коли-
честве. однако и в этом случае диффузион-
ная сварка не затруднена. Диффузионные
процессы на стадии объемного взаимодей-
ствия обеспечивают химическую однород-
ность металла в зоне сварки.	97f
Повышение концентрации углерода в низ-
колегированных среднеуглеродистых сталях 77/
способствует удалению оксидных пленок за
счет восстановления металла углеродом.
Сварку углеродистых и низколегированных
талей можно выполнять также в углекис-
ж газе или азоте. Применение углекислого газа основано на том,
что при температурах диффузионной сварки диссоциация угле-
кислого газа практически отсутствует, а окисление железа и угле-
родистых сталей углекислым газом происходит при температуре
выше 923 К. Сжатие соединяемых поверхностей ниже этой тем-
пературы исключает окисление соединяемых поверхностей при
температурах сварки. Для диффузионной сварки возможно ис-
пользование также инертной атмосферы или восстановительной
среды, создаваемой с помощью углеводородов.
Изменяя параметры режимов диффузионной сварки углеро-
дистых и низколегированных сталей можно получить свапные
соединения, обладающие одинаковыми механическими свойствами.
I la диаграмме железо — углерод (рис. 5.2) выделены наиболее
характерные температурные интервалы для углеродистых сталей,
которые определяют изменение структуры и свойств металла,
а при локальном нагреве — образование и строение околошовпой
зоны.
Наиболее благоприятным для диффузионной сварки является
температурный интервал от Ас3 до 1373 К. Анализ литературных
чанных показывает, что обычно температура сварки выбирается
вблизи верхнего предела, т. е. вблизи температуры, равной 0,77’пл
согласно рекомендациям И. Ф. Казакова. При циклическом изме
нении температуры нижнее значение температуры несколько
меньше Ас3. Максимальную температуру нагрева выбирают такой,
чтобы зерно не стало интенсивно расти. Нагрев металла выше
температуры 1373 К может привести к значительному увеличению
.ерна и образованию неблагоприятной видманштеттовой струк-
туры. Сварка в температурном интервале 2 (см. рис. 5.2) обеспе-
чивает мелкозернистую структуру с высокими механическими
109
6)
Рис, 5,3. Влияние температуры сварки (а), дав пения (б), ^времени сварки (я)
и степени В разрежения (г) на временное сопротивление соединений стали 45
(/ =? 5 мин, р = 20 МПа, В = 10“* Па)
свойствами. При локальном нагреве происходят структурные
изменения и в зоне термического влияния. Рекристаллизация
наблюдается в пластически деформированном металле, а старе-
ние — в кипящих сталях, содержащих повышенное количество
кислорода и азота. Температурный интервал старения 100—
500 К. В результате старения, как и при перегреве, снижается
ударная вязкость металла.
Обеспечение равнопрочности соединений при диффузионной
сварке углеродистых и низколегированных сталей обычно не вы-
зывает затруднений. Механические свойства соединений при от-
сутствии дефектов определяются максимальной температурой на-
грева и скоростью охлаждения. Если при сварке произошел рост
зерна, то его измельчение и повышение ударной вязкости могут
быть достигнуты последующей термической обработкой (нормали-
зация с отпуском). При сварке и охлаждении в вакууме скорость
охлаждения мала и не может вызвать упрочнения металла. В слу-
чае интенсивного охлаждения (например, обдувом воздухом или
газом с целью сокращения длительности цикла сварки) такой
эффект следует учитывать. Увеличению предела прочности и осо-
бенно предела текучести способствует пластическая деформация
металла в зоне сварки.
С повышением концентрации углерода и легирующих элемен-
тов в сталях влияние температуры сварки и последующей скоро-
сти охлаждения на механические свойства проявляется сильнее.
Характер влияния параметров режима диффузионной сварки
на механические свойства соединений для различных марок угле-
родистых сталей примерно одинаков (рис. 5.3). Микроструктура
НО
к bJ Миирос (кту
•  »го соединенья ст ।
4 xtihi
счнсния со* гоит i. а перл«; • । •♦, га, •	। саюшегися по
, ипиц г «.грен (рис. 5.4).
4н s гр : ? и'нны» per п атов	• jpt чз наьбо.д
|ь । шиш?- ппочии-	' I! t '	...	• и! пней
•	*1 Ура сварки 1 loir пл. чие	u 127 I* пр: про-
\ одинаковых .^рамсз, г-: р • • .	। ...» оссн» читающих об
. )В2Н .. ’нзиг .< СП КОН..	••••'1ПГТ- И, I'UHBU Г Проч •
•	। • • нй. Дал-_нмк •	। : . re «фигуры сверки
*	. 1 . р< .. ipO4ii' *rr  • ".типе < и п	•	1 быстрого роста
рва Существенно снижается астично гь и ударная вязкость
тла. Увеличение вре^н • ' . . иенски up <ил;ия соог-
। твенно по мин и I Па сносе» ictbv* поев* ген но прочное! и
и]; I Сварка па . unu: лдьнюх . • • Г/ Lz7 >1323 К,
lb-—2»' МПа, - 5 мин В - К ’	। t :иеч#вает равно-
.чнс  сварного сос шнени < • I впо о л
Ввел^чн! >ei »;|,гю»щ - элементок у . личш : • прочность ч:еж~
ГШЫХ связей В ГОНГ ^КЦ| мН • И ill "*нни т г. июу стопчи вых
, ЧТО иг. лчно npt	|Г' на. Г 1 тров р жГ ;.
р>узИ1_пн ih сванки, ••• । ^г^нию * 15 истыми сталями,
чь идет • тех ;«:эях. гла • Д ;	равноценней, гь . -днне
♦ и оснавзного металла по всем ni азак ям механических
••• Днств. В рзбо’5Х М. Макары Г Haaapqvr.a ио сварк<
.р ми ческр у п роч ° я ем< »i х [н *л еги рюшных i a i ей по к аз н о,
• пзибк l с-ожно «»б^печить требуемую »дарк\ю вязкость
, тинении, гак как ( • , узо&л; г - общих  ( п . длке.и 1 юсгаточно
ия /, iL-HHi. ’	। сдинешР< (ьгаты »• сстороИ’
о .rvtirvr прочности. ' кзрни ' Г'^лиСТИ, I ’ и "AH И МИКРО-
укт ы чтений ш 12Х2Н1Л . 	: рдили ирлвомер” >. гь
. р .’«роциссс икМл .. 1 । ’ • тр^. к..тачр? Первая
гадг- - образование Jnu «чсскг кош шта сочиняемых по-
. -.л.к.л. От- 1	 я v ' 1 ..bi я и -п ь~гт.ы зерен,
Рис. 5.5 Влияние давления сжа-
тия на ударную вязкость соедине-
ний стали 12Х2Н4А и коэффициент
Dce с^модиффузни железа (Т =•
- 1423 К, р 17,5-:-20,0 МПа,
-- 12 у ни, В -=^ 10~s Па)
4.-7
Рис. 5-6 Диаграмма аклзотермич* „кого
распада аустенит '.та. v 12Х2Н4А
после нагрева до теш гратуры 1473 К
(Б —бейнит; Ма и Л4В— начало и ко-
нец мартенситного прев общения)
ориентированной главным образом по плоскости соединения,
ит может обеспечить прочность на уровне основного металла, во
очень низкую ударную вязкость соединений. Дальнейший про-
цесс активации поверхностей и образования общих зерен повы-
шает к а чес гво соединений, однако в стыке го бывшей границе зе-
рен сохраняются дефекты, выявляемые в виде ямок при специаль-
ном травлении. Для получения равнопрочных •• основным ме-
таллом соединений необходимо интенсивное развитие процессов
диффузии на заключительной стадии — стадии объемного взаимо-
действия .
Выявляемые при специальном травлении ямки обусловлены
наличием на соединяемых поверхностях различных несовершенств
атомного строения: вакансий, дислокаций, чужеродных атомов,
которые в процессе формирования общей границы под воздействием
температуры и давления могут перемещаться вдоль стыка и ко-
агулировать. В дальнейшем в результате зернограничной и объем-
ной диффузии эти несовершенства рассасываются и исчезают.
Для повышения качества соединений необходимы тщательная
очистка поверхностей и сварка в возможно более глубоком ва-
кууме Так, для стали 12Х2Н4А увеличение степени разрежения
вакуума от 10’* дю IO“S Па повышает ударную вязкость соединен#
более чем в 2 раза. Эффективно также повышение соецржания в
стали и на соединяемых поверхностях углерода, способствующего
восстановлению и удалению оксидных пленок. Лучше формиру-
ются высококачественные соединения при сварке стали с мелко-
зернистой структурой, так как границы зерен являются стоками
дефектов атомного строения, располагающихся по плоскости
ггыка.
Повышение температуры и давления сварки увеличивает диф-
фузионную подвижность атомов, скорость ползучести и величину
пластической реформации металла в зоне стыка, ото обеспечивает
химическую и физическую микрооднородноегь Как видно из
Рис. 5.7. Микроструктура
тля 12Х2Н4А после Harpe-
О’’ в процессе сварки до тем-
кратуры 14?3 К f охлажде-
ния от температуры Ас3 по
к, ивой 6' (см, рис. 5.6) со
скоростью 0,3 К/с, ХЗЗО
рис. 5.5, характер кри-
глтх влияния давления
сжатия на ударную вяз-
*;ость соединений и ко-
зффи ци ент са модиффу -
?i железа одинаков.
Повышение темпера-
уоы сварки до 0,95 Гпд
♦ г як терно и для др у-
их марок легирован-
ных сталей, например
I8X2M, 30Х2Н2М,
• 8Х2Н4ВЛ, 30ХГСНА. Б целях сохранения мелкозернистой струк-
• уры и интенсификации диффузионных процессов температуру
сгарки целесообразно циклически изменять с переходом через
область фазовых превращений.
При сварке сталей, применяемых в машиностроении в термо-
обработанном виде, целесообразна термическая обработка после
сварки. При невозможности выполнения термической обработки
деталей необходимо принять в процессе сварки такие термические
циклы, при которых распад аустенита происходит в нижней части
интервала ферритно-перлитного превращения с образованием
ферритной матрицы, содержащей мелкодисперсные продукты
перлитно-бейнитного превращения. При этом следует учитывать
возможность образования (при малых скоростях охлаждения мас-
сивных деталей в вакуумной камере) крупных участков избыточ-
ного феррита, что приводит к снижению прочности и особенно
. тарной вязкости металла. Благоприятную скорость охлаждения
можно выбрать по диаграммам анизотермического распада аусте-
нита (рис. 5.6).
Микроструктура металла после нагрева до температуры свар-
ки 1473 К и охлаждения со скоростью 0,3 К/с (см. рис. 5.6, кри-
|?я 6) показана на рис. 5.7. Микроструктура состоит из бейнита
» небольших выделений феррита (белые включения). С повышением
•'корости охлаждения можно получить чисто бейнитную струк-
туру (см. рис. 5.6, кривая 5), бейнитно-мартеч ситную (кривая 4)
или чисто мартенситную (кривые 1—3} с различной твердостью
металла, а следовательно, и различными механическими свойст-
вами сварного соединения.
Особенности диффузионной сварки высоколегированных сталей
рпрелеляются их структурой и составом. Высокая концентрация
113
KUO
1200
5-8, Влияние температуры (а), давления сжатия (б) и времени сварки (в)
1 временное сопротивление ов, относительное удлинение 0 соединений и степень
г литической деформации е в зоне стыка при -гаоке стали 14X17Н?
у пома, алюминия, титана способствует образованию нз соеди-
мы?' поверхностях термодинамически прочных оксидных пле-
затрудняющих сварку. Для их удаления необходимо исполь-
зование высокой температуры и значительной пластической дефор-
мации металла при сварке. Подобные параметры сварки особенно
характерны для чисто аустенитных сталей (см. рис 5.1), обла-
дающих высокой стабильностью криста л ческой рсшетк г, более
крупнозернистой структурой ио сравнению с чвухфазными сга-
; тми и более низкими коэффициентами диффузии. Легирование
молибденом, вольфрамом, ниобием, тиганом подавляет диффузион-
ную подвижность атомов сплава, что так ж» требует повышения
температуры сварки.
При сварке ферритных сталей необходимо учитывать интенсив-
' ый рост зерна при нагреве выше 1423 К и, как с юдствие, сни-
жение ударной вязкости Длительное пребывание ферритных и
оустепитно-сферритных сталей при температурах 823—1173 К
l сзывает сигматизацию за счет перехода феррита в сг-фазу ? ох-
рупчивание металла. Охрупчивание во можно также пос те дли-
тельной выдержки при температуре 673- -813 К. При сварке мар-
тенситных, а у стен итн о-мартен ситных з ферритно мартенситных
сталей на свойства основного металла и сварных соединений су
щеетвенпо влияет скорость охлаждения 'мюле сварки и термиче-
ская обработка. Высокохром истые стали имеют ферритную и
полуферритную структуру. Наличие в сталях других элементов
обусловливает их переход из одного структурного класса в другой.
Выбор режимов диффузионной сварки высоколегированных
сталей обусловлен стабильностью их структуры, сопротивлением
ползучести, диффузионной подвижностью < омов в высокотем-
114
Рис. 5.9. хМикроструктура сварного соединения маптенситно-ферритной стали
20Х17Н2, Х120
пературной области. Указанные характеристики определяют жа-
ропрочность металла, поэтому наибольшие сложности возникают
при диффузионной сварке высоколегированных жаропрочных
аустенитных сталей.
В гл. 4 приведены экспериментальные результаты определения
оптимальных параметров режима сварки мартенситной стали
20X13 : Т = 1173^-1223 К, р - 15^16 МПа, t = 10 мин. Эти
параметры вполне обеспечивают высокотемпературные свойства
сварных соединений. Например, предел текучести стали при
указанной температуре, по данным различных авторов, составляет
19,6—11,7 МПа» а сопротивление ползучести значительно ниже.
Улучшение высокотемпературных свойств стали после добавления
никеля соответственно вызывает необходимость повышения пара-
метров сварки мартенситяо-ферритной стали I4X17Н2, для которой
Рис. 5Л0. Влияние темпе-
ратуры (а), давлении (б)
на временное сопротивле-
ние соединений аустенит-
ной стали 457 14HI4B2M
1173	1273	1373 Т ,К W 15	75 25
а)	р,М71а
б литературе рекомендованы температура 1273 К. давление 14,7—
25,5 МПа, время 20 мин. Влияние параметров сварки на механи-
ческие свойства соединений стали 14Х17Н2 и величину пластиче-
ской деформации металла в зоне сварки показано на рис. 5.8,
а микроструктура соединения — на 5.9.
Еще более высокие параметры необходимы при диффузионной
сварке аустенитных сталей. Например, для аустенитной стали
45Х14Н14В2М оптимальными являются температура 1348 К,
цавлеяие 17,5 МПа, время 10 мин (рис. 5.10). Во всех случаях
сварки высоколегированных сталей рекомендуется степень ва-
куума порядка 10~2 Па. При сварке стали 45Х14Н14В2М на опти-
мальном режиме ударная вязкость соединений не ниже, чем ос-
новного металла. Для получения соединений аустенитных сталей
с оптимальными свойствами благоприятные условия развития ре-
кристаллизация и диффузии ограничиваются недопустимостью
чрезмерного роста зерна и перераспределения примесей, снижа-
ющих ударную вязкость соединений.
Аналогичные результаты исследований получены для других
аустенитных сталей 12Х J4H14B2M,	37Х12Н8Г8МФЕ),
09Х14Н14СВ2М. 40Х15Н7Г7Ф2МС, 12Х18Ы0Т и т. д. Вместе
с тем в литературе встречаются рекомендации для выбора более
низких параметров сварки, если к механическим свойствам соеди-
нений не предъявляют таких же требований, как и к механиче-
ческим свойствам основного металла. При этом следует учитывать,
что равноценность соединений и основного металла легче дости-
гается по одним свойствам и труднее по другим.
При сварке сталей с особыми магнитными и электрическими
свойствами выбор параметров режима диффузионной сварки
ведут прежде всего с учетом влияния термодеформ анионного ник-
ла сварки на эти свойства. Обычно диффузионной сваркой такие
стали соединяют с другими сталями так же как и инструменталь-
ные стали.
§ 3. СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ С1АПРЙ
Диффузионной сваркой наиболее чаете сваривают стали
различных структурных классов, например ферритине или ау-
стенитные с мартенситными. Широко применяются сое цш ей и я
глеродистых и легированных сталей Термический никл сварки
талей различных структурных классов различно влияет на струк-
туру и свойства соединяемых материалов. При этом за счет гради-
чтов концентраций и активностей элементов в зоне стыка могут
развиваться интенсивные диффузионные .процессы Формирование
переходных зон в значительной степени определяет свойства со-
чинений, поэтому протекающие в зоне сварки диффузионные про-
цессы нужно контролировать и регулировать Закономерности раз-
•лггия этих пропессов были изложены в гл. 2. Гак как различные
груктурные составляющие имеют неодинаковые удельные объе-
мы и коэффициенты термического линейного расширения, го воз-
никающие напряжения также оказывают влияние на механические
зойства соединений.
Режимы сварки разнородных сталей в значительной мере оп-
ределяются требованиями к сварным соединениям и изготовляе-
мым деталям. Наиболее характерным примером является сварка
электротехнической стали с магнитными сплавами типа ЮНДК
Наиболее распространены сплавы системы железо—кобальт—
никель, содержащие 7,0—8,5% А1 и 2,5—4.0% Си. В сплавах
гипа ЮНДК концентрация кобальта составляет 23—35%, ни-
еля 13,5—14,5%. В связи с высокой твердостью и плохой обра-
батываемостью магнитотвердых материй лов применяют состав-
ные магниты. Главной характеристикой, определяющей при год-
ность постоянного магнита, является его высокая коэрцитивная
сила, достигае?лая специальной термической обработкой литого
сплава. Стабильность магнитных свойств сплавов обеспечивается
при их нагреве не выше 823 К, поэтому разработанные техно
огии соединения электротехнических сталей с магнитными сила-
нами предусматривают температуру снарки 823- 853 К. Сварка
выполняется при давлении 10 МПа в течение 15 мин через про-
слойку высокодиспсрсного порошка формиатного никеля (дис-
персность мкш, восстановленного в сухом водороде. Такие
мелкодисперся ые активные порошки легко чеф-ормируются под
действием даже небольших напряжений. Соединение получают
«а счет большого запаса поверхностей энергии высокодисперсной
пазы.
При использовании гальванического медного или никелевого
юкрытия толщиной 5—10 мкм необходимо повышение давления до
15 МПа и температуры сварки до 1023 К, что ухудшает магнитные
войства сплавов. Отпуск после сварки позволяет поднять коэр-
и. пивную силу сплавов до требуемого уровня.
В других случаях сварка электротехнической стали может быть
выполнена при значительно более высокой температуре, напри-
117
мер, с аустенитной сталью 12Х18Н10Т. Получение крупнозерни-
стой структуры электротехнических сталей магнитопроводов обе-
спечивает снижение коэрцитивной силы, поэтому В. Г. Новико-
вым на основе исследований структуры, состава и свойств соеди-
нений для сварки стали ЭЮ с немагнитной сталью 12Х18Н10Т
рекомендованы температура сварки 1373 К, давление 15 МПа,
время сварки 15 мин с последующим медленным охлаждением
до 873 К» Особенно важно иметь малую скорость охлаждения в
температурном интервале перехода аустенита в феррит, что спо-
собствует получению более крупного ферритного зерна. В зоне
стыка образуется переходная зона, обусловленная взаимной диф-
фузией элементов. Глубина диффузии в сталь ЭЮ составляет
8 мкм для хрома, 5 мкм цля никеля и 3 мкм для титана. Диффузия
железа в сталь 12Х18Н10Т повышает его концентрацию до 85%
на глубине 8 мкм. Ширина переходной зоны при сварке на опти-
мальном режиме составляет 10—15 мкм, предел прочности соеди-
нений — 350—400 МПа.
Аналогичный режим применяется при диффузионной сварке
магнитной стали 20ХЗМВФ с немагнитной 25Х17Н4Г15АФ2:
Т ™ 1373 К, р ~ 15 МПа, t = 10-е-20 мин, В = 10“г Па. Однако
для сварки той же магнитной стали с немагнитной сталью
0Х20Н4АГЮ в качестве оптимальных рекомендованы Т = 1223 К,
р =- 15 МПа, t = 10 мин со смещением индуктора на сталь
20ХЗМВФ. Дело в том, что в процессе сварки немагнитная сталь
0Х20Н4АГ10, поставляемая в нагартованном состоянии, должна
сохранять наклеп. Наличие рекристаллизованной зоны допуска-
ется только в очень малых пределах. Требования к соединениям
обеспечиваю гея при снижении температуры сварки. Результаты
исследований подтверждают также положительное влияние на
процесс сварки активации одного из соединяемых материалов на-
гартовкой
В некоторых случаях сварки разнородных сталей требуется
термическая обработка, например, при диффузионной сварке в
вакууме аустенитной стали 12Х18Н10Т с мартенситно-ферритной
12X13. Для этих сталей определены, как оптимальные,
Т = 1323 К, р = 15 МПа, t = 20 мин, В = 10~Ч-7.10~2 Па.
При испытаниях на растяжение сварные соединения разрушаются
по стали 12Х18Н9Т. При сварке можно использовать кладку из
стали 12X13, поэтому после сварки проводится закалка в масле,
нагретом до температуры 1323 К, и отпуск при температуре 723 К.
Исследования микроструктуры нетермообработанных сварных сое-
динений показали рост зерна сталей и выпадение в стали 12Х18Н9Т
карбидов хрома, образование которых обусловлено диффузией
углерода из стали 12X13 в сторону активных карбидообразова-
телей
При сварке аустенитной стали 12Х18Н9Т с мартенситно-фер-
ритной сталью 14Х17Н2 температура была более высокой, но
давление сжатия — ниже, что подтверждает взаимосвязь пара-
118
мегро!? режима. Стали сваривали при температуре 1373 К и
давлении 7—8 Ml la, время сварки составляло 10 мин. Степень
вакуума 5-10*“3 Па. После сварки соединения подвергали отжигу
при температуре 923— 943 К в течение 1,5 ч
Диффузионная сварка разнородных сталей показала, чти
наиболее развитые диффузионные зоны образуют атомы внедре-
ния, в частности углерода. При сварке стали СтЗ и 08X13 по ре-
жиму: Т = 1173 К, р = 10 МПа, t 2 мин — ширина выявля-
?мой с помощью изотопа углерода зоны диффузионного перерас-
пределения углерода составляет I » мкм. При этом концентрация
гглерода в стали СтЗ понижается до 0,06%, а в стали 08X13 по
эышается до 0,5%. Наиболее интенсивная диффузия углерода на
блюдается в интервале температур от 4с3 до 723 К, особенно при
температуре ~1013 К. Концентр-- шя углерода у границы соеди-
нения в сталях 08X13, 12X181 ПОТ и в других высоколегирован-
ных сталях превышает 1%, что вызывает образование карбидов и
охрупчивание науглероженной зоны. В процессе термической об
работки или эксплуатации при высоки? температурах возможен
сильнейший рост карбидной прослойки. Во избежание охрупчи-
вания соединений ширина диффузионной зоны при сварке разно-
родных сталей должна строго контролироваться Карбиды и не-
которые другие фазы, но-видимому, могут растворяться при аусте
нитизации.
Если величина пластической деформации жестко ограничена,
то сварка разнородных сталей выполняется при изменяющихся
температурах и давлениях. Примером может служить гехнолотия
сварки зубчатого венца из пизкоуглеродпстой стали с шестерней
из низколегированной стали. Сварка этих деталей на режимах,
принятых для углеродистых сталей (Г - 1273-4-1373 К» р
154-20 МПа, t = 5-4-10 мин), вызывает недопустимые деформа-
ции. Поэтому для сварки разработаны режимы из нескольких сту-
пеней. Первая ступень обеспечивает смятие микронеровностей и
физический контакт соединяемых поверхностей, является кратко-
временной во избежание развития значительпых деформаций.
На первой ступени Т = 13234-1373 К, р 15 МПа, t - 54-7 с
На второй ступени температура снижается до 1023 К, давление уве
личивается до 20 МПа, а время сварки составляет 10 мин.
Другим способом уменьшения пластических деформаций дета-
лей является (‘варка ( промежуточными прокладками. Напри-
мер при сварке инструментальной стали Р18 и стали 45 в качестве
оптимальных рекомендуются температура 1273 К, давление
20 МПа, время сварки 5 мин. Для соединения быстрорежущих
сталей Р6МЗ, Р6М5 со ста тью 45 по конической поверхности ре-
комендованы более высокие параметры соответственно 1373 К,
20 МПа, 15 мин. Пластическая деформация при сварке ск ли 45
и стали Р18 достигает 5.5%, что недопустимо дли некоторых изде-
лий. Повышение качества подготовки соединяемых поверхностей
до десятого класса шероховатости позволяет снизить температуру
сварки до 1173 К и давление сжатия до 10 МПа, однако и в этом
случае деформация бывает не ниже 2,8%, Резке уменьшить вели-
чину деформации (до 0,1%) позволяет применение никелевой про
кла -ки, наносимой гальванически или напылением. Высокока-
чественные сое? ше^'ия получают при толщине прокладки 2 мкм,
температуре НН • К давлении 1 МПа и времени сварки 20 мин
Приведенные результаты исследований и разработки показы-
вают большие возможности, перспективы и преимущества диф-
фужитиной сварки рачнорс'нь сталей перед другими способами
сварки гак как она позволяв правлять процессами взаие- / •
стеия cot тин [Е'.ых материал >ь.
§ 4. СВАРКА Ч УГУ ЧА
Несмотря на широко? использование в пр гьпьленно-
сти, чугуны тля сварньп* конструкций практически не пр имен я ют,
что с-65 • лвлено их хрупкое ою и высокой склонностью к образо-
ванью трещин, отбеливанию. Поэтому сверка выполняется в ос
новчом при ремонте и ти восстановлении чугунных деталей, а также
при соединении чугуна со сталью i ли другими металл а м г Коро
щие результаты o5ei чечивает диффузионная сварка в вакууме.
Наличие в чугуне мартенсита определяется скоростью охлаждения
металла в температурном интервале наименьшей устойчивости
аустепита (573—773 К), а диффузионная сварка позволяет вести
охлаждение с любой скоростью
Диффузионную сварку чугуна СЧ15 изучали в целях опреде
ления оптимального режима (рис. 5.11). При температуре сварки
до 1023 К низкая прочность соединений объясняется малой ин-
тенсивностью диффузионных процессов. При температуре 1173 К
и выше наблюдали разупрочнение соединения, связанное с графе
тизацией чугуна и образованием дополнительного феррита. Огл
гпмачьными были выбраны температура 10^3 К, давление 30 МПа,
время 20 мин. Анализ других имеющихся в литературе данных
Рис 5.1 i> Влияние'температуры (а), давления (б) и времени сварки (с) на вре-
иегяс сопротивление соединений чугуна СЧ!о (7'= 1073 К и 30 МПа.
i = so мян, и пт3 its)
‘оказывает, что температура диффузионной сварки чугунов на-
ходится в интервале от 1073 до 1173 К. С ростом температуры
давление сжатия уменьшается.
Диффузионная сварка чугуна со сталью не требует специаль-
ной технологии. Освоена сварка чугуна с низко- и среднеуглеро-
дистыми, а также высоколегированными сталями.
Сварку серого чугуна СЧ10 с низкоуглеродистой стачаю Сто
исследовали в температурном интервале 1023—1273 К с испыта-
ниями соединений на растяжение, изгиб, ударную вязкость. При
^явлении 10 МПа и времени сварки 10 мин рост температуры до
148 К повышает временное сопротивление и ударную вязкость
юединений. Дальнейшее увеличение температуры с ларкч не
называет существенного влияния на механические свойства
;©едииензй, но увеличивает деформацию уширения стальных it
линдрических образцов (диаметр 15 мм) до 4,3%, а чугунных
ло 12,2%.
Металлографические исследования показали наличие в зон?
стыка со стороны стали диффузионного с поя углерода и перлит-
ной полоски, а со стороны чугуна — обезуглероженного слоя,
ширина которого растет по мере увеличения температуры сварки,
оптимальными были Т ~ 1123 К, р = 10 МПа, t = 10 мин,
В = Ю-Ч-З-10“2 Па.
Аналогичные результаты были получены при сварке чугунов
других марок со сталями. В качестве оптимальной рекомендуется
температура сварки 1123 К Для чугуна СЧ13 и стали 45, чугуна
СЧ15 и стали 14XI7H2, температура 1173 К — для чугуна СЧ20
и стали 50, чугуна СЧ15и стали 12Х18Н9Т, чугуна КЧЗО и стали
12Х18Н9Т. Давление сжатия при сварке чугуна КЧЗО со сталью
доставляло 30 МПа, во всех остальных случаях — 15 МПа. Время
'варки чугуна с углеродистыми сталяхми было 5 мин, с высоколеги-
рованными — 15 мин. Сварка выполнялась в вакууме со степенью
разрежения 10“т—10"2 Па
Необходимость соединения серого и ковкого чугунов с кор-
розионно-стойкими сталями возникает при изготовлении запорной
арматуры. Сварные соединения подвергали испытаниям на рас-
тяжение Временное сопротивление разрыву соединений стали
12Х18Н9Т с серым чугуном СЧ15 составило 165 МПа, с ковким
чугуном КЧЗО — 325 МПа. Металлографические исследования
показали, что при оптимальном режиме образуется монолитное
соединение без непроваров и каких-либо изменений структуры
основного металла в зоне сварки.
В химическом и нефтяном машиностроении широко применяется
различная арматура с заданным проходным сечением. Для соз-
дания уплотнений используют запрессовку и завальцовку ла-
тунных колец или наплавку латуни. В целях повышения работо-
способности и долговечности уплотнений разработана диффузион-
ная сварка корпуса арматуры из чугуна СЧ15 и уплотнительного
кольца из стали 14Х17Н2. Критерием определения оптимальных
режимов сварки служили технологические испытания на отрыв
уплотнительного кольца от корпуса. Напряжение отрыва было
-150 МПа.
Диффузионная сварка чугуна со сталью является эффективным
способом изготовления тормозных секторов высокоскоростных
машин. Тормозной сектор представляет собой трехслойную де-
таль, состоящую из стальной пластины (сталь 10), к которой с двух
сторон приваривают пластины из чугуна ЧН2Х Площадь сварки
превышает 50 см2, однако при диффузионной сварке на оптималь-
ном режиме обеспечиваются надежные соединения без дефектов,
причем участки с отбеленным чугуном полностью отсутствуют.
Параметры режима сварки этой пары были следующими: 7
1173 К, р -20 МПа, t = 5 мин.
Анализ приведенных режимов сварки чугунов и сталей пока-
зывает, что с переходом от чугунов к сталям температура сварки
повышается. При сварке чугунов со сталями температура сварки
выше, чем при сварке чугунов в однородном сочетании. Это под-
тверджает необходимость активации при диффузионной сварке
термически более стабильного материала С повышением степени
легирования сталей и устойчивости атомной решетки затруднения,
возникающие в процессе сварки, растут. Наиболее сложные про-
блемы возникают при сварке хромоникелевых жаропрочных
сплавов.
;AAdA 6. СВАРКА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
§ Е ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ НИКЕЛЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Температура плавления никеля 1726 К, коэффициент
линейного расширения 13,3- 10-в К"'1. Никель обладает высокой
химической стойкостью в различных средах. Широко примеля-
<. гея в химической промышленности цля изготовления аппаратуры,
о электронной промышленности для изготовления деталей электро-
вгщу\ мных приборов и внутриламповой арматуры (анодов, сеток,
। риов оксидных катодов). В электротехнической промышленности
иг и меняют сплавы никеля с медью и железом типа монель и кон-
сгантан для изготовления катодов. Сложнолегированные никеле-
вые жаропрочные сплавы являются основным конструкционным
материалом современных газовых турбин, реактивных двигателей,
летательных аппаратов.
Особенности диффузионной сварки никеля и его сплавов он-
р’\«. хяются их свойствами и составом, в частности термодипами-
’^ггкой прочностью оксидной пленки, conpoi явлением ползучести
и деформационной способностью металла. На чистом никеле при
лагоевс образуется только один оксид NiO, имеющий сравнитель-
но высокую упругость диссоциации 1,3-10‘®—1,3-10"4 Па при
373—1373 К. Однако никель, как d-переходный металл, образует
с кислородом устойчивый хемосорбированный комплекс. Удаление
кислорода обусловлено его диффузией при сварке в глубь ме-
талла. Растворимость кислорода в никеле составляет 0,012%
при 1473 Кис понижением температуры увеличивается. Расчеты
показывают, что длительность растворения оксидной пленки тол-
щиной 0,005 мкм в никеле при температуре 1173—1473 К изменя-
ется от нескольких секунд до десятых долей секунды. Поэтому
оксидная пленка на никеле не вызывает особых затруднений при
сварке. Электротехнические никелевые сплавы типа монель и
константан также образуют термодинамически непрочные оксиды,
близки к никелю по различным свойствам, и их сварка существенно
не отличается ос сварки никеля.
Жаропрочными называют материалы, сохраняющие при вы-
соких температурах свою работоспособность, которая определя-
ется комплексом свойств жаропрочности и жаростойкости. Жаро-
прочность связана со способностью материала сопротивляться
воздействию нагрузки при высоких температурах. Главными ха-
рактеристиками жаропрочности материала являются его сопро-
тивление ползучести, длительная прочность и пластичность, ста-
бильность структуры и свойств. Жаростойкость обусловлена стой-
костью материала к химическому разрушению поверхности под
воздействием окружающей среды. В энергетическом и транспорт-
ном машиностроении наиболее широко применяют жаропрочные
никелевые сплавы. Никель обеспечивает ГЦК решетку сплава,
которая по сравнению с ОЦК решеткой имеет большую плотность
и меныпую диффузионную подвижность атомов, что повышает
температуру рекристаллизации сплава.
Жаропрочные никелевые сплавы получают сложным легиро-
ванием. В большинстве случаев массовая доля элементов в спла-
вах составляет, %: 0,06- -0.20 С; 0,3—1,0 Мп; 0,3—1,0 Si; 8,0—
22,0 Сг; 0—20,0 Со; 0—10,0 Мо; 0—11,0 W; 0—4,0 Ti; 0—6,0 Al;
до 5,0 Fe. В них также содержатся в небольших количествах бор,
цирконий, цезий. Суммарное содержание алюминия и читана
обычно -»е превышает 8,0%, а в некоторых сплавах их заменяют
ниобием и танталом. Никель, кобальт, железо, хром, молибден,
вольфрам и ванадий образуют аустенитную матрицу. Алюминий
и титан образуют упрочняющую у'-Лазу" Nis (Al, ТВ. а ниобий
и тантал могут замещать их в у'-фазе.
Хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал и титан
являются карбидообразующими элементами. Кроме того, хром
и алюминий, образующие плотные термодинамически прочные ок-
сиды, обеспечивают жаростойкость сплавов.
Благодаря сложному легированию никелевые сплавы по -жаро-
прочности превосходят железоникелевые и кобальтовые сп ’гвы,
однако и их использование ограничено температуре# 1273—
1373 К- При более высоких температурах можно эксплу: ."и ронять
никелевые композиционные жаропрочные материалы. Создз»-зе
: О"*
 е - >
ломлозииконных материалов осуществляется по трем основным
направлениям-
Первое, направление связано с армированием металлической
матрицы волокнами или слоями тугоплавких металлов и соеди-
нений, второе < направленной кристаллизацией эвтектических
структур, третье - с упрочнением матрицы ультрадисперсными,
высокостабильными частицами тугоплавких соединений. Компо-
зиционные жаропрочные материалы обычно имеют матрицу из
жа ри пр очн ы а н и к ел евы х с пл а вов.
Наиболее успешно развиваются два последних направления.
Эвтектические комио ицкг крист алл :*зу ю\ся в равновесных усло-
виях, х а ра ктер н зу ю»ся ми и и м у м ом м ежфа«н ой л о в» р хн ос тн ой
энергии и высокой термической стабильностью (раз, регулярным
и ориентированным расположением упрочняющих фаз, а также
их идеальным сопряжением с матрицей. Упрочняющей фазой
служат интср метал пи чине или карой чине волокиж Упрочните-
лями г тисперсно-упрочиснных материьлах являются высоко-
дисперсные, равномерно распределенные частицы, главным об-
p<i3o?vi оксиды, не взаимодействующие активно < матрицей и за-
'1с г нс не растворяющиеся в ней вплоть п.о температуры ее плавле-
ния. сП и частицы вводят в сплавы на одной из стадий технологии
их получения.
Везьма важным при соединении жаропрочных сплавов явля-
йся удаление оксидных пленок и активация поверхностей. Дне-
соцт чцг возгонка или растворение оксидов сопровождаются или
об; ;/ов шваются разрывом связей, в результате чего образуются
активные центры Однако оксиды жаропрочных сплавов, термо-
ди;пмнч?скн прочные в вакууме со степенью разрежения 1,3 X
Л |;)гд—1,3-10~8 Па, не ассоциируют. Остающиеся пг соедини-
р аботоспоссбн ость
ния пр
емых поверхностях оклады даже в случае их разрушения и дез-
ад_Д1 под действием пластической теформанки влияют на
г соедпнеикй в условиях, длительного пагруже-
н высоких температурах. Поэтом у большинство исследова-
/..•лей отвечают неоихсдишость зачистки свариваемых поверхностей
пекисре: riBc ?. перед сваркой.
В ря » случаев для удаления оксидов рекомендуется исяольч
зова.1 I щес1Р'1, восстанакливающне металл и? оксидов в дающие
’««л. 'ьд продукты взаимодействия. К таким веществам от-
у о^т< , lenoj. и ею	соед-жепия типа углеводородов»
хлоци'тый и тористый аммонии и др. Термодинамические рас-
четы > иг? гакуумЗсш металлургии показывают, «то в вакууме
акт..лф.-.тс углерода к кислороду значительно возрастает Вос-
‘таяа^нвая метали, углерод окисляе-^я до оксида углерода,
коти*' 1Й легка удаляется. В bocci w>si тельном процессе может
п-„г, тъ участие » ер од. имеющийся в сплавах, однако жаро-
щючпы . и • л нг.зкос содержание уг.-<еродт. Поэтому
v • >д -н • л виде ил1 г виде соединений (стеарин, стирол
и  г   ? j KuH г и »: 5 PQH1-C и'Т о Во избежание пси :еиия
концентрации углерода в жаропрочном сплаве требуется точная
. юзировка углер ода.
При использовании фтористого аммония последний в процессе
нагрева разлагается с образованием азота, водорода и фтористого
нодорода. Удаление оксидов обусловлено образованием нету чих
фторидов алюминия, кремния, титана и других металлов, а также
восстанавливающим действием водорода. Активация соединяемых
поверхностей при диффузионной сварке жаропрочных сплавов
возможна также путем введения в стык расплавляющихся метал-
лических прокладок, которые после активации поверхности *<ол-
жьы выдавливаться из стыка, а частично оставшиеся прокладки
должны растворяться в основном металле. В ряде работ при сварке
жаропрочных сплавов применяли никелевые прокладки, которые
три температуре сварки находились в твердом состоянии, иоулуч
шали условия формирования соединения.
Диффузионную сварку в вакууме никеля и никеля с другими
металлами можно выполнять в широком диапазоне параметров ре-
жима, однако в большинстве работ рекомендуется температура
1273 К, давление сжатия 14,7 МПа, время сварки 10 мин и степень
вакуума 1,3-10“в Па. С экспериментальными данными согласу-
ются расчетные, полученные из условия образования фактического
контакта при установившейся ползучести
Закономерности диффузионных процессов в при контакта ой
зоне при сварке никеля были изучены Л. И. Маркашово#. Уста
новлена неоднородность диффузионно* hotgki в приконтактных
слоях никеля, обусловленная рельефом соединяемых поверхно
стен н нсошюродностью пластически й деформации при поверх -
постных с>.оев металла. В узкой прикентактчой зоне наблюда-
ется высокая скорость диффузии (коэффиннен! диффузии 10
10~8 см3/с), что соответствует диффузис'нной подви кности атомов
вдоль границ зерен с наиболее благи приятной для диффузии
разорчеилировкой зерен Причем в случае предварительного йекг
эолитического пирования поверхностей глубин? этой зоны со-
ставляет 10 мкм, а при механическом от. н фо ваш-i и эффект усло-
вия .цффузии сохраняется на значительно большем расстоянии
от поверхности С повышением температуры и давление сжатия
циффузионный поток становится болег однопол;-ым ио всей при
’Юустактной зоне Энергия активации равна примерно половши*
энергии активации сам щи.рфузип никеля и i зменя*' i юн*
сварки. Л1икимально1. значение эмерг» * активации б ьо к зна
чению энергии активации перш гранично "i 4yjy j г’ к зезичява
। тся по мере удаления от поверх юсги кон тактаровешия.
Выполненные в ряде работ и< 1едоьания показали, что эй-
веденный режим обеспечивает цръ>екан.с вс^х .ipoiv-чж. :\eofi
чодн*-:ыкдлч получения качестве; кых сое шеммн с в ед проч-
ности со БЛ9 ?4Па. Повышение температуры варю.. >73 К
приводит к значительному рос ту зерна а р уды г соб^ргтрг*
:глт ргьцлегаг оиа/лн. сенн ьпсмек.1 . г'зы. .
т	*	*
водит к некоторому разупрочнению металла в зоне соединения.
Уменьшение времени сварки возможно при более тщательной под-
готовке соединяемых поверхностей. Сварку никеля можно выпои-
нить не только в вакууме, но и в водороде. В некоторых работах
использовали водород с точкой росы 233 К.
Диффузионную сварку электротехнических никелевых сплавов
типа монель и константан проводят в многоместных приспособле-
ниях, обеспечивающих сварочное давление за счет различия ко-
эффициентов линейного расширения свариваемых металлов и ме-
талла оправки. Стяжные болты обычно изготовляют из молибдена.
Режимы сварки электротехнических сплавов незначительно от-
личаются от режимов сварки никеля, что обусловлено разницей
их физико-механических свойств. Например, введение меди при-
водит к снижению сопротивления металла деформированию, ин-
тенсификации диффузионных и рекристаллизационных процессов,
снижению температуры сварки до 1173 К.
Термодеформационпое воздействие при диффузионной сварке
жаропрочных сплавов, исходя из их свойств, должно быть более
сильным, чем при сварке углеродистых и низколегированных
сталей. За нижний предел температуры сварки принимают тем-
пературу начала развития процессов рекристаллизации и диф-
фузии. Для большей части жаропрочных сплавов эта температура
близка к 1323 — 1373 К. За верхний предел температуры сварки
принимают температуру разупрочнения и резкого падения пла-
стичности сплавов при температуре около 1473 К. Таким образом,
верхний предел температуры сварки большей части жаропрочных
сплавов не чревышает 1523 К. Остальные параметры режимов диф-
фузионной сварки жаропрочных сплавов определяют так же, как
я для других металлов, исходя из условий ползучести и диффузии.
§ 2. СВАРКА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
БЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРОКЛАДОК
13 литературе детально описаны исследования жаро-
прочных сплавов ХН75МБТЮ, ХН80ТБЮА, ХН05ВМТЮ,
ХН56ВМТЮ, ЖЖ ЖС6КП, ХН70ВМГЮ, ХН77ТЮР RN-41,
Nimonic-90 и др. Использование приведенной в предыдущих главах
«ектьл расчета режимов сварки и планирования эксперимента
лозво 1яс; определить оптима чъные параметры процесса, однако
обесьечш сзойсгва гоедиьепий, особенно длительную прочность
и а ласти чьостз, равноценные основному металлу, удается не всегда.
Млпгочл.елейные исследование г.слазывают, что при диффузионной
сварке жаропрочны* сплавив характер влияння параметров
режь:. и л прочно." гь соединений такой же, как п .для других
мет з. w G5 сом свн.”етс-Ли. тзуют привеченные в г;< 4 зависи-
мости свойств сплавов лНббйМТЮ, ХН/5БТЮ от температуры,
с а алл» и я и *. ремен:. с за ок и. Дл я с,i д а г. и ..беги х с пл авов в ка чес гве
с« 6. l . В 1яяни€ «сНл» 'нил ,i темпе* 1 itv। >4 ( • и времени сваркг
•е^яие свойства следи н ниг л. и ВЖЧЯ
V . НЙ М* л «ни
6 I показано
iоедипения
 чтимальных рекомендую;оч темпера;ура 1423—1448 К ь
‘i мин. Давление сжатия «ля справа АН75МЫЮ составляет
'5—30 МПа, для сплава ХН56ВМТЮ — 35—40 МП?
v, ДнД‘™™ч,ные р< ’Ультаты получены при сварке сплавов В7К98
X Н771 ЮР, X Н80ТВЮА, ХН65ВМТЮ и др. На рис.
’ияние параметров сварки ла механические свойства
' ..сдует учитывать, что в действительности дебюрмйвия метал л?
। зоне стыка распределяется неравномерно (рис. 6 2). Оптималь
•»ыми для сплава
Я ВЛ Я-
ются температура 1423- 1473 К.
давление 20 — 25 МПа, время сва
рли 30 мин. Критерием оценки "
Ри * 6.2. Ра<преде., ни |г>ни
пластической ««'формации цр{ свар-
иг цилиндрических образцов нз
плава ХН56МТЮ (7’	1423 К
р -- 40 МПз, /	6
Рис. 6.3. Зависимость отнссителЬ'
кого поперечного расширения ф
сварных образцов в зоне стыка и
прочности на изгиб ссх дарений
плав л ХН65ВМТЮ от времени
сварки (р -г 20 МПа, Т J448 К,
----- - обработка соединяемых
поверхностей точением: -------
обработка полированием; --гбпа-
эец не -I эр ушился)
2	4	6 о tj май
Рис. 6.4. Зависимость относитель-
ного поперечного расширения свар-
ных образцов в зоне стыка и проч-
ности на изгиб соединений сплава
эффективности процесса служили
временное сопротивление и отно-
сительное удлинение сварных об-
разцов.
Оптимальные режимы сварки
сплавов ХН65ВМТЮ и
ХН80ТБЮА определяли по ре-
зультатам испытания соединений
на изгиб. Испытания показали,
что оптимальный режим диффузи-
онной сварки сплава ХН65ВМТЮ
следующий: Г — 1448 К, р =• 20
ЛШа, t = 20 мин. Для сплава
ХН80ТБЮА Т - 1473 К, р 20
МПа, £ = 6 мин (рис. 6.3, 6.4).
Сварку образцов выполняли в
вакууме со степенью 1,33- 10“3 Па,
ХН80ТБЮА от времени сварки
(р = 20 МПа). Условные обозна-
чения — см. рис. 6.3
испытания образцов проводили
при 293 К.
Из рисунков видно, что
получение качественных сварных
соединений зависит также от пластической деформации при сварке,
т. е. от относительного поперечного расширения. Установлено,
что относительное поперечное расширение при сварке сплава
ХН80ТБЮА на указанном выше режиме сварки равно 9—10%,
а сплава ХН65ВМТЮ—16—17%. Такой результат кажется
закономерным, так как при более низкой температуре сварки тре-
буется большая степень пластической деформации. Весьма высо-
кие свойства сварных соединений достигнуты после полирования
поверхностей с последующим тщательным обезжириванием их
перед сваркой.
Сварные соединения сплавов ХН80ТБЮА и ХН65ВМТЮ, по-
лученные на оптимальных режимах, после термической обра-
ботки имеют высокие механические свойства. Их прочностные и
пластические свойства при нормальной и рабочей температурах
находятся на уровне свойств основного металла. Разрушение со-
единений сплава ХН80ТБЮА наблюдалось в зоне соединения,
где при микроструктурном анализе обнаруживали наряду с общими
зернами и следы бывшей границы раздела, являющиеся, вероятно,
микрояесшюшиостями или остатками оксидных пленок, снижа-
ющими пластические свойства металла. В сварном соединении
сплава ХН65ВМТЮ таких дефектов не было обнаружено, его меха-
нические свойства соответствовали свойствам основного металла!
При температуре 293 К сварные образцы разрушались в зоне
соединения с вязким изломом, а при J023 К разрушение проис-
ходило по основному металлу.
Одним из важнейших показателей жаропрочности сварных сое-
динений никелевых сплавов является предел длительной проч-
10*	Ю*	w4
ftp е мя до р а груш о ни я, ч
б)
Pvc. 6.6. Длительная прочность сварных соединений сплавов ХН80ТБЮА («)
и ХН65ВМТЮ (б)-.
1 — основной металл; 2 — сварное соединение
носги, т. е. то максимальное постоянное напряжение, которое не
вызывает разрушение за определенное время при заданной темпе-
ратуре. В стационарном турбиностроении характеристика дли-
тельной прочности сварных соединений имеет особо важное зна-
чение ввиду необходимости эксплуатации их в течение длитель-
ного срока в газотурбинных установках.
Испытания на длительную прочность сварных соединений ни-
келевых сплавов ХН80ТБЮА и ХН65ВМТЮ проводили на ци-
линдрических образцах с расчетной длиной 26 мм. Сварные соеди-
нения сплава ХН80ТБЮА (после сварки и двойной стабилизации:
фи 1273 К в течение 2 ч и при 1023 К в течение 20 ч) испытывали
при 973 К. На рис 6.5, а приведены результаты испытания свар-
ных соединений и грасЬик длительной прочности основного металла
ХН80ТБЮА.
На основе испытаний длительностью до 12 000 ч путем графи-
ческой экстраполяции был определен предел длительной прочности
сварных соединений сплава ХН80ТБЮА, равный 140—160 МПа.
Характерно, что образцы сварных соединений, разрушение кото-
рых наступило до истечения 12 000 ч испытаний, имели смешан-
ный излом по плоскости сварки. С возрастанием длительности
испытаний разрушение преимущественно происходило по основ-
»ому металлу. Оно носило межзеренный характер с образованием
большого количества надрывов по близлежащим границам зерен.
и плоскости сварки и пр и контактных зонах деформационных изме
Л В, А. Яхчни	12$
нений и признаков разрушения ие наблюдали. Длительная пла-
стичность сварных соединений, т. е. относительное удлинение,
находилась в пределах 1,51—9,55%, в то время как для сплава
ХН80ТБЮЛ она составляла 1,67—18,0%.
Испытания на длительную прочность сварных соединений
сплава ХН65ВМТЮ при 1023 К показали, что предел длительной
прочности сварных соединений (после сварки и термообработки
при 1453 К в течение 1 ч и при 1073 К в течение 12 ч) весьма бли-
зок к пределу длительной прочности основного металла и состав-
ляет 176,4 МПа за 30 000 ч на базе 7500 ч испытании
(рис. 6,5, б). Разрушение образцов наблюдалось вдали от плоско-
сти сварки и носило вязкий характер, что свидетельствует о рав-
нопрочное™ сварного соединения с основным металлом. Пластич-
ность составляла 1,54—10,0%, для основного металла 2,3—
11,0%.	I
Одной из причин низкой пластичное™ никелевых сплавов
считают разнозерпистость. т. е. неоднородность размера зерна.
Возникновение разпозернистости в соединениях никелевых спла-
вов, выполняемых диффузионной сваркой, связано с локальными
нагревом и деформацией и обусловлено механизмом рекристалли-
зации. Процессы рекристаллизации определяются как термомеха-
ническими условиями диффузионной сварки, так и режимом после-
дующей термической обработки.
Для оценки деформационной способности диффузионных соеди-
нений можно использовать испытания на чистый изгиб. Этот ме-
тод испытаний, в отличие от испытаний на растяжение, позволяет
выявить влияние структурных изменений в приконтактных зонах
сварного соединения на слошюсть к хрупким разрушениям.
Испытания проводятся на цилиндрических образцах диаметром
12 мм с поперечным расположением плоскости сварки при посто-
янной скорости деформирования. Такие испытания были проведены
В. Н. Столяровым на сварных соединениях сплавов ХН80ТБЮА
и XH65BMTIO в интервале температур 773—1073 К при скорости
деформации 0,6 %/я.	1
Для сравнения был испытан основной металл — сплав
ХН65ВМТЮ в трех состояниях:
пос де стандартного режима термической обработки;
после нагрева по термическому циклу сварки (ТЦС); темпера-
тура 1443 К, время 20 мин с последующей термообработкой при
1453 К в течение 1 ч и ири 1073 К в течение 12 ч;
после обработки по термодеформационному циклу сварки
(ТДЦС): температура 1443 К, время 20 мин, давление 20 МПа
с последующей термообработкой при 1453 К в течение 1 ч при
1073 К в течение 12 ч.
Основной металл — сплав ЭИ607А испытан в двух состояниях:
после нагрева по ТЦС (температура 1473 К, время 6 мин)
с последующей термообработкой при 1273 К в течение 2 ч и при
1023 К в течение 20 ч;
но
°)
Рис. б.€. Изменение пллугнчносги основного металла и err они.х соединений
обо» ХН80ТБЮА (а) и ХН65ВМТЮ (6} в вависимости от температуры йены-
.1НИЙ:
Г основной мгтелл, обрвбоэгнний по ТДЦС; 2 — ос ноевой металл, ьагретай по ТЦС;
- сварные соединения после стандартов термической обраб^ки; 4 — основной метал«1
ле стандартной термический обработки
после обработки по ТДЦС (температура 1473 К, время 6 мин,
,явление 20 МПа) с последующим двухступенчатым старением при
.273 К в течение 2 ч и при 1023 К в течение 20 ч.
Проведенные испытания показали (ряс. 6.6), что наряду с
имеющимся провалом пластичности при 923 К сплав Х1180ГБЮА,
Обработанный по ТДЦС, обладает меньшей пластичностью» чем
1лав после Нагрева ло ТЦС. Пластичность сварных соединений
шава ХН80ТБЮ; по мере повышения температуры испытания
щает до 5,0b% при 973 К и находится на уровне пластичности
•гневного металла при 923 1\, обработанное ТДЦС. Разру-
шение образцов при испытаниях носило не:лз<;нчн.ый характер
происходило как по се динеушо, так :- ки- оепоочому металлу.
II случае разрушения ко основному мет 1лу зарождение трещин
яле 4 бнару лспо по гр'шш е раз ;еча мелкозернистое и крупно-
.1-рнис^ого участков. Пр i этом пи ш-осжсстн сварит i в трикон
ьтных зонах признаков ра ушеп.ия не наблюла и!.
Прп испытаниях сварных гсдипепий и оснсъпкио мета?ла
.лав_ ХН65В51ТЮ провал пластичности прочехо щт лрв 973 Ц.
j .ластпчгость сварных соединен..*• сплава ХН65БМТЮ находится
а уровне пластичность ос ох г о'. Сегалла, когерм^ подвергался
браб-.jTKe пс ТДЦС. Разрушение сварных сэедшгенпй при темне-
гур* испытания 872, 923 и 973 К носило внутгризеренный ха-
<1хтер н преходило частично пс плоскости соединения, частично
ocHGLHOby металлу (по лриконтгктноа гиг?) С 1’свышением
пературы > снытаннй до 102с -073 К иезру-шение приобретает
•жзерепш. й характер и тюиел...• ,ат сдали от ьоверхног. i свар-
о грани г. ? крупно* о и ме .хе»ъ зерна» которая в т.ли!ь«.. слу-ле
jot роль 1оучтурк:г х>нг.ек. «-лот,- vr
Испытания основного металла сплава ХН65ВМТЮ при 973 К и
1023 К показали, что пластичность металла в состоянии стандарт-
ной термической обработки и металла, нагретого по ТЦС. нахо-
дится на одном уровне и на 25% выше пластичности сварных
соединений. Сравнение результатов испытания образцов из основ-
ного металла, нагретых по ТЦС и обработанных по ТДЦС, позво-
ляв!4 сделать вывод, что деформационная способность образцов
и сварных соединений снижается в результате высокотемператур-
ной пластической деформации в процессе сварки, которая явля-
ется причиной ярко выраженной разнозерн ист ости металла,
Жаропрочность соединений исследовали при сварке как дефор-
мируемых, так и литейных сплавов. Например, была исследована
свариваемость сплава ЖС6У — одной из последних модификаций
литейных сплавов типа ЖС6. В отличие от сплава ЖС6К этот
сплав содержит несколько большее количество вольфрама и имеет
более высокую длительную прочность.
Установлено, что решающее влияние на высокотемпературные
свойства соединений оказывает температура сварки; жаропрочность
соединений, полученных при 1433 К даже с большей степенью
пластической деформации, в 1,5—2 раза меньше, чем соединений,
полученных при 1473 К. По-видимому, эго обусловлено более
интенсивной активацией свариваемых при 1473 К поверхностей
вследствие растворения упрочняющей y'-фазы при стандартной
температуре закалки (1473 К) сплавов типа ЖС6	1
Кратковременная прочность соединений, полученных при
1473 К, находится на уровне значений этой характеристики для
сплава ЖС6У. Длительная прочность этих соединений при t за
> 7 мин достаточно высока; образцы не разрушились при испьн
тапиях в течение 100 и даже 148 ч и были сняты с испытаний.
Разрушение сплава ЖС6У при высоких температурах имеет,
хрупкий зернограничный характер. Соответственно и сварные сое!
динення при 1248 К разрушаются по плоскости соединения, кото!
рая в столь крупнозернистом сплаве, как ЖС6У, вполне может
рассматриваться как граница зерна. Обогащенные иптерметаллич
дами и карбидами границы в сложиолегированных никелевых
сплавах обладают при высоких температурах пониженной дефор-
мационной способностью и трещина, зародившаяся под нагрузкой
на границе зерна, интенсивно распространяется по ней. В диф-
фузионно-сварном соединении этому способствует значительная
протяженность границы и максимальный уровень кормальныя
напряжений на этом плоском участке, перпендикулярном к oed
образца. Тем не менее такое строение сварной зоны не препятст-
вует получению соединений с кратковременной прочностью на
уровне основного материала и с достаточно высокой длителыь й
прочностью	I
Исследования показали, чго диффузионная сварка сплав* в
типа ЖС6 и сплава ЖС6К как друг с другом, так и со сплавом
Т<С6У удовлетворительно осуществляется при тех же режим, х
Свойства полученных соединений аналогичны описанным
выше.
Диффузионная сварка литейного сплава ЖС6У с деформируе-
мым сплавом ЖС6КГ1 имеет некоторые отличия, обусловленные
• собенностями высокотемпературной пластической деформации
последнего. Скорость ползучести сплава ЖСБ КП с мелкозернистой
структурой выше, чем скорость ползучести сплава ЖС6У при оди-
наковых температурно-силовых условиях сварки, по-видимому,
в результате большого вклада межзеренной деформации. Его пла-
стическая деформация начинается при более низких температурах.
Таким образом, возможна диффузионная сварка сплавов
ЖС6У и ЖС6КП с формированием, физического контакта при де-
формации только сплава ЖС6КП. У полученных соединений пре-
дел прочности составляет 412—500 МПа при 1173 К. Повышение
температуры сварки до 1473 К (с неизбежной деформацией и
сплава ЖС6У) позволяет получить соединения, равнопрочные со
свариваемыми материалами. Соединения, полученные при 1473 К,
ступают основному металлу по прочности при высоких темпера-
гурах, однако последующая термическая обработка с нагревом
in 1473 К повышает их высокотемпературную прочность до зна-
чений, характерных для самого сплава. Ввиду различного уровня
жаропрочности литейных и деформируемых никелевых сплавов
можно осуществить их диффузионную сварку практически в интер-
вале рабочих температур литейного сплава с формированием фи-
.ичсского контакта в результате ползучести деформируемого
сплава. Например, диффузионная сварка сплава ВЖ98 со спла-
вом ЖС6У возможна в широком диапазоне основных параметров
процесса. Высокотемпературная прочность соединения близка
|г прочности сплава ВЖ98, хотя характер разрушения, как и в
случаях, описанных выше, хрупкий.
Исследовали также свариваемость сплава ЖС6У с жаростой-
кими хромистыми сплавами ВХ4, ВХ5 и ВХ6 Свариваемые
тастины сплавов предварительно шлифовали. Они вваривались
между цилиндрическими заготовками из сплава ЖСбУ. При на-
значении параметров диффузионной сварки (Т = 1393-4—1413 К,
= 29,54-39 МПа, I - 204-30 мин) учитывали необходимость
армирования физического контакта за счет ползучести только
материалов ВХ при отсутствии макроп частической деформации
'плава ЖС6У, контактное упрочнение прослойки при сжатии в ус-
ловиях ползучести и высокотемпературные свойства материалов.
Результаты испытаний на растяжение соединений, получен-
ных при указанных режимах, показали, что при нормальной тем-
пературе прочность соединений близка к прочности свариваемых
материалов. Сварное соединение ЖСбУ—ВХ4—ЖСбУ разруша-
ось по зоне соединения или по прослойке при ее значительной де-
ормации (ф 22%), а соединение ЖС6У- -ВХ6- -ВХ5 по
юне соединения при низких показателях пластичности. Паблюда-
" •.t' отдельное случаи разрушения по сплаву ЖС6У
Рис. 6.7. Микроструктура
сварного соединения спла-
ва ХН56ВМТЮ с общими
эернамк в стыке и сле-
дами границы зерен, X 440
Высокотемпературное разрушение соединений носило хруп-
кий характер, хоти прочность во всех случаях превосходила проч-
ность во<ифрамохромовых сплавов, что является следствием кон-
тактного упрочнения прокладки при растяжении.
Установлено, что наиболее высокими механическими свойст-
вами как кри статических, так п динамических испытаниях обла-
дали соединения сплава >КС6У со сплавом ВХ6 и более низкими—
со сплавом ВХ5. Это можно объяснить низкой прочностью этого
сплава и худшими условиями активации его поверхности вслед-
ствие содержания значительного количества карбида натрия.
Карбид титана весьма устойчив» и температурно-силовые условия
сварки, ио-видимому, не обеспечивают образования химических
связей во всех точках его контакта со сплавом /КС6У. Указыва-
ется, что цепочки карбидов на границе соединения возникают
вследствие взаимодействия углерод^ сплава ЖС6У карбидообра-
зующкми элементами волыррамохромовых сплавов. Выделение
карбидов по границе соединения я сколько охрупчивает сто при
нормальной температуре. При повышенных температурах мелкие
выделения карбидов упрочняют границы . ерен, что является по-
южьте.тьным фактором в ус човиях межзеренного разрушения,
характерного для литейных сплавив. Крупные выделения кар-
ймдов, характерные для соединений со сплавов ВХ6, мечут быть
источником зарождения трещин в условиях хрупкого разрушения.
Именно arnv можно объяснить недостаточно высокую прочность
соещниний сплава ВХ6 при 124£ К по сравнению со значениями,
рассчитаищ/ми с учетом контактного упрочнение.
Из анализа приведенных выще результате.» р ;злнчных авто*
. j из диффузионной сварке ждро «ручных сплавит з однородном
’• -- л •. шск сслегаки .х аидяо ч .*? c^eci ече: не
и пластичности соединений связано с большими затруднениями.
Значительно возрастает величина необходимой пластической де-
формации металла при сварке. Если судить по времени образования
физического контакта соединяемых поверхностей, то возникаю-
щие при этом деформации оказываются значительно меньше тех
деформаций, которые обеспечивают жаропрочность соединений.
Поэтому расчет режимов сварки жаропрочных сплавов целесо-
образно вести не по времени образования физического контакта,
по времени создания пластической деформации с, обеспечиваю-
щей жаропрочность соединений. Значение е приближенно может
быть принято 15-7-20% на основе множества имеющихся экспери-
ментальных данных, которые относятся к наиболее часто применя-
емой подготовке поверхностей точением или шлифованием, сварке
в вакууме со степенью разрежения 10*2 Па и температуре сварки
1373—1473 К. Время t создания заданной деформации в опреде-
ляется скоростью ползучести в, как i ~ е/ё, В гл. 4 было показано,
что скорость ползучести, в свою очередь, определяется температу-
рой сварки и давлением.
Температуру сварки необходимо выбирать в интервале, кото-
рому соответствуют высокие пластические свойства металла. Тем-
пературный интервал определяется по диаграммам технопогиче-
ской пластичности. При этом необходимо учитывать и диаграммы
рекристаллизации сплавов, чтобы не допустить возникновения
разнозернистости металла в зоне стыка.
Анализ характера разрушения и свойств соединений показы-
вает, что при диффузионной сварке жаропрочных сплавов сущест-
вует опасность хрупкого разрушения, обусловленная наличием
в зоне стыка физической микронеодв срочности. скопления включе-
ний и оксидов. Даже при образовании в стыке общих зерен быв-
шая граница может оставлять след в виде ямок, выявляемых при
травлении (рис. 6.7) и снижающих жаропрочность соединений.
Устранение этого дефекта возможно путем диффузионного рассея-
ния на стадии объемного взаимодействия. При диффузионной свар-
ке жаропрочных сплавов активно применяют различные способы
дополнительной активации поверхностей, одним из которых яв-
ляется использование промежуточных прокладок.
§ 3. СВАРКА С Н ЕР АСП Л АВЛЯЮЩИМ ИС Я
ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ПРОКЛАДКАМИ
Во многих исследованиях сварку жаропрочных спла-
вов выполняли через никелевые прокладки, однако в условиях
высокотемпературной ползучести вследствие перехода от вязкого
разрушения к хрупкому степень реализации эффекта контактного
упрочнения мягких прокладок все более снижается и жаропроч-
ность сварных соединений становится все меньше. Уменьшить
склонность к хрупкому разрушению и соответственно повысить
жаропрочность можно, уменьшая	механической неодно-
135
родности соединения Различия в химическом составе и структуре
прокладки и основного металла могут быть уменьшены при вы-
сокотемпературной обработке соединений в результате протека-
ния диффузионных процессов. Р. А. Мусин исследовал влияние
термической обработки на свойства соединений сплава ЖСбУ
с никелевой прокладкой, сваренных на оптимальных режимах.
Соединения выдерживали в течение нескольких часов при 1323,
1373 и 1483 К в печи с защитной атмосферой (аргон), а затем ох-
лаждали на воздухе.
Небольшие изменения происходили в структуре соединений
после термической обработки при 1483 К* Уже после однократной
закалки (с выдержкой в течение 4 ч) в соединениях, сваренных
через прокладку толщиной 0,05 мм, наблюдались крупные выделе-
ния у'-фазы по всей толщине бывшей никелевой прокладки. Об-
разованию такой структуры способствуют, очевидно, повышенная
дефектность структуры поверхностного слоя сплава ЖСбУ, обус-
ловленная шлифованием, пластическая деформация микровысгу-
аов обработки сплава и никелевой прокладки в процессе сварки и
большие скорости диффузии титана и алюминия. Локальный спект-
ральный анализ показал двукратное повышение содержания ти-
тана в прокладке но сравнению со сплавом В то же время диффу-
зия кобальта, который мог бы предотвратить образование столь
грубых частиц у'-фазы, протекает с меньшей скоростью. Его
содержание в прокладке значительно ниже, чем в сплаве, даже
после восьмичасовой выдержки при 1483 К- Полученную структу-
ру невозможно исправить термической обработкой.
Изложенное не позволяет рекомендовать применение фольги
из чистого никеля толщиной 0.05 мм в качестве прокладки в соеди-
нениях сплавов типа ЖС6, подвергаемых гомогенизации после
сварки. Образование хрупких выделений у'-фазы можно предотвра-
тить, используя прокладку из никелькобальтового сплава. Хо-
рошие результаты дает применение сплава 80% Ni и 20% Со.
Увеличение содержания кобальта сверх некоторого значения имеет
отрицательные стороны. Б соединениях с использованием гальва-
нически нанесенного слоя из 20% Ni и 80% Со в прослойке была
выявлена диффузионная пористость. Образование ее не компенси-
ровалось в полной мере даже сжимающим давлением при сварке.
После закалки граница прокладки со сплавом металлографически
не обнаруживалась, но поры вырастали до достаточно больших
размеров, что явилось причиной низкой высокотемпературной
прочности таких соединений, несмотря на полное выравнивание
структуры в зоне соединения.
Установлено, что наиболее благоприятная структура форми-
руется в соединениях с пр экладкой толщиной 0,1 мм после выдер-
жки при 1483 К в течение 12 или *6 ч. По всей толщине прокладки,
образуются мелкие частицы т'-фазы характерной четырехуголь-
ной формы. Такая структура обеспечивает высокую жаропроч-
ность соединений, н: к»лнс-й гомогенизации соединения при этом
не достигается. В середине прокладки содержание вольфрама,
кобальта и некоторых других элементов понижено по сравнению
с их содержанием в сплаве.
Металлографические исследования показали, что в соедине-
ниях таких многокомпонентных по составу и сложных по структуре
сплавов, как ЖС6, применение очень тонких прокладок нежела-
тельно, поскольку приводит к выделению грубой у -фазы в зоне
сварки. Это явление было изучено при терглической обработке
соединений, сваренных через прокладки толщиной 0,05—0,5 мм.
Качество соединений оценивали при нормальной температуре по
параметрам сопротивления хрупкому разрушению. а при 1248 К—
ю временному сопротивлению разрыву и характер) разрушения.
Было установлено, что в соединениях с прокладкой толщиной
0,5 мм при выдержке в течение 8 ч при 1483 К глубина диффузии
легирующих элементов сплава в никель составляла лишь неболь-
шую часть толщины прокладки. После значительной деформации
прослойки происходило вязкое разруигекие. Если до термической
"бработки разрушение развивалось в основном по границе сплав—
•’чкелъ, то после термической обработки - в < (кне рокла^
нсзависи-ио от ее толщины.
При использовании прокладки толщиной 0,23 мм вязкое п>
эазрушеявя сварных соединений после термической обработки
несколько возрастала несмотря на то, сто и в этом случае легиро-
вание происходило не на всю толщину прокладки. Пс результатам
текального спектрального анализа установлено что в центре про-
•ладки содержание никеля составляло 10v%, хотя отдельные
элементы диффундировали на значительную глубину
Термическая обработка в наибольшей степени повышает жаро-
прочность и вязкость соединений с прок падкой толщиной 0,1 мм.
3 течение 8 ч при 1483 К такая прокладка цостаточнс полно насы-
щается элементами сплава ЖСбУ, а содержание титана и алюминия
полностью выравнивается. Лишь содержание тугоплавких эле
ментов W и Мо в прокладке значительно меньше, чем в основном
металле, вследствие низкой скорости их диффузии. Образование
дисперсных частиц у'-фазы значительно упрочняет прокладку -
В соединениях с указанной толщиной прокладки непосредственно
после сварки наиболее ярко проявлялся хрупкий характер разру-
шения. В результате термической обработки степень химической,
структурной и механической неоднородности уменьшалась настоль-
ко, что эти соединения становились более жаропрочными чем при
использовании прокладок других толщин.
Сварку сплава ХН75МБТЮ выполняли с прокладкой
толщиной 0,1 мм (Т — 1423 К, р — 30 МПа, ; — 6 мин). /Микро-
структура соединения показана на рис. 6.8-
Часть сварных образцов испытывали непосредсгветно после
соединения, остальные — после выдержки в течение 8 ч при том-
иеоатуре 1073 К, соответствующей рабочему режиму изде-
1Э~
Рис. с, 8 Микроструктура соединения
сплава ХН75МБТЮ хсрез никелевую
прокладку, Х200
Рис, 6.9. Микроструктура сварного со-
единения сплава Х.Н65ВМТЮ i ри раз-
витии деформации с .вига в стыке, >' <п-
Прочность всех диффузионных соединений при нормальной
температуре составляла ве менее 80% прочности сплава, а при
1073 К равнялась кратковременной прочности сплава. В обоих
случаях прочность диффузионного соединения была выше проч-
ности никеля, что объясняется особенностями работы дифсрункон-
пых соединений с мягкими прокладками. Длительная прочность
соединений с никелевой прокладкой оказалась значительно ниже
прочности соединений без прокладки. При температуре испытаний
1073 К и напряжении 50 МПа стандартные цилиндрические свар-
ные образцы разрушались в течение 10 мин после нагружения,
в то время как соединения без прокладок выдержали более 100 ч.
Выдержка соединений в течение 8 ч при 1073 К не отразилась
на прочностных свойствах. Глубина диффузии легирующих эле-
ментов сплава в никель при этом изменилась незначительно.
В стыке оставалась прокладка из чистого никеля, по которой и
разрушались соединения.
Для увеличения прочностных свойств соединений, особенно
длительной прочности, необходимо уменьшать химическую микро-
неоднородность металла за счет диффузионных процессов.
Анализируя теоретические и экспериментальные результаты
работы сварных соединений жаропрочных сплавов с мягкими про-
кладками, можно сделать вывод о низкой эффективности мягких
прокла/юк в условиях высокотемпературных длительных испыта-
ний, обусловленной их хрупким разрушением. Диффузионная
сварка без прокладок также встречает серьезные затруднения
138
в обеспечении длительной прочности и пластичности соединений
Поэтому более перспективно применение прокладок, близких
или одинаковых по составу с основным металлом, но находящихся
в отличном от него структур ном состоянии или в состоянии,
обеспечивающем меньшее сопротивление деформированию. Это
приводит к возникновению при сжатии сложного напряженного
состояния, деформации сдвига в стыке и интенсификации процесса
взаимодействия соединяемых поверхностей. Микроструктура та-
кого соединения сплава ХН56ВМТЮ приведена на рис. 6.9.
На рисунке видны следы интенсивной пластической деформация
и рекристаллизации. Проведенные с помощью электронного
микроскопа исследования показали высокую локальную плот-
ность дислокаций в зоне соединения. С помощью специального
травления были обнаружены плотная группа ямок травления
в криконтактной зоне, множество участков или полного раство-
рения границы раздела, или одинарных рядов ямок на месте быв^
шей границы, что свидетельствует об активном распаде или транс-
формации исходной высокоугловой границы в малоугловую и ин-
тенсивном протекании релаксационных процессов в этой области.
Электронно-микроскопические исследования фольги на просвет
свидетельствуют о том, что в зоне стыка имеется слой высокой
плотности дислокаций, распространяющийся на 10—12 мкм.
В зоне стыка глубиной до 5 мкм наблюдается равномерная плот-
ность дислокаций порядка 2-1010 см"2. Далее (на глубине 5—
10 мкм) дислокации распределяются неравномерно — плотные
дислокационные скопления [плотность (3,5—9)-1010 см"2] чере-
дуются с менее плотными. Плотность дислокаций на участках
основного металла, удаленных от сгыка на 12 мкм, составляет (9—
— 12)-10е см"2. В зоне стыка четко выявляется тонкая структура
металла, обусловленная релаксационными явлениями. При не-
больших деформациях и наличии включений оксидов тонкая
структура границы соединения не выявляется. Увеличению
плотности дефектов кристаллической сгруктуры, миграции гра-
ниц зерен и исчезновению физической границы раздела способ-
ствует повышению скорости пластической деформации.
Тонкая структура металла и высокая плотность дислокаций
в приконтактной зоне свидетельствуют о высокой степени дефор-
мации металла в этой зоне, так как плотность дислокаций пропор-
циональна величине деформации. Здесь же растет запасенная энер-
гия, которая определяется уравнением
£	2
2G2 *'
где Е — модуль упругости; G — модуль сдвига; — сопротив-
ление деформации, при трехмерной сетке изолированных дислока-
ций = Gb ]/ р/4; здесь b — вектор Бюргерса; р — плотность
дислокаций.
139
С учетом значения запасенная энергия 97 « Ед8р/32. При
наличии сетки скоплений дислокаций или сетки диполей запасен-
ная энергия также пропорциональна плотности дислокаций.
Увеличение запасенной энергии и уровня внутренних гшиконтакт-
ных напряжений при сварке должно быть достаточным для разру-
шения исходной ориентировки границы раздела соединяемых эле-
ментов.
Использование различных способов активации взаимодействия
соединяемых поверхностей жаропрочных сплавов необходимо
для обеспечения жаропрочности соединений на уровне основного
металла. В этом случае сварные соединения по длительной проч-
ности и пластичности значительно превосходят соединения, полу-
ченные с никелевой прокладкой или при обычной схеме сварки.
При диффузионной сварке жаропрочных сплавов широко при-
меняется также активация соединяемых поверхностей с помощью
расплавляющихся прокладок.
§ 4. СВАРКА С РАСПЛАВЛЯЮЩИМИСЯ
ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ПРОКЛАДКАМИ
Применение расплавляющихся прокладок позволяет
снизить давление сжатия, сократить время его действия и умень-
шить пластические деформации по сравнению с диффузионной
сваркой без прокладок. Вместе с тем расплавляющиеся прокладки
играют и другую не менее важную роль — активируют соединяе-
мые поверхности. Это особенно важно для жаропрочных сплавов,
которые содержат элементы, образующие прочные и термодинами-
чески устойчивые оксидные пленки. Жидкая фаза способствует
отделению, диспергации и растворению оксидных пленок, как и
при сварке плавлением или пайке. Активирующее действие про-
кладки усиливается, если она содержит в небольших количествах
углерод, бор, щелочные элементы, способные восстанавливать или
переводить оксиды в легкоплавкие соединения. Оксиды щелочных
элементов, взаимодействуя с тугоплавкими оксидами на поверх-
ности основного металла, обеспечивают их удаление. Например,
Li2O (температура плавления 1703 К), соединяясь с Сг2О3 (тем-
пература плавления 2263 К), образует легкоплавкие комплексы
с температурой плавления 790 К
При смачивании основного металла жидкой фазой разрушаются
связи его атомов с атомами хемосорбированных или физически
адсорбированных веществ. Таким образом, наряду с температурной
и деформационной активациями, характерными для диффузионной
сварки, происходит дополнительно активация жидкой фазой.
Использование расплавляющейся прокладки позволяет сни-
зить требования к чистоте механической обработки соединяемых
поверхностей. Смачивая основной металл, прокладка может раст-
ворять его и сглаживать микронеровпости. Если при пайке жидкая
фаза заполняет зазор между контактирующими поверхностями,
140
Рис. 6.10. Микроструктура сварного со-
•линепия сплава ХН56ВМТЮ с расплав-
ляющейся прокладкой после длительного
тарения при 1173 К, Х450
J мл**
Рис. 6J1. Влияние давления
сжатия при температуре 1473 К
на толщину 6 остающейся в
стыке прокладки следующего со-
става, %.
1 - NI ~ 4В: 2 — NI - 40 Мп; 3 —
Ni 12 S1; 4 — N1 — 13 Zf
а затем кристаллизуется и образует паяный шов, го при сварке с
рассасывающимися прокладками жидкая фаза выдавливается из
зоны соединения. Целесообразно полное ее удаление, так как по
механическим свойствам прокладки значительно уступают основ-
ному металлу. Но это, по-видимому, не всегда возможно. Остав-
шаяся часть прокладки рассасывается диффузионным путем.
Расчет диффузионных процессов может быть выполнен для случая
диффузии из тонкого слоя, рассмотренного в гл. 3. Данные экспе-
риментального исследования химического состава таких соеди-
нений приведены в гл< 4. Во многих случаях микроструктурные
исследования не позволяют обнаружить следы расплавляющейся
прокладки в стыке (рис. 6.10).
Приложение давления для выдавливания расплавленного ме-
талла целесообразно после смачивания соединяемых поверхностей.
В качестве расплавляющихся прокладок выбирают системы,
смачивание и растекание которых имеет когезионный характер,
т е. припой и паяемый металл обладают хотя бы ограниченной рас-
творимостью для обеспечения сглаживания микроперовпостей и
диспергации оксидной пленки. Сжатие должно проводиться до
начала интенсивного растворения основного металла, изменяю-
щего состав и свойства жидкости. Таким образом, наиболее важ-
ными в механизме формирования соединений с максимальным
удалением жидкости являются смачивание, равтекание припоя и
растворение припоем основного металла Смачивание и растека
141
Рис, 6J 2. Влияние давления
и температуры сварки на
долговечность соединений
сплава ХН56ВМГЮ при тем-
пературе 1173 К и нрпряже-
ниях среза 15 (а) и 40 МПа (6)
ние припоев по поверхнос-
ти жаропрочных сплавов
в высоком вакууме проис-
ходит настолько быстро,
что не сказывается на про-
цессе выдавливания жид-
кости.
Если бы припой не вза-
имодействовал с основным
металлом и не изменял свои реологические свойства, то толщину слоя
жидкости в стыке можно было бы определить, решая уравнение
Рейнольдса для слоя жидкости при сжатии его деформирующими
поверхностями. Толщина слоя жидкости в момент застывания
между поверхностями
h =• j/r12*\vk (а2 — г3),
где q — вязкость жидкости» v — скорость сближения поверхно-
стей; k — коэффициент; а — радиус поверхностей; г — текущее
значение радиуса образца.
Из уравнения видно, что голщипа жидкой прокладки зависит
от вязкости жидкости и ^плы сжатия. Из металлических расплавов
наименьшую вязкость имеют эвтектические расплавы. Зависи-
мость толщины остающейся в стыке прокладки от давления сварки
для некоторых эвтектических систем приведено на рис. 6.11.
Важным фактором обеспечения химической и структурной од-
нородности соединений является природа взаимодействующих
фаз, В системах с твердыми растворами при отсутствии движения
жидкости с начала растворения на поверхности твердого тела об-
разуется топкий прикристаллизовавшийея слой с минимальным
содержанием ле! коплавкого элемента, замедляющий дальнейшее
растворение. Приложение давления обеспечивает удаление из-
бытка жидкости путем ввода в контакт гонких прикристаллизо-
вавшихся слоев. Если при капиллярной пайке, даже при образо-
вании непрерывных твердых растворов, возникает ослабленная
центральная часть шва, что требует создания многокомпонентных
припоев, то при сжатии этот недостаток устраняется (см. рис. 6.11).
Более сложным является формирование соединений прч обра-
зовании эвтектик и химических соединений. Для жаропрочных
сплавов это типичный случай, так как сплавы сложно легированы.
Известно, что образование химических соединений на границе фаз
тормозит растворение основного металла. Такими соединениями
могут быть бориды и силициды при использовании соотБетствую-
142
<j,МПa
>нс 6.13. Длительная прочность сварных соединений жаропрочного сплава
Л465ВМТЮ через расплавляющуюся хромоникельпалладиевую прокладку при
емпературе 1023 К
щих расплавляющихся прокладок. Приложение давления сжатия
приводит к выдавливанию жидкой фазы, образовавшиеся бориды,
силициды и интер металл иды могут давать сплошную хрупкую
юокладку или скопления хрупких фаз, чередующихся с зернами
ъердого раствора. Это необходимо предотвратить при сварке с рас
нлавляющимися прокладками.
Влияние режима сварки на долговечность соединений сплава
ХН56ВМТЮ с расплавляющимися .прокладками показано на
рис. 6.12.
Процесс диффузионной сварки сплавов ХН80ТБЮА и
АН 65 ВМТ Ю через р асп л а вл я ющу юся хромо н и кел ь па л л а диев у ю
прокладку был исследован В. Н. Столяровым. Он установил, что
временное сопротивление соединений, полученных при температуре
1503 К в течение 20 мин и последующим диффузионным отжигом
по режиму: 1273 К в течение 4 ч, 1173 К в течение 8 ч, 1123 К
в течение 15 ч, — может условно оцениваться 140 МПа за 30 000 ч.
Разрушение образцов, как и при кратковременных испытаниях,
было хрупким и происходило по материалу прокладки (й = 0,43-У
2,66%). Предел длительной прочности основного металла со-
ставлял 180 МПа за 30 000 ч на базе 750 ч испытания» Результаты
испытаний приведены на рис. 6.13 и 6.14.
Применяя хромоникельпалладиевую прокладку для сварки
жаропрочных сплавов, можно обеспечить высокую работоспособ-
ность соединений. Диффузионный отжиг после сварки повышает
свойства соединений. Режим его следует выбирать в зависимости
от типа основного металла, так как комплекс механических свойств
жаропрочных никелевых сплавов определяется термической об-
работкой, вызывающей дисперсионное твердение.
Следует отметить, что полное выдавливание расплавляющейся
прокладки из стыка по всей поверхности невозможно, поэтому
жаропрочность соединений в значительной мере определяется вы-
бором депрессанта. Это особенно четко выявляется при сварке наи-
более жаропрочных литейных сплавов, в которых даже малые доли
процента элементов-депрессантов могут существенно снизить жа-
143
Гис 6.14. Зависимость сте-
пени пластической деформа-
ции соединений сплава
XHG5BMTK1 через расплав-
л яюи1, ? юся хромой и кельп а л •
лалиевую прокладку от тем-
пературы испытаний
Рис. 6.15. Микроструктура соединения ком-
позиционного зисперсно-упрзчненного жаро-
прочного никелевого сплава с выдавленной
расплавтлипой прокладкой, Х320
ропрочность. Для таких сплавов в эвтектических никелевых си-
стемах в качестве депрессантов необходимо использовать туго-
плавкие металлы, что позволит получить соединения, по свойствам
равноценные металлу. Указанные системы позволяют успешно
выполнять диффузионную сварку также композиционных дисперс-
но-упрочненных жаропрочных сплавов на никелевой основе, полу-
чаемых методом порошковой металлургии (рис. 6Л5). Жаропроч-
ность соединений находится на уровне жаропрочности основного
металла
Таким образом, рациональное использование прокладок, раз-
личных технологических приемов позволяет успешно вести диф-
фузионную сварку жаропрочных сплавов, несмотря на существова-
ние значительных затруднений, обусловленных природой сплавов.
ГЛАВА 7. ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА ЦВЕТНЫХ,
ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ, ТУГОПЛАВКИХ
МЕТАЛЛОВ И ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
§ I. СВАРКА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ
Б машине- и приборостроении и других отраслях тех-
ники применяют медь и ее сплавы, в основном латуни и бронзы,
Глденым легирующим элементом в латунях является никк, а в
бронзах — слова') адюминий, кремний н фугие элементы
44
200 - 4
'50 - 3
ЮП^2
?£7|- /
Z7L3________
W >5 20 751 мин
Рис. 7.1. Влияние температуры (а)» давления (6) и времени сварки (в) на времен-
ное сопротивление (-——) и степень пластической деформации (---------) свар-
ных образцов меди Ml с мелью Ml (/), сплавом АМгб (2), никелем НГП (5)
Медь плавится при температуре 1356 К, а латуни и бронзы —
при еще более низких температурах. Медь имеет высокие тепло-
проворность, пластичность, коррозионную стойкость, малые газо-
проницаемость и га зовы целение, хорошо сваривается различными
способами сварки плавлением. Диффузионная сварка меди находит
применение главным образом в электронике, где медь марок ЛАВ,
MB, Ml, МВК является основным материалом для изготовления
анодных блоков, замедляющих систем, резонаторов и т. п. Наи-
более часто медь сваривают с разнообразными металлическими
и неметаллическими материалами.
Диффузионная сварка меди не вызывает особых затруднений.
Оксидные пленки с ее поверхности удаляются при нагреве в ваку-
уме как в результате диссоциации, так и растворения в основном
металле. Равнопрочность соединений меди с основным металлом
обеспечивает сварка в вакууме со степенью 10“2 Па при температуре
1123—1153 К, давлении 5—8 МПа в течение 20 мин. В некоторых
работах рекомендованы температура 1073 К и давление 7 МПа.
Влияние режима сварки на временное сопротивление соединений
меди Ml и пластическую деформацию образцов показано на
рис. 7.1.
Следует отметить, что диффузионная сварка меци при темпера-
туре выше 1073 К и давлении более 5 МПа приводит к пластиче-
ской деформации порядка десятых долей или нескольких процен-
тов, поэтому для электронной промышленности разработана тех-
нология диффузионной сварки с полным сохранением размеров
деталей при удовлетворительной прочности соединений. В соот-
ветствии с представлениями о механизме и кинетике диффузион-
ной сварке, изложенными в гл. 3 и 4, повышение прецизионности
соединений достигается при уменьшении шероховатости обработан-
ных поверхностей применении прокладок из пластичных материа-
лов, расплавляющихся прокладок, использовании сверхвысокого
вакуума. Перечисленные приемы обеспечивают очистку поверхно-
стей от оксидных пленок, способствуют образованию физического
контакта и ускорению первой стадии, процесса.
145
Для диффузионной сварки высокоточных узлов из меди приме
няют помеж уточные прокладки из золота или серебра, обладаю-
дне высокой релаксационной способностью при повышенных тем-
пературах. При нанесении гальваническим путем на одну из сое-
диняемых поверхностей слоя зилота толщиной 2—5 мкм сварку
ведут по следующему ре?симу: 7’	773 К, i МПа, t ~ 10 мин,
В ИГ3 11а. При этом обеспечиваются вакуумная плотность, проч-
ность, допуски в пределах 5—10 мим. Сварку с серебряными про-
кладками можно вести при температурах как ниже, так и выше тем-
пературы плавления эвтектики медь—серебро. Слой толщиной
4—7 мкм наносится гальванически па одну из поверхностей. На-
грев до 1073 К вызывает контактно-реактивное правление. Режим
Р ~ 4 МПа, t = 254-30 мин В - КГ'* Па обеспечивают равно-
прочность соединений с основным мета июм, а пластическая дефор-
мация деталей не превышает 0,1%.
В узлах различных и млий все большее значение приобретает
сварка V. -ди < другими металлами: сталью, бронзой, никелем,
алюминиевыми сплаваь тугоплавкими металлами.
И * рассматриваемых сочетаний разнородных материалов только
икель образует с медью непрерывный ряд твердых растворов.
 повышением температуры сварки до 1273 К. прочность таких
соединений непрерывно расте i Температура и давление сварки
меди с никелем несколько выше, чем при соединении меди с медью,
что обусловлено необходимостью активации более твердого и туго-
плавкого никеля Оптимальными для сварки меди с никелем
можно считать Т - 1173 К, р 13—15 МПа, I 204-30 мин,
В 10'2 Па. Получение прецизионных соединений возможно
в сверхвысоком вакууме, например, при К)-0 Па с нагревом до
673 К (р - Ю МПа; t - 20 мин)
Диффузионную сварку мели с константаном выполняют но
тем же. режимам, что и диффузионную сварку с никелем. Близки
к ним параметры сварки меди ь ее сплавов с жаропрочными спла-
вами на никелевой основе Например, сварка бронзы БрХ0,8
со сплавом ХН671МВТЮ выполняется при Т 1123 К, р =
10 МПа, t ~ 10 мин, В - 10-1 Па. В переходной зоне образу-
ются твердые растворы с взаимной диффузией меди в никелевый
сплав и никеля, ванадия, титана в бронзу.
Диффузионная сварк 1 меди с алюминием и его сплавами за-
труднена образованием хрупких интерметаллвдов. Удовлетвори-
тельное соединение можно получить только в том случае, если
толщина инзерметаллидиого слоя не превышает 1 мкм, что требует
жесткого контроля развития диффузионных процессов в стыке.
При сварке меди со сплавом АМгб прочность соединений растет
с повышением томпсратуры до 813 К, а затем быстро падает. При
температуре 838 К мель .. алюминием образуют эвтектику, что
приводит к контактно-реактивному плавлению и интенсивному
росту мнтерметаллидного слоя. Для сварки рекомендуется темпе-
ратура ю 813 К, давление 5-~7 МПа, гремя 15—20 мин, однако
146
соединения имеют низкую пластичность. При температуре 783 К
и тех же остальных параметрах сваривают медь со сплавом АМц»
В качестве промежуточного материала при диффузионной сварке
алюминия с медью рекомендуется использовать цинк, серебро,
никель Сварка меди о дуралюминием выполняется при Т —
- 7534-773 К, р ~ 54-10 МПа, t - 10 мин, В - IO"1- ИГ* Па.
Во всех случаях в стыке наблюдается образование интерметалли-
дов, снижающих пластичность соединений. Трудности, возника-
ющие при соединении меди с алюминием, связаны не только с об-
разованием хрупких слоев, но и с наличием на алюминии и его
сплавах термодинамически прочной оксидной пленки» Поэтому
ряд авторов рекомендуют проводить зачистку соединяемых по-
верхностей в вакуумной камере непосредственно перет свар-
кой.
Особенности сварки меди и ее сплавов со сталями в значитель-
ной мере обусловлены взаимодействием меди с железом. В системе
медь--железо образуются ограниченно твердые растворы со сто-
роны обоих компонентов. Взаимная растворимость зависит от
температуры, она сравнительно небольшая, поэтому соединение
с железом при диффузионной сварке происходит через эвтек-
тоидную смесь твердых растворов. Появление эвтектоида обна-
руживается металлографически через 20—30 мин при темпера-
туре сварки 1023 К.
Механические свойства соединений зависят от ширины эвтек-
тоидной прослойки. При сварке меди Ml с армко-железом при
Т 1173 К> р = 5 МПа, I 20 мин, В =~ 10"1 Па толщина про-
слойки составляет 2—-3 мкм, а временное сопротивление соедине-
ний — 175—200 МПа. При увеличении ширины эвтектоидной
прослойки до 4 и 6 мкм временное сопротивление соединений
снижается соответственно до 125 МПа и 30—50 МПа. Падает также
пластичность соединений. Аналогичная закономерность наблю-
дается при сварке сплавов меди со сталями. Например, сварка
хромистой бронзы БрХ0,8 со сталью 12Х18Н10Т при оптимальных
параметрах (7 = 1173 К, р = 10 МПа, t 15 мин), ограничи-
вающих толщину эвтектоидной прослойки, обеспечивает временное
сопротивление соединений 280—350 МПа. Сварка меди с коваром
при отимальных параметрах (7 == 1223 К, р - 5-^7 МПа, i
— 10 мин) дает соединение с временным сопротивлением 220-
244 МПа. Существенное влияние могут оказывать и легирующие
элементы. Углерод ухудшает, г марганец и кремний улучшают
взаимную растворимость железа и меди, изменяя структуру и
свойства соединения. Наличие свинца в оловянно-свинновых
бронзах практически не позволяет выполнять непосредственную
сварку этих бронз со сталями, так как уже при температуре 1023 К
из бронзы выделяется свинец, который не входит в состав твердого
раствора и вводится в бронзу для снижения коэффициента трения.
Вместе с тем температура 1023 К недостаточна для получения
н а лежкого соедияени я.
ш
Повышению качества сварных соединений меди и медных спла-
вов со сталями способствует применение прокладок. Для сочетаний
меди со сталями перспективны прокладки из никеля, образую-
щего непрерывный ряд твердых растворов с железом и медью.
Режимы сварки меди с никелем рассмотрены выше При сварке
оловянно-свинцовых бронз со сталями применяют медные про-
кладки, которые наносят на сталь гальваническим способом или
приваривают предварительно к стали. Это позволяет снизить тем-
пературу сварки бронзы с медью до 1033 К и при давлении 5—
10 МПа, времени сварки 5—20 мин получить надежные соединения,
равнопрочные бронзе.
Диффузионная сварка меди с тугоплавкими металлами затруд-
няется из-за большого различия коэффициентов линейного терми-
ческого расширения, что вызывает значительные термические нап-
ряжения и разрушения в условиях термоциклирования. Наиболее
часто встречаются сочетания меди с молибденом, вольфрамом,
ниобием.Молибден-и вольфрам в меди практически не растворимы,
но при температуре 1223 К молибден растворяет около 1,5% меди.
Ниобий с медью образует ограниченные растворы. Сварка непо-
средственно меди с вольфрамом не дает удовлетворительных
результатов, поэтому ее выполняют через никелевую прокладку.
Сварка меди с молибденом и ниобием при температуре 1223—
1253 К, давлении 5 МПа в течение 30 мин дает соединения доста-
точно высокой прочности, но низкой термостойкости. Для получе-
ния термостойких соединений диффузионную сварку меди с молиб-
деном, вольфрамом и ниобием ведут через никелевую прокладку
при температуре 1223—1273 К, давлении 5—16 МПа в течение
20—40 мин в вакууме со степенью 10~а Па Аналогичный режим
используют при сварке меди с титаном и его сплавами через слои
ниобия или молибдена, напыляемые на титан. После напыления
перед сваркой проводят отжиг при 1673 К в течение 3 ч. При не-
посредственном соединении меди с титаном в связи с образованием
хрупких интерметаллидов взаимодействие металлов должно строго
контролироваться ограничением температуры сварки до 973 К
Для получения равнопрочных соединений используют ванадиевые
прокладки.
§ 2. СВАРКА АЛЮМИНИЯ И FFO СПЛАВОВ
Алюминий по объему производства занимает второе
место по£ле железа. Его наиболее характерные свойства — неболь-
шая плотность (2700 кг/м3) и низкая температура плавления
(933 К). В качестве основных легирующих элементов для алюминия
используют магний, марганец, кремний и медь.
Основным затруднением диффузионной сварки алюминия и его
сплавов является высокая активность к кислороду и наличие на
поверхности термодинамически прочной оксидной пленки, а при
соединении со многими другими металлами — также образование
148
Рис. 7.2. Влияние времени сварки
на временное сопротивление соеди-
нений алюминия АДО со сталью
12Х18Н10Т при различных темпера-
туре и давлении:
/ _ т = 173 К» Р = 7,5 МПа; 2
Т =* 323 К. Р => 5,9 МПа; 3 — Т
= 348 К, г L5 МПа
хрупких интерметаллидов. При
сварке алюминия и его сплавов
особое место отводится химичес-
кой обработке поверхностей перед
сваркой. Оксидная пленка может
удаляться травлением (раствор
щелочи для алюминия, ортофос-
форпая кислота для сплавов АМг и
АМц с последующим осветлением
в азотной кислоте) или зачи-
щаться металлическими щетками
Целесообразно после очистки от
оксидов свариваемые поверхности
алюминиевых деталей покр! шать
смолами, лаками и полимерами
на основе стирола, разлагающи-
мися без остатка при нагреве в вакууме. Сварку алюминия и его
сплавов выполняют при температуре 773—873 К. В однородном
сочетании эти материалы соединяют диффузионной сваркой крайне
редко. Обычно сваривают алюминий и его сп лавы в разнородном
сочетании. При взаимодействии алюминия с железом образуется
ряд иптерметаллидов, охрупчивающих соединение, поэтому про-
цессы взаимодействия металлов в стыке должны строго контроли-
роваться. Эта опасность возникает при сварке алюминия АДО
со сталью 12X18HI0T (рис. 7 2).
Из рисунка видно, что для получения максимальной прочности
при различных температурах требуется различная продолжитель-
ность сварки. При сварке на режимах, обеспечивающих макси-
Рис. 7.3. Влияние содержания легирующих элементов н двойных сплавах алю-
миния АДО с магнием (и), кремнием (б) и медью (д) на временное сопротивление
их соединений со сталью J2X18H1OT:
cl Т 798 К; Л ... ?	773 К; в — Г 798 К
149
Рис. 7.4. Влияние концентрации
легирующих элементов в алюми-
нии АДО на толщину 6 интерметал-
лидной прокладки б соединении со
сталью ЙХ18Н10Т (Г = 798 К,
t = 20 мин)
мальную прочность соединений,
переходная зона однородна, имеет
ширину 4—6 мкм и микротвердость
до 1400 МПа. Разрушаются соеди-
нения по алюминию, С увеличени-
ем времени сварки образуется слой
интерметаллидов в виде белой
полосы с микротвердостыо до
9000 МПа, а прочность соедине-
ний быстро падает.
На свариваемость алюминия со
сталью отрицательно влияет маг-
ний, а положительно — кремний и
медь (рис. 7.-3). Перспективно леги-
рование кремнием в количестве до
6%, а медью—до 3%. Магний прак-
тически нерастворим в железе и
увеличивает хрупкость ннтерметал-
лидных прокладок (рис. 7.4).
Прочные и надежные соединения алюминия со сталью можно
получить, используя промежуточные прокладки, наносимые на
стальные детали гальваническим или химическим способом,
напылением в вакууме или другими способами. Минимальную
ширину слоя интерметаллидов получают в случае применения
прокладок из цинка, серебра, меди, никеля, которые предотвра-
щают или замедляют образование интерметаллидов. Так, сплав
АМц и- алюминий соединяют со сталью 30, сталью СтЗ, сталью 15,
армко-железом через никелевую прокладку, которую наносят на
стальную деталь через подслой меди. Сварка в вакууме со степенью
10"1 Па при Т — 823 К, р 124-15 МПа, t = 2 мин обеспечивает
равнопрочность соединений с алюминием и сплавом АМц соответ-
ственно.
Сварку стали с алюминием выполняют также с применением
комбинированных покрытий стали: медно-цлнкового, никель-цин-
кового (4—6 мкм меди или никеля и 30—40 мкм цинка) и серебря-
но-цинкового. При этом в соединении образуется прослойка слож-
ного состава меньшей толщины и твердости. Сплавы АМг соеди-
няют со сталью через прокладку алюминия, который, в свою
очередь, сваривают со сталью с приведенными выше покрыти-
ями.
Сварка алюминия и его сплавов с углеродистыми, высоколеги-
рованными сталями, коваром с меднением поверхности стальной
детали или другими прокладками выполняется в вакууме со сте-
пенью 10-1—10-2 Па при температуре 773—823 К и давлении
5—15 МПа в течение t <С 30 мин в зависимости от физико-механи-
ческих свойств алюминиевых сплавов В тех же пределах изме-
няются параметры режима диффузионной сварки алюминия с хими-
чески активными и тугоплавкими металлами. Иногда применяют
150
•шкележе прокладки. Ал^милиевые сплавы сваривают гу»\ . i j .* •
кими металлами ххерез алюминиевые прокладки.
§ 3. сварка ТИТАНА и его сплавов
Титан и его сплавы обладают двумя новными пройму
пествами перед другими материалами* высоко* у дельной проч-
ностью (прочность, отнесенная к плотности) вплоть яо 723- -773 К
ч хорошей коррозионной стойкостью • итог iX агрессивных сре-
ых. Титан имеет две аллотропии?-. • модификации. вьюон гем-
*срдтурную (JJ-титат) < ОЦК рейх )й и пязко^емперятурную
-тита; \ ГПУ решеткой. Темперой . 1 полиморфного превраще-
ния титана в равновесных условия i твна примерно 1155 К.
I истый гьт.1’1 применяют ограничь т'- ' i гганоь,.; .плавы в «ин
симости о] ра^вого состояния при 293 К можно подра делить н?
сри групп а (а 1 у 0-сплавы К сплавам с а-структурой
относятся технический нгган ВТ1, сплавы ВТ5 (5* о Al), BT5-J
Г“%А1, 2,5%Sn; t другие, легированные а-стабигазаторами
гудение Р'Стабилизаторов (молибден, марганец, ванадий, хром
и др./ приводит к образованью двухфазной (а 4 [3)~ или даже
-ппофазпой р-структуры
При небольшом количестве 0-стабягазаторов (до 2%) р-Фаза
существует только при .повышенных температурах (сплавы мар-
тенситного типа ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-2). С увеличением содержания
0-стабилизаторов 0-фаз? может сохраняться в опр деленных коли-
чествах к при 293 К (сплавы ВТ6, БТ6С, ВТ14 и др.); 0-сплавы
легированы р-стабилизаторами в такой степени, что даже после
отжига их структура состоит из 0-фазы.
Однофазные сх-сплавы обладают высокой стойкостью против
охрупчивания при совместном воздействии температур и напряже-
ний, но пониженной технологической пластичностью. Двухфазные
*а * Р)~ и однофазные 0-сплавы имеют высокие прочностные свой-
ств и технологическую пластичность, по склонны к охрупчива-
ию Упрочнение этих сплавов достигается термической обработ-
кой.
Основные сложности сварки титана и его сплавов обусловлены
поглощением газов, их диффузией из основного металла и повыше
нием их содержания в юне сварки, а также структурными превра-
щениями. Большая химическая активность титана при высоких
температурах по отношению к кислороду, азот^ и водороду снижает
пластичность металла, вызывает трещины и хрупкие разрушения.
Титан и его сплавы образуют устойчивую оксидную пленку.
Термодинамический анализ и многочисленные экспериментальные
исследования показывают, что наиболее вероятным механизмом
очистки поверхностей от оксидов является их растворение в основ-
ном металле, так как гитан и его сплавы обладают способностью
эастворя-'b при нагреве большое количество кислорода (до 30% при
явлении ИГ Па) Тмтзн и его сильны диффузионной сваркой

W2J 1223 Т,К
о*
Ряс. 7.5. Влияние темпера-
туры сварки на временное
сопротивление (#) и удар-
ную вязкость (б) сварных
соединений сплаве ОТ4 (р =
~ 0,98 МПа, t« 60 мин):
i — мелкозернистая равноос-
ная етрх тура, 2 - ирупяозер-
ане^ая пласой«ча»Е я структура
соединяются достаточно легко. Температуру сварки выбирают в
диапазоне 1073—1373 К,г. е. в области температуры рекристалли-
зации; она составляет (0,7—0,8) Тпл. Учитывая низким предел
reev чести титанм и значительное влияние на него температуры,
давление сжатий выбирают в пределах от 0,98 до 9,8 МПа. В зави-
симости 07' температуры и давления сжатия время сварки состав-
ляет г нескольких секунд до нескольких десятков минут.
;1ли сварки однофазного сплава ВТ5-1 рекомендуется темпера-
тура 1273 К, давление сжатия 4,9 МПа и время сварки 5 мин при
вакууме со степенью 1,33-10"* Па. Режимы сварки при низких
температурах (до 1123 К), давлении до 7,8 МПа и времени сварки
1,5 м«:11 не обеспечивают стабильных результатов. Большая часть
образцов разрушается по месту сварки без заметных еле лов диф-
J у-ши. Тем не менее с увеличением времени выдержки Солее 5 мин
при же температурах можно получить достаточно прочные
соединения. Дальнейшее повышение температуры сварки (до
1373 К) даже при времени 5 мин обеспечивает прочность соедине-
ния 780—880 МПа, что соответствует прочности основного металла.
Высокие показатели прочности получены и при значительно мень-
ших выдержках (1 мин и 10 с), но они отличались нестабильностью
Такое время не может быть признано оптимальным, во всяком слу-
чае для температуры 1 173—1273 К. Увеличение времени выдержки
до 10 мин даже при температуре 1173 К благоприятно влияет ла
пластичность соединений.
Оценивая режимы сварки сплава Р.Т5-1 по данным механиче-
ских испытаний на растяжение, можно отметить, что температуры
1073, 1173, 1273 К при времени выдержки 5 мин и температуре
1373 К при времени выдержки J мин и давлении сжатия 4,9 МПа
обеспечивают соединения характеристики прочности и пластич-
ности на уровне свойств основного металла. Ирк температуре
сварки 1373 К, давлении сжатия 4,9 МПа и времени 5 мин наблю-
дается снижение механических свойств соединений, что обуслов-
лено чрезмерным ростом зерна, ^-превращением при нагреве
и охлаждении и появлением игольчатой «-структуры типа мартен^
сита Испытания сварных соединений показали, что яри сварке
152
Рис, 7Л. Влияние давле-
ния сжатия на временное
сопротивление (а) и удар-
ную вязкость (б) сварных
соединений сплава ОТ4
с исходной мелкозерни-
стой структурой (г —
-= 30 мин):
I — 7 -= 1073 К; 2 — 7 «
1123 К; з ’ Т « 1173 К;
4 — Т ~ 1223 К
на оптимальном режиме они имеют такую же ударную вязкость,
что и основной металл по техническим условиям
Влияние температуры сварки на механические свойства соедьь
нений двухфазного сплава мартенситного типа ОГ4 показано ка
рис, 7.5. При исходной мелкозернистой равноосной структуре
сплава температура 1173 К обеспечивает прочность соединений
на уровне основного металла, однако образцы разрушаются хрупко
в зоне сварки. При повышении температуры до 1198—1223 К
временное сопротивление практически не изменяется, но разруше-
ние образцов при испытании происходит но основному металлу.
Ударная вязкость резко возрастает. При температуре 1223 К доста-
точно время сварки 30 мин. Дальнейшее повышение температуры
приводит к ухудшению качества соединения: разрушение образцов
становится хрупким из-за крупнозернистой структуры, понижа-
ется ударная вязкость»
Влияние давления сжатия на механические свойства сварных
соединений сплава ОТ 4 показано на рис. 7.6. Результаты показы
вают, что давление является весьма эффективным фактором новы
шения механических свойств соединений. Сварные соединения,
полученные при температуре 1073—1123 К и давлении 3,9—
5,9 /МПа, имеют временное сопротивление разрыву такое же, что
и основной металл, но обладают низкой ударной вязкостью. Увели-
чение давления до 9,8 МПа не приводит к повышению ударь й
вязкости до уровня основного металла. Здесь наблюдается полная
аналогия с результатами сварки сплава BT5-I. Высокие прочност-
ные характеристики сварных соединений сплава ОТ4 обеспечи-
ваются при температуре 1173 и 1233 К и давлении соответственно
4,9 и 1,9 МПа и времени сварки 30 мин. Деформация образцов
при этом составляет 6—8%. При увеличении давления сварки до
2,9 МПа время сварки сокращается до 5 мин и деформация образ-
цов составляет ~4%. При снижении температуры сварки для
получения качественных соединений требуется большая степень
деформации.
Уменьшения деформации изделий при сварке сплавов титана
достигают путем применения прокладок из другого титанового
сплава с большей споростью ползучести или раедлазл^ккимхея»
выдавливаемых и рассасывающихся прокладок, например, из
алюминия, миди, серебра.
Весьма перспективна диффузионная сварка титана и его
сплавов в режиме сверхпластичности, что позволяет существенно
уменьшать длительность процесса, стабилизировать качество
соединений, уменьшать остаточные деформации, Эффект сверх-
пластичносги проявляется при наличии мелкозернистой структуры
металла, не претерпевающего полиморфных превращений, с зер-
нами размером до 3 мкм в температурной области полиморфных
превращений, а также при определенной скорости деформации
Для титановых сплавов сверхпластичновть наблюдается при темпе-
ратуре 1133 1253 К. при скорости ползучести 10“4—10“* с'*
Сварка в режиме сверхяластичности выполняется с принудитель-
ным деформированием, обеспечивающим заданную скорость ползу-
чести. В США для диффузионной сварки с использованием эффекта
верхпластичнпстм используют прессовое оборудование, способное
обеспечивать скорость деформации металла от 10’5 до 10’6 с“\
Одной из фирм США разработан способ получения сотовых
конструкций из титановых сплавов, сущность которого состоит
в следующем. Состыкованные элементы после создания вакуума
сжимают в холодном состоянии при давлении 3.4—6,8 МПа, что
соеспечивает смятие микронеровностей на соединяемых поверх-
ностях. Затем состыкованные элементы разводят и нагревают в ва-
кууме ю требуемой температуры. Далее соединяемые- элементы
вновь вводят в контакт и снарка выполняется при давлении
0,34 МПа, которое является достаточным и допустимым при сварке
обшивок сотоблокоп
Близким титану по свариваемости является его аналог по
группе — цирконий Диффузионную сварку циркония выполняют
при температуре 1023—1273 К в течение 20—30 мин. В зависимости
от температуры давление сжатия составляет I—10 МПа. Сварку
циркония ведут также при циклически изменяющейся температуре
в интервале полиморфных превращений. Возникающие и исчезаю-
щие межфазные поверхности раздела создают остаточные дефекты
структуры, служащие источниками избыточного числа вакансий,
что интенсифицирует диффузионные процессы. Сварку целесооб-
разно вести в вакууме не хуже 10“8 Па.
$ 4. СВАРКА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
К тугоплавким относятся металлы IV, V и VI групп
периодической системы Менделеева: ниобий, цирконий, ванадий,
титан, вольфрам, молибден и другие, имеющие температуру
плавления выше температуры плавления железа. Сварка титана
и циркония, как химически наиболее активных, рассмотрена выше.
Общими особенностями этих металлов являются высокие темпера-
тура плавления, чувствительность к термическому воздействию»
садони сть к охрупчиванию к интенсивному росту зерна при
i /
нагреве выше температуры рек-
ристаллизации, высокая химиче-
ская активность при повышенных
температурах к азоту, водороду
л кислороду. Растворимость этих
газов и углерода в тугоплавких
металлах показана на рис. 7 7.
Пластичность сварных соединений,
как и самих металлов, в значитель-
ной степени зависит от содержа-
ния примесей внедрения.
В за имодействие ту гоп л а вки х
металлов с газами и образование
оксидов, гидридов нитридов вы-
зывает охрупчивавие металл а.
Главной задачей металлургии
сварки является обеспечение совер-
шенной защиты металла, поэтому
применение диффузионной сварки
в вакууме является весьма перс-
пективным.
Сварка ниобия. Ниобий и его
сплавы находят все более широ-
кое применение в различных об-
ластях техники благодаря высокой
жаропрочности. коррозионной
стойкости в щелочных металлах,
пластичности и технологичности.
Интенсивное окислен ие и иобяя
начинается при температуре 773 К,
взаимодействие с водородом —
при 473 К; с азотом — при темпе-
ратуре 873 К. Р настоящее время
существует значительное количес-
тво ниобиевых сплавов. В каче-
Рис. 7.7. Зависимость раствори
мости кислорода (а), ал (б),
водорода (а) и углерода i.u . туп
«гавких металлах от темне} лтхиы
стве легирующих элементов вводятся молибден вольфрам, цирко-
ний, ванадий, титан, гафний. Дополнительное упрочнение дости-
гается карбидами ниобия и карбидами легирующих элементов
при введении угтерода. Наибольшее распространение получили
сплавы ниобия с низким содержанием легирующих элементов,
так как введение вольфрама, молибдена или ниркоиия в значитель-
ных количествах снижает пластичность сплавов. Например, повы-
шенной жаропрочностью обладают ВН-2, ВН-2А. Свойства ниобия
и его сплавов значительно зависят от содержания в них ругих
элементов
Десятые и сотые доли пропен?н элементов <ед;л я
резко снижают пластичность, ;!лЬор*/ир\ гмогт!, - порционную
стойкость н свариваемое*';., .металла.

Диффузионная сварка ниобиевых сплавов целесообразна при
температуре ниже температуры рекристаллизации; Для этого
необходимо интенсифицировать диффузионные процессы при ис-
пользовании промежуточных металлов, наносимых на свариваемые
поверхности напылением в вакууме. Слой имеет очень мелкозер-
нистую структуру. Такие прокладки растворяются в свариваемых
металлах, поэтому не оказывают влияния на прочность сварного
соединения. При сварке ниобиевого сплава ВН-З (4—5,2% Мо;
0,8—2,0Zr; 0,08—0,16С; 0,0302; <>0,04И2; <0,005N2; остальное
Nb) в качестве прокладки применяли никель, обладающий малой
растворимостью в ниобии и имеющий при температуре 1373 К
коэффициент диффузии на гри порядка меньше коэффициента диф-
фузии ниобия в никеле. Сварку выполняли при температуре
1273 К, давлении 19,6 МПа в течение 30 мин.
Микроструктурные исследования деталей с напыленной поверх-
ностью при нагреве без сварки показали, что во всех случаях
происходит растворение никелевой пленки по всей поверхности,
кроме зон, расположенных по границам кристаллитов. Это свиде-
тельствует о преимущественном развитии диффузионных процессов
между пленкой и границами зерен на свариваемой поверхности.
Прочность сварных соединений, выполненных через никелевую
пленку, составляет 0,9 прочности основного металла. На деталях
и образцах, сваренных при оптимальном режиме, остаточной
деформации не наблюдали
Сварка молибдена. Молибден имеет ОЦК решетку и аллотро-
пических превращений не претерпевает вплоть до температуры
плавления. Он инертен к водороду, устойчив при воздействии соля-
ной, серной, плавиковой и фосфорной кислот, растворов щелочей,
расплавов щелочных металлов, но растворяется в азотной кислоте
и в расплавах щелочей. С кислородом начинает взаимодействовать
при температуре 673 К, а интенсивно окисляться при 873 К.
Молибден устойчив в среде чистого азота от температуры плавле-
ния до 1273 К. Нитриды молибдена диссоциируют до 1273 К- Про-
мышленные сплавы молибдена имеют небольшие добавки (десятые
доли процента^ легирующих элементов: циркония, титана, ниобия,
таи ала, образующих в этих количествах твердые растворы с мо-
либденом
Анализ различных данных по диффузионной сварке молибдена
показывает, что наиболее качественные соединения получены
при Г 1973 К, р — 9,8 МПа, t ----- 5 мин. В соединениях, выпол-
ненных на этОхМ режиме, в зоне стыка изменений структуры не
наблюдается Структура зоны соединения аналогична структуре
осьивного металла, несклошносги в стыке отсутствуют. Благопри-
ятное влияние на свариваемость молибдена оказывает применение
ьпок.щдок из основного металла с мелкозернистой структурой.
Для диффузионной сварки аналога молибдена — тантала
.могут	рекомендованы Т -- 1923 К, р — 1* 8 МПа. Г -==
-• JC ккн
Сварка вольфрама. Вольфрам имеет две модификации: а и
р. Ниже температуры полиморфного превращения (1003 К) ₽-фаза
переходит в a-фазу с ОЦК решеткой. Вольфрам устойчив в соля-
ной, серной и других кислотах, в расплавленных натрии, ртути,
висмуте. С азогом и водородом он не взаимодействует до темпера-
туры плавления. На воздухе устойчив до 673 К. Вольфрамовые
сплавы содержат в небольших количествах такие легирующие
элементы, как ниобий, цирконий, гафний, молибден, тантал, рений,
оксид тория. Основной целью легирования вольфрама является
повышение его пластичности, гак как технически чистый вольфрам
при 293 К имеет относительное удлинение, близкое к нулю.
Среди тугоплавких металлов вольфрам имеет наиболее высокие
следующие параметры: температуру плавления, модуль упругости,
коэффициент теплопроводности и низкую свариваемость. Для диф-
фузионной сварки вольфрама в вакууме могут быть рекомендованы
Т — 2473 К, р -- 19.6 МПа, t - 15 мин, что обеспечивает свойства
соединений, близкие к свойствам основного металла.
Сварка тугоплавких металлов с другими металлами. Многие
задачи авиационной, космической, электронной техники, химичес-
кого машиностроения, су до- и приборостроения могу'1 быть решены
при использовании комбинированных конструкций из сталей с ти-
таном и его сплавами. Согласно диаграмме равновесного состояния
Ti—Fe, растворимость железа в а-титане крайне мала и при 293 К
составляет 0,05—0,1%. При концентрации железа более 0,1%
в сплаве образуются интерметаллидные соединения титана и
железа.
Появление интерметаллидов в сплаве Ti—Fe значительно
повышает прочность, но резко снижает пластичность. Раствори-
мость титана в a-железе достигает 6,9% при температуре 1573 К и
с понижением температуры резко уменьшается; при 293 К раство-
римость титана в а-железе менее 2%. Максимальная раствори-
мость железа в Р-титане при эвтектической температуре (1353 Ю
составляет 25%. Непосредственная сварка титана со сталью не
дает положитетьных результатов. На практике сварку .ведут чер з
вставки или прокладки. Единственный металл, хорошо соединяю-
щийся с титаном и сталью без образования иптерметаллидных
фаз, — ванадий. Несколько хуже сваривается ниобий. Хорошие
результаты получены при использовании комбинированной встав-
ки, состоящей из технического тантала (сгв ---* 686 МПа) и гермо-
обработанной бпонзы. При диффузионной сварке титана со сталями
в зоне контакта образуется промежуточный интерметаллидный
слой, охрупчивающий сварное соединение, поэтому сварка титаяэ
непосредственно со сталью не обеспечивает достаточной прочности
и пластичности соединения.
Применение при сварке гитаноес го сплава BT5 J со сталью
Х25Н15 прокладка из никеля обеспечивает хорошие соединен
никеля с аустенит ной сталью и сопровождаете^ г*фр<гч*нан
интерметаллидов с левым силаном
При сварке титанового сплава ВТ5-1 с армко-железом через
прокладку из молибдена наблюдалась картияа, аналогичная для
сварки титанового сплава со сталью через прокладку из тантала.
Для сварного соединения молибдена с железом характерно
наличие со стороны железа слабо травящейся полосы повышенной
твердели шириной 30—50 мкм, которая образуется в результате
диффузии и представляет собой твердый раствор молибдена в
железе.
Разрушение соединения происходило в зоне контакта между
железом и молибденом. Металлографический анализ показал на-
личие прослойки высокой твердости между железом к молибденом.
При сварке титанового сплава ВТ 5-1 со сталью 12Х18Н10Т
было установлено, что ванадий, образующий непрерывный ряд
твердых растворов с титаном и железом, че является оптимальным
промежуточным материалом, так как при диффузионной сварке
происходит интенсивная диффузия углерода из стали в ванадий
с образованием на границе карбидов ванадия Применение допол-
нительно прокладки из хрома для подавления диффузии углерода
в результате их взаимодействия не позволило обеспечить повыше-
ние свойств сварного соединения сплава ВТ5-1 со сталью
12X18H1GT с прокладкой из ванадия в связи с тем, что прокладка
ванадия проницаема для хрома, образующего с тиганом соедине-
ния TiCr/ Для кредо!вращения диффузии углерода из сзали в
ванадий рекомендуется использовать прокладку из меди. Медь
яе образует инчерметаллидных соединений с ванадием и железом,
а углерод не растворяется в меди.
Прочность соединения сплава ВТ5-1 со сталью 12Х18Н10Т
через прокладку из ванадия и меди зависит о* толщины последней,
которая должна быть критической. При критической толщине
прокладок можно получат}, соединение сплава ВТ5-1 со сталью
12Х18Н10Т прочностью е 2 -3 ра за больше прочности меди и вана-
дия. Для получения стабильных результат >в целесообразно
использовать многослойные прокладки. Для соединения сплава
L.iTo-1 со сталью 12Х18Ш0Т были опробованы прокладки из
V -ф Си сталь Ni и V J Си — Ni получаемые прокаткой
в вакууме с суммарны: обжатием 55—60% при лллпературе
>073—1173 К Слой никеля у чшает пластичность соединения
на границе со сталью, и пои малой толщине этого слоя прочность
соединения не снижается. Выбирать сятимэлььые режимы сварки
необходимо с учетом различил <р1:зико тшлически •. и мехелшчесхих
свойств свариваемых металлов и мег^лла рокл дли. Оптимальный
режим сварки титаноьосо сплава BUM го сталью 1ЧХ18Н10Т
через прокладку из лепты V Са + N» ю^тую-вий; Т — 1273 К»
4> Mita, 15 мин
Сочетанье сталей «• другими тугоплавкими метал гам# и туго-
плаькь х мо7с.ллов между собой также часто вс рсчгл. ’^я в технике.
Ч11ГЗЛ Л Н. бий ПО СВОШ'ТБЗМ близки к .итак , при гькркс с ним
t  /Д;а . .	. .	<ТВС’*‘Ь? йез X! i >	Ниобий
J	Д
удовлетворительно сваривается с медью и медными сплавами
и образует с ними ограниченные растворы. Тантал с медью растворов
и соединений не образует Однако обычно в качестве вставок
применяют бронзу. Ниобий хорошо сваривается с ванадием и
цирконием. При сварке ниобия с никелевыми сплавами образуются
трещины, поэтому рекомендуется сварка через палладий.
Сварку вольфрама с молибденом выполняли при температуре
1873—2173 К, давлении 19,6—39,2 МПа в течение 15—30 мин
Сварные образцы испытывали на изгиб. Лучшие результаты были
получены на образцах, сваренных при температуре 2173 К, давле-
нии 19,6 МПа в течение 15 мин. Однако сварные соединения, полу
чеппые сваркой на этом режиме, имели недостаточную прочность.
Для повышения прочности сварку вольфрама с молибденом выпол-
няли через прокладки из тантала и молибдена. Сварку вольфрама
с молибденом через прокладку из танталовой фольги толщиной
50 мкм проводили при температуре1 2173 К, давлении 19,6 Ml la
в течение 20 мин. При металлографическим исследовании на гра-
нице раздела четко вырисовывалась полоса фольги. Гранина со
стороны вольфрама была волнистой, со стороны молибдена — пи-
лообразной. Увеличение времени выдержки до 60 мин не изменило
характера микроструктуры в зоне контакта. При сварке вольфрама
с молибденом через прокладки из молибденовой фольги голщигой
50 мкм непровара не наблюдалось. Со стороны молибдена имелись
участки с исчезнувшей границей
По данным металлографического анализа, при сварке рассмат-
риваемых металлов через сплав МВ50, нанесенный г а .опл змеиным
напылением, граница между напыленным слоем и мс ыбденом не
обнаруживалась. Ее можно было определить только при различных
размерах зерен металла прокладки и основного металла Равно-
прочные соединения были получены при температуре 1973 К, дав
лении 39,2 МПа, времени 15 мин. Вольфрам с.молибденом свари-
вали при температуре 1873 К, давлении 49 МПа в течение 15 мин
Данный режим сварки обеспечил при испытаниях на изгиб равно-
прочное ть соединения. Повышение температуры до 2173 К позво-
лило уменьшить давление до 14,7 МПа.
Лучшие результаты при сварке молибдена с вольфрамом были
получены пои использовании молибденовой фольги толщиной до
50 мкм, а при сварке молибдена с вольфраморениевым сплавом
слоя рения, нанесенного электролитическим путем
§ 5. СВАРКА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
Твердые сплавы •— это гетерогенные материалы, полу-
чаемые методом порошковой металлургии и имеющие керамико-
металлическое строение. Они отличаются высокой износостой-
костью, твердостью и упругостью, низкой пластичностью.
Основными компонентами твердых сплавов являются карбиды
тугоплавких металлов; вллъфгпг* ц титьпз, ^чкталз. В качеств0
металлической связующей фазы используют пластичные металлы:
железо, никель, кобальт или сплавы на их основе. Металлическая
связующая фаза в процессе спекания расплавляется и при осты-
вании формирует монолитный твердый сплав. Различают вольфра-
мокобальтовые, титановольфрамовые, титанотанталовсльфрамовые
и безвольфрамовые сплавы. Цифра» стоящая после буквы К в
марке сплава, указывает процентное содержание кобальта, а после
буквы Т — процентное содержание титана. В связи с дефицит-
ностью вольфрама все шире применяют твердые сплавы на основе
карбида или карбонитрида титана с никель-молибденовой связую-
щей фазой и сплавы на основе карбида титана со свя зующей фазой
на основе железа с добавками хрома и никеля.
Основную массу твердых сплавов используют для изготовления
резцов, сверл, фрез, штампов и другого инструмента, а также в
машиностроении для изготовления деталей, работающих в усло-
виях интенсивного износа (фильеры, поршни, сопла, цилиндры,
уплотнения и др-).
Диффузионную сварку твердых сплавов применяют при изготов-
лений крупногабаритных изделий, которые не могут быть получены
обычными методами порошковой металлургии (сложные пресс-
формы, длинномерные пуансоны, сопла и др.). Сварка твердых
сплавов со сталями позволяет экономить дорогостоящие сплавы,
а также производить ремонт твердосплавной штамповой оснастки.
Твердые сплавы имеют большое сопротивление деформирова-
нию, поэтому решающее влияние на прочность их соединений
оказывает качество подготовки соединяемых поверхностей. Как
правило, сварка ведется с применением пластичных прокладок,
которые облегчают сопряжение свариваемых дета лей и активируют
диффузию. В качестве материала прокладки обычно используют
никель в виде порошка или фольги, реже кобальт. Высококобаль-
товые сплавы (ВК15, ВК20), имеющие повышенную пластичность,
можно сваривать без прокладок.
В процессе сварки в результате взаимной диффузии связую-
щей фазы (кобальт, никель, железо) и материала прокладки про-
исходит соединение сплавов, причем вследсгвие взаимной раство-
римости никеля, кобальта и железа в зоне сварки не образуется
хрупких интерметаллвдных соединений.
Карбиды твердого сплава не могут диффундировать непосред-
ственно, однако в ряде случаев происходит их растворение в
материале прокладки, а также насыщение прокладки углеродом
и металлом карбида. Наибольшей растворимостью в никеле обла-
дают вольфрам и железо. Зона сварки в этом случае представляет
собой ряд твердых растворов кобальта или железа в никеле с неко-
торым количеством карбидообразующего металла и имеет микро-
твердость на несколько единиц меньше микротвердости сваривае-
мых твердых сплавов. Однако ее ширина составляет несколько
микрометров, что не всегда отражается на работоспособности
деталей.
160
Сварка твердых сплавов может успешно осуществляться в раз-
личных защитных средах: вакууме, плазме тлеющего разряда
в азоте, аргоне водороде или углеводородах и др. Непосредст-
венно перед сваркой соединяемые поверхности шлифуют и прити-
рают таким образом, чтобы отклонение ст плоскостности не превы-
шало 0,01—0,02 мм. Перед установкой заготовок в сварочное
приспособление их тщательно обезжиривают ацетоном и проти-
рают спиртом. При сварке сплавов ВК6. ВК8, ВК15, ВК20,
ТН20, ТСЗОХН. ТС40ХН воднородном и разнородном сочетаниях
температура сварки 1373—1523 К. давление 10—20 МПа. В зави-
симости от температуры и давления сварку выполняют в течение
7—30 мин. увеличивая время сварки при снижении температуры
и давления. Прокладки в сотни микрометров получают введением
в стык порошка или фольги. Лучшие результаты получены при
напылении прокладок.
Дефицитность, низкие временное сопротивление при растяже-
нии и прочность на изгиб твердых сплавов выявили необходимость
и рациональность применения композитного (армированного)
инструмента, рабочая (режущая) часть которого выполняется из
твердого сплава, а все остальное (70—90% объема) — из стали.
Исследования и практика показали, что диффузионная сварка
является лучшим способом соединения твердого сплава со сталями,
обеспечивающими инструменту более высокую работоспособность
и надежность. Из-за различия физико-механических свойств сталей
и твердых сплавов их сварка выполняется с применением прокла-
док. Наиболее часто последние делают из никелевой или пермал-
лоевой фольги толщиной 0,1—0,2 мм. На прочность соединения
существенно влияет толщина прокладки, которая зависит не только
от различий свойств соединяемой пары материалов, но и от габа-
ритных размеров и геометрии сварного соединения.
Оптимальной является шероховатость поверхности Ra —
— 0,80 мкм, отклонение от параллельности торцов должно быть
не более 0,02. Из технологических параметров наибольшее влияние
на прочность соединения оказывает температура.
Оптимальные параметры сварки твердых сплавов со сталями
следующие: Т - 13234-1373 К, р = 11,74-14,7 МПа, t = 104-
12 мин. Эти параметры обеспечивают прочность соединения на
срез 392—450 МПа, на кручение 274—294 МПа, временное сопро-
тивление при растяжении 588—882 МПа.
В процессе сварки происходит диффузионный массообмен между
сталью, прокладкой и твердым сплавом, в результате чего обра-
зуется переходная зона, в формировании которой участвуют
почти все элементы соединяемых материалов. Наибольшая диффу-
зионная подвижность у никеля, который проникает в твердый
сплав на глубину 25—30 мкм. В результате никель частично раст-
воряет карбиды вольфрама и образует твердый раствор никеля
и кобальта. Таким образом в зоне сварки у твердого сплава свя-
зующая фаза представляет собой твердый раствор никеля кобальта
Ь В А Бзчии
16J
и вольфрама. С увеличением времени сварки происходит более
полное растворение зерен карбидов вольфрама, их размер умень-
шается и они округляются. Этот процесс приводит к снижению
микротвердости твердого сплава в переходной зоне на 100—
120 МПа по сравнению с исходной.
Диффузия никеля в сталь происходит преимущественно по
границам зерен, достигая глубины 20—30 мкм. В то же время
диффузия никеля по самому зерну составляет 8—10 мкм. Микро-
твердость стали в зоне, обогащенной никелем, снижается на
40—50 МПа по сравнению с исходной. Железо из стали диффун-
дирует на глубину 45—55 мкм и при использовании прокладки
толшиной 5 мкм может проникать сквозь нее в твердый сплав.
Это сопровождается снижением пластичности и релаксационной
способности прокладки и соответствующим повышением внутрен-
них напряжений. Поэтому при сварке твердых сплавов со сталями
толщину пластичной прокладки выбирают не менее 30 мкм.
Внутренние напряжения первого рода неизбежно возникают
из-за различий теплофизических свойств твердых сплавов и сталей.
Они вызывают деформации деталей и могут быть причиной их
разрушения в процессе работы либо при испытаниях сразу же
после сварки. Величина и распределение внутренних напряжений
зависят от характеристик соединяемых материалов, геометрии
сварного соединения, технологии сварки, а также от температур-
ного режима эксплуатации. При разработке технологии необхо-
димо стремиться к тому, чтобы остаточные внутренние напряжения
не влияли отрицательно на работоспособность сварных изделий.
Для твердых сплавов особенно опасны растягивающие напряжения.
Они, если складываются с рабочими напряжениями, могут способ-
ствовать выкрашиванию рабочих кромок инструмента и образова-
нию трещин. Аналогичная картина возникает и при пайке твер-
дого сплава со сталями. Ее исследование показало, что благо-
приятное распределение остаточных напряжений в твердом сплаве
формируется при использовании сталей мартенситного класса
(18Х2Н4ВА, 5ХНВ, 5ХНТ, 7ХГ2ВМ и др.).
Диффузионная сварка соединений ВК20 + СтЗ и ВК20 +
+ 18Х2Н4ВА через прокладки из никеля и пермаллоя толщиной
0,02, 0,04, 0,10 мм вызывает меньший уровень остаточных напря-
жений, чем пайка твердыми припоями. Поскольку для сварки
с твердыми сплавами рекомендуется использовать стали мартен-
ситного класса, после изотермической выдержки при сварке сва-
ренные изделия должны медленно охлаждаться с камерой до тем-
пературы 1133 К, а затем ускоренно на воздухе. В результате
происходит частичная закалка стальной части изделия до 38—
50 HRC. сопровождаемая мартенситным превращением и увели-
чением объема стальной части. При этом перепад напряжений
гораздо меньше, чем при использовании сталей перлитного или
ферритного класса, что благоприятно сказывается на работоспособ-
ности изделий сложной формы, в которых неизбежно наличие
162
концентраторов напряжений. Если после сварки стальная часть
изделия не получила достаточной закалки (твердость ниже4О/7г?С),
производят обработку холодом.
Наиболее эффективно сказалось применение диффузионной
сварки при изготовлении твердосплавной штамповой оснастки,
работающей при знакопеременной нагрузке. Пуансоны, получен-
ные диффузионной сваркой, выдерживают сотни тысяч ударов без
разрушения.
Для стального основания штамповых элементов, фильер,
пресс-форм твердость 30—40 HRC, как правило» достаточна при
нормальных условиях их эксплуатации. Работа пуансонов при
объемном деформировании требует повышения твердости до
60 HRC. При сварке и термообработке со сварочного нагрева на
расстоянии 20—30 мм от зоны сварки образуется переходная зона
твердостью 30 -40 HRC, которая при повышенных нагрузках
деформируется. Поэтому после сварки рекомендуется проводить
общую полную закалку стальной части в соответствии с применяе-
мой маркой стали и размером детали.
№
РАЗДЕЛ 1П
ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
СТЕКЛА И КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛАМИ
Развитие современных отраслей промышленности трудно пред-
ставить без применения обширной группы неметаллов (стекло,
ситаллы и керамика), Они создаются на основе оксидов, нитридов,
карбидов, фторидов и других соединений элементов, представляю-
щих большой класс неорганических неметаллических материалов.
Эти материалы, обладая особыми физико-химическими свойствами,
в сочетании с металлами позволяют решать многие проблемы по
созданию новых приборов, узлов и механизмов. Из стекла и
керамики наиболее часто изготовляют элементы простой конфигу-
рации, которые затем с помощью сварки, пайки, склеивания или
с помощью оптического контакта соединяют в сложные конструк-
ции .
Решение задач по разработке технологии соединения стекла,
ситаллов и керамики с металлами возможно лишь при правильном
учете свойств материалов, а также процессов, происходящих в
зоне сварки. Тип связей, возникающих в соединении, определяется
природой самих материалов, поэтому в зависимости от физико-
химических свойств соединяемых пар могут существенно изме-
няться условия и. параметры процесса соединения.
Способы сварки плавлением, как правило, непригодны для
соединения металлов со стеклом и керамикой вследствие природной
несовместимости соединяемых композиций. Пайка находит доста-
точно широкое применение при соединении керамических мате-
риалов, однако при кристаллизации жидкой фазы в зоне пайки
возникают высокие напряжения, а также могут ухудшаться
электроизоляционные свойства в результате смачивания припоем
поверхности керамики. Клеевые соединения часто оказываются
н&тостато ч нс проч ними, неге рмосто й кими, выдел я ют боль шое
количество газов, что ограничивает их применение. Широкую
перспективу при создании неразъемных соединений из стекла и
керамики с металлами имеет диффузионная сварка. Необходимым
условием образования прочного сварного соединения металлов
со стеклом и керамикой является химическое взаимодействие,
механизм которого зависит от свойств соединяемых материалов.
Поэтому разработка технологии диффузионной сварки стекла и
керамики с металлами должна производиться исходя из учета
физико-химических свойств соединяемых композиций и топохи-
мичео их процессов, происходящих в зоне контакта.
ГЛАВА 8. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ
И МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Стекло и керамика — одни из самых древних синтети-
ческих материалов, используемых человечеством. Сведения о них
накапливались в течение многих веков. История человечества
есть в определенной мере история материалов. Первыми мате-
риалами, которыми воспользовался человек для изготовления
орудий труда и изделий, были камень и глина. Глиняные обожжен-
ные изделия применяются человеком с незапамятных времен.
Глазурованная, обожженная глина и явилась первым керамичес-
ким материалом. Затем научились смешивать глину с полевым
шпатом, что позволило получать после обжига изделия, отличаю-
щиеся большой твердостью и изяществом. Так началось производ-
ство фарфора, фаянса и других керамических материалов.
Изготовление первых стеклянных изделий также относится
к глубокой древности. Если керамические изделия, например
изделия гончарного производства, имели сразу утилитарное приме-
нение, то первые изделия из стекла использовали в виде украше-
ний и лишь позднее в качестве посуды, емкостей и т. д.
Изобретение ситалла (стеклокерамики) относится к середине
XX века. Суть изобретения заключается в искусственной кристал-
лизации аморфного материала путем введения в состав стекла
мелкодисперсных центров кристаллизации. Ситаллы занимают
особое место среди стекла и керамики, и современная промышлен-
ность не может сегодня обходиться без этого класса материалов,
у которых в будущем широкая перспектива применения.
§ 1.	СТЕКЛО
Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением
силикатных стекол на основе системы Na2O—СаО—SiO2. Только
во второй половине XX в. было показано, что натрий-кальций-
силикатные стекла составляют лишь небольшую часть безгранич-
ного мира неорганических стекол.
По типу неорганических соединений различают следующие
классы стекол: элементарные (на основе элементов S. Р, С, As,
Se), галогенидные (на основе Вт, Fj. халькогенидные (например,
на основе системы As—X, Ge—As- X, где X — элементы S, Se,
Те), оксидные, металлические, сульфатные, нитратные, карбонат-
ные и др.
J65
Габ л и цй 8.1
Значения Tgt Tft (Tg — Тf) для некоторых промышленных стекол
Стекло	Tg I	Tt	(V'M
	К		
Листовое	823	973	150
Оптическое Ф-2	703	843	140
Пирекс	873	973	100
Кварцевое	1523	1773	250
Наиболее обширный класс представляют оксидные стекла.
Легко образуют стекла оксиды SiOz, GeO2, В2О3, Р2ОБ. А*2Оа.
Большая группа оксидов (ТеО2, TiO2, SeO2, МоО3, WO3> Bi2O3.
A1SO3, Ga2O3, V2O3) образует стекла при сплавлении с другими
оксидами или смесями оксидов.
Каждый из стеклообразующих оксидов может образовывать
стекла в комбинации с промежуточными или модифицирующими
оксидами. Стекла получают названия по виду стеклообразующего
оксида; силикатные, боратные, фосфатные и т. п. Промышленные
составы стекол содержат, как правило, не менее пяти компонентов,
а специальные и оптические могут содержать более 10 компонентов.
Важнейшее достоинство стекольной технологии состоит в том,
что она позволяет получать в твердом состоянии вещества с несте-
хиометрическим соотношением компонентов, которые не сущест-
вуют в кристаллическом состоянии. Более того, свойства стекол
удается плавно регулировать в нужном направлении путем посте-
пенного изменения состава.
Наиболее простым по составу является одно компонентное
кварцевое стекло на основе диоксида кремния. Промышленное
значение имеют также бинарные щелочно-силикатные стекла
состава Ме2О—nSiO2, где Me—Na. К, n = 2-М. Основу промыш-
ленных стекол — оконного, архитектурно-строительного, сорто-
вого, тарного и других составляют композиции тройной системы
Na/)—I аО—S1O2 . Содержание оксида кремния в них может изме-
няться от 60 до 80, оксида кальция от 0 до 20, оксида натрия от
10 до 25%. Оксид магния при введении в стекла способствует сни-
жению склонности к кристаллизации, а оксид алюминия повышает
.тимическую устойчивость стекол
Традиционная технология получения стекол включает пере-
охлажд.’ние расплава до твердого состояния без кристаллизации.
На этом способе окована мировая промышленная технология про-
изводства стекла.
Температурный интервал стеклования. Температурный интер-
вал, в котором происходит процесс стеклования или обратный ему
прпг-сс размягчения называется интервалом сгрек/ювания и огра-
диче» двумя темпераТ' рами со стороны высоких температур Т
166
температурой размягчения, со стороны низких температур Т8 —
температурой стеклования. При температуре Т8 стекло обладает
свойствами твердого упругого тела с хрупким разрушением. Тем-
пература Тj является границей пластического и жидкого состоя-
ний. При температуре Tf из стекломассы уже удается вытягивать
'юнкие нити.
Процессы размягчения стекла или затвердевания стекломассы
являются однофазными в отличие от плавления кристаллических
веществ или кристаллизации расплавов. При размягчении стекла
в интервале стеклования отсутствует жидкая фаза. Для кристалли-
ческих веществ при плавлении характерно скачкообразное изме-
нение свойств, в стекле же изменение свойств в интервале стекло-
вания Tg — Tf происходит плавно.
Значение температур Т8 и Та также интервал стеклования
(Т8 - Tf) зависят от состава стекла (табл. 8.1).
Температуры Tg и Tf принадлежат к числу характеристических
точек на температурной кривой вязкости. Т емпературе Tg соот-
ветствует вязкость стекломассы 1012'3 Па-с, а температуре Tf—
10е Па -с. Изменение вязкости я стекла в интервале стеклования
показано на рис. 8.1. При температуре Tg начинают резко изме-
няться коэффициент расширения, электрическое сопротивление,
пластичность и другие показатели. Эта температура характеризует
точку трансформации стекла. До температуры трансформации
стекло находится в хрупком состоянии, а выше нее опо обратимо
переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при механиче-
ских ударах, ни при внезапном
резком увеличении температуры.
Температура, при которой
стекло начинает деформировать-
ся под действием собственного
веса, обычно совпадает с тем*
пературой размягчения.
Рис. 8.1. Диаграмма вязкости стекла:
1 — область хрупкого состояния; II об-
ласть вязкого состояния; III — область
жидкого состояния; /V — область отжига;
V — область формования; V/ — область
расстеклования; Мд — .область деформа-
4HR
Рис. 8.2. Кремнекислородный
тетраэдр (О — атом кремния,
• — атом кислорода)
167
Изменение температуры сгекла в области точки размягчения
на 100 К приводит к изменению вязкости приблизительно на два
порядка. Знание, кривой вязкости стекла данной марки имеет
большое значение для правильного ведения процесса не только
выработки стекла, а и для разработки технологических режимов
соединения его со стеклом и металлами. Для назначения правиль-
ного режима сварки особенно важно знать температуру нижней
зоны отжига Г, точку трансформации стекла Tgy температуру
15-мипутного отжига Т1 и температуру размягчения Т/.
При определении режимов сварки можно руководствоваться
следующими режимами обработки. Температура сварки выбира-
ется выше температуры трансформации но незначительно,
чтобы не вызвать большую пластическую деформацию стеклянной
детали и в то же время передать сжимающую нагрузку в тот мо-
мент, когда стекло переходит из хрупкой области в пластическую.
После изотермической выдержки целесообразно полностью снять
сжимающую нагрузку и провести дополнительный нагрев до Тг
с целью снятия остаточных напряжений. Однако знание Tf преду-
преждает об опасности перегрева стекла и деформации его под соб-
ственным весом. И наконец, знание температуры Т позволяет
выбрать такой режим охлаждения свариваемых деталей, когда
в соединении за счет релаксации еще удается снизить величину
остаточных напряжений. Этот интервал охлаждения, в котором
происходит снятие остаточных напряжений в стекле, носит назва-
ние ответственного охлаждения. Ниже этой температуры остаточ-
ные напряжения в стекле практически не релаксируют, поскольку
вязкость стекла существенно возрастает.
При температуре 7\ массу разливают.
Представления об интервале стеклования получили широкое
.признание в науке и практике стеклоделия. Однако нельзя упус-
кать из вида относительный характер этих понятий, поскольку
резкая граница изменения свойств стеклообразных веществ с
изменением температуры отсутствует, а свойства сгекла зависят
от скорости охлаждения или нагревания. Для получения воспроиз-
водимых результатов определение характеристических температур
осуществляют при стандартной скорости нагрева 3 К/мин.
Строение стекла. Учитывая сложность и многоплановость
вопроса строения стекла, ограничимся рассмотрением основных
положений кристаллохимического направления, иллюстрируя их
конкретными примерами строения силикатных стекол по мере
усложнения их состава — от простейшего по составу однокомпо-
пентного кварцевого стекла до двух-, трех- и многокомпонентных
составов промышленных стекол.
Если для кристаллических структур характерно наличие
ближнего и дальнего порядков, то в структуре стекол имеется
ближний порядок, но отсутствует дальний порядок в расположе-
нии координационных групп атомов.
!СЛ
Основными элементами структуры силикатных стекол являются
тетраэдры ISiO4]4", вершины которых, соединяясь друг с другом,
способны образовывать непрерывную в одном, двух или трех изме-
рениях пространственную структуру (структурную сетку по
Захариасену).
Кварцевое стекло SiO.^. Основной структурной еди-
ницей кварцевого стекла является кремнекнслородпый тетраэдр
(рис. 8.2). Атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода,
расположенными симметрично в вершинах тетраэдра. Структура
кварцевого стекла выполнена из тетраэдров [SiO4]4~, соединенных
друг с другом вершинами через атомы кислорода. В результате
образуется непрерывный пространственный каркас, отличающийся
от геометрически правильных решеток кристаллических модифи-
каций кварца отсутствием дальнего порядка в расположении и
ориентации тетраэдров. Тетраэдры [SiO4]4“ не образуют в про-
странстве геометрически правильных сочленений в виде шести -
членных колец, характерных для структуры кристобалита. Струк-
турная сетка стекла выглядит как искаженная кристаллическая
решетка. Искажение заключается в произвольном варьировании
значений угла <р связи Si—О—-Si между соседними тетраэдрами в
структуре стекла.
Тетраэдр lSiO4J4~ имеет избыточный отрицательный заряд
(—4), но каркасная сетка из тетраэдров SiO4 в целом электроней-
траль на. так как каждый атом кислорода связан с двумя атомами
кремния. В структуре кварцевого стекла все атомы кислорода
мостиковые.
Структуры кристаллических и стеклообразных форм диоксида
кремния не являются плотноу пакованными, так как тетраэдры
соединяются вершинами, а не ребрами и не гранями. В кварцевом
стекле имеются свободные структурные полости, ограниченные
в пространстве мостиковыми атомами кислорода.
Именно благодаря наличию в структуре свободных полостей
кварцевое стекло обладает наиболее высокой газопроницаемостью
(гелий, водород, неон) по сравнению с другими силикатными стек-
лами, в составе которых кроме диоксида кремния присутствуют
оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов.
Силикатные стекла. С силикатными стеклами по распро-
страненности в быту и технике не могут сравниться никакие другие.
Преимущества силикатных стекол обусловлены их дешевизной,
высокой химической устойчивостью, большой твердостью, сравни-
тельной простотой промышленного производства (табл. 8.2). Од-
нако производство чистого плавленного кремнезема (кварцевого
стекла) сопряжено с серьезными технологическими трудностями,
поскольку температура плавления кварцевого стекла превышает
2000 К. Й даже при такой высокой температуре вязкость расплава
кремнезема очень высока, что существенно затрудняет получение
качесгвенного стекла и его формовку
169
i а и л ипа 8.2
Химический сослав типовых силикатных стекол
Химический состав, %
♦ Стекло	S1O,	Na,О	СаО	MgO	АЦО,	1 РЬО 1	I 1
							к,о 1 в,о. i
Известково-натриевое	72	15	! 9	3	1	1			1
Свинцовое	*8	10	1	—-	—-	15	6 1 —
Еопссвлик'этясн?	ЯП	4	1		О	[ 		— 1 14 1	।
Известковочкатриевые стекла легко подвергаются горячек
обработке, обычно их используют для тех случаев, когда не трс
эуется высокой теплостойкости и химической устойчивости.
Свинцовые стекли отличаются хорошей обрабатываемостью при
нагреве, высоким электрическим сопротивлением, а также высоким
коэффициентом преломления. Массивные свинцовые стекла служат
экранами для поглощения рентгеновского и гамма-излучения.
Боросиликатные схекла используются для изготовления терме-
стойки^ оболочек вакуумных приборов, химической лабораторной
посуды, стеклянных трубок и т. д. Высокая химическая стойкость,
низкий температурный коэффициент линейного расширения, высо
кое сопротивление термическому удару делают боросиликатные
стекла лучшими для лабораторной практики.
Получают стекла путем сплавления стеклообразующих, промс
жуточных, связывающих и щелочных оксидов между собой.
Стеклообразующие оксиды SiO2, В2О3, Р2О5 и другие являются
основой стекла. Каждый из этих оксидов способен сам по ееб,?
образовывать стекло. По названию стеклообразующего оксид,
часто именуют сами стекли. Например, если основу стекол состав
ляет SiC2, ю такие стекла называют силикатными, а стекла на
основе SiG2 и B2OS — боросиликатными.
Промежуточные оксиды, такие, как AI20s и РЬО, способствуют
созданию стеклообразного состояния. Ионы связывающих оксидов,
таких, как СаО и ВаО, попадая в сетку стекла, образуют связи
с ионами кислорода, делая более плотной эту сегку
Щелочные оксиды Na2O и К2О вводят для снижения темпера-
туры размягчения и вязкости стекла и ограничения возможности
его кристаллизации. В местах расположения щелочных ионов
происходит разрыв кремнекислородной сетки, что приводит к об-
щему разрыхлению структуры и ослаблению решетки. Однако
увеличение содержания щелочных оксидов (более 15%) приводит
к снижению диэлекгрических свойств стекол.
Процесс стекловарения заключается в приготовлении шихты
и варке стекломассы в стекловаренных печах. На завоМиХ др»
производстве большого количества стекла применяю! ванные печи,
а для получения небольшого количества g точно выдержанным
составом — горшковые печи. Сырьем для изготовления ^теко.
I/O
Таблица 83
Свойства некоторых оптических стекол
Марка стекле	Показатель преломления	Темперагурнгхй коэф- фициент линейного расширения при 293—- 393 К. JO-’ К”1	Плотное гь< кг/м*	Модуль Юнге, ГПа
ЛК4	1,4903	51	2330	64,9
ЛК5	1,4781	35	2270	59,8
Л Кб	1,4704	33	2300	49,8
ЛК7	1,4828	44	2300	69,3
К5	1,5110	74	2470	78,9
К8	1,5163	76	2520	82,3
служат следующие материалы: кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3
поташ К5СО8. известняк СаСО3, доломит CaCO3’MgCOg. сульфат
натрия Na.}sb17 бура Na2B4O7, борная кислота Н3ВО3/ полевой
шпаг К2О-AI2d3-6SiO2 и др.
Подготовленные и тщательно перемешанные материалы, коли-
чественное соот ношение которых, соответствует определен ной
марке стекла,' называют шихтой. В стекловаренных печах при
высокой температуре (1673—1923 К) в шихте протекают процессы
силикате- и стеклообразования, сопровождающиеся разложением
компонентов шихты и выделением газообразных продуктов (СО2,
SO2, N2, О2 и др,).
Образовавшийся высокотемпературный расплав подвергается
в стекловаренных печах дегазации, гомогенизация, окончатель-
ному осветлению — удалению газовых включений и снижению
температуры расплава до значения, при котором становится воз-
можным формование стеклоизделий из стекла данного состава.
По назначению стекла подразделяют на оптические, электро-
технические и строительные.
Оптические стекла — это однородные прозрачные не
окрашенные специально стекла. Каждому стеклу установленного
химического состава с соответствующими свойствами присвоена
марка. Некоторые физические свойства оптических стекол, кото-
рые необходимо учитывать при разработке технологии диффузион-
ной сварки, приведены в табл. 8.3.
Основным качеством оптического стекла, отличающим его от
технического, является высокая оптическая однородность. Из
оптического стекла изготовляют детали различных приборов. Чем
точнее, чувствительнее и ответственнее прибор, тем выше должка
быть однородность используемого стекла.
Электротехнические стек ла находят примене-
ние главным образом в электровакуумной промышленности. Ряд
электротехнических стекол были специально разработаны для
получения надежных соединений с металлами. Коэффициенты их
линейного расширения в некоторых случаях близки по своим
171
Таблица 8.4
Физические свойства некоторых стекол молибденовой группы,
применяемых в промышленности
Марка стекла	Температурный ко- эффициент линей- ного расширения при 293- 573 К, 10“7 К”1	Модуль Юнга, ГПа	Временное сопротивле- ние. МПа		Температура размягчения, К
			растяжению	сжатию 1	
С47-1	47	63,0	90	1090	863
СЛ8-1	48	64,5	77	1080	828
С48-2	48	 —	—	 »«*	843
С48-3	48	—			1083
С49-1	49	62,5	30		853
			50		
С49-2	49	66,7	30	850	858
			50		
С49-3	49	— —	—	—	788
С50-1	50	*	——	—	893
С50-2	50	—	 -	—	838
значениям коэффициентам линейного расширения отдельных ме-
таллов и сплавов.
В электровакуумной промышленности используют около 50
марок стекла. Эти стекла обладают одним характерным только
для них свойством образовывать в пределах определенных групп
надежные вакуумно-плотные спаи друг с другом, а также с некото-
рыми металлами и сплавами.
Наибольшее распространение для соединения диффузионной
сваркой получили стекла молибденовой группы (табл. 8.4). По
химическому составу это боросиликатные стекла с высоким содер-
жанием оксидов SiO2 и В2О3 (85—90%) при полном отсутствии
оксидов щелочно-земельных металлов. Оксиды кремния и бора
сближают температурные коэффициенты линейного расширения
молибдена и ковара 29НК, с которыми хорошо свариваются эти
стекла.
Так, для боросиликатного стекла марки С48-1 характерна
пологая кривая температурной зависимости вязкости в области
размягчения, что имеет важное значение при соединении стекла с
коваром. У ковара в точке Кюри, равной 708 К, резко увеличи-
вается температурный коэффициент линейного расширения, стекло
при этом находится в пластическом состоянии и может следовать
за изменением температурного коэффициента линейного расшире-
ния ковара. В период затвердевания стекла значения его темпера-
турного коэффициента линейного расширения и ковара близки..
Это стекло образует прочные вакуумно-плотные спаи с коваром и
молибденом, имеет высокие диэлектрические свойства.
По химическому составу и свойствам стекло марки С49-1
сходно со стеклом марки С48-1, но нерадиоактивно, поэтому при
172
меняется в счетчиках элементарных частиц, фотоэлектронных
угиножителях и других подобных приборах.
Механические свойства. Плотность большей части силикатных
стекол колеблется в предел ах (2,1—3) 103 кг/м3. Стекло отличается
от других материалов повышенной хрупкостью. Прочность стекла
при растяжении меньше, чем у металлов и составляет 30—50 МПа.
Прочность характеризуется наименьшей силой, приложенной
вдоль оси стеклянного стержня, площадь сечения которого равна
1 см2, способной вызвать его разрушение.
Прочность стекла на изгиб еще меньше, чем прочность на
растяжение. Она определяется при постепенном повышении на-
грузки, приложенной к середине испытуемого образца (стержня),
концы которого свободно лежат на опорах, вплоть до разрушения.
Прочность стекла на сжатие примерно в 10 раз выше, чем
при растяжении и лежит в пределах от 500 до 1250 МПа, т. е. в
этом случае стекло может конкурировать с металлом.
Твердость стекла, имеющая значение для процессов шлифо-
вания, полирования, резания и сверления, колеблется в пределах
от 5 до 7 по шкале Мооса. Наиболее твердым является кварцевое
стекло, а очень мягкими — свинцовые стекла.
Термические свойства. Важнейшим свойством стекла для опре-
деления возможности его работы в паре с каким-либо металлом
является термический коэффициент линейного расширения.
Свариваемость стекол между собой, а также с различными
металлами или керамикой определяется не только средним значе-
нием температурного коэффициента линейного расширения этих
материалов, но и соотвегствием кривых расширения каждого из
них. Подбором содержания отдельных оксидов в стекле можно
добиться широкого диапазона изменения температурного коэф-
фициента линейного расширения.
Термостойкость стекла определяется максимальной разностью
температур, которую выдерживают испытуемые образцы без разру-
шения. Термостойкость большой части стекол находится в пределах
от 100 до 230 К (наименьшая у легкоплавких стекол, наибольшая
у тугоплавких), термостойкость кварцевого стекла равна
1200 К.
Термостойкость прямо пропорциональна механической проч-
ности стекла и обратно пропорциональна температурному коэффи-
циенту линейного расширения. Кроме того, опа зависит от раз-
меров, формы и пороков стеклоизделин.
Теплопроводность стекол низкая, поэтому их неравномерное
охлаждение или нагрев приводит к возникновению значительных
напряжений, которые снижают механическую прочность. Возник-
шие напряжения остаются в стекле, и после выравнивания темпера-
тур они называются постоянными или остаточными. Разрушение
сформованных изделий при наличии в них остаточных напряжений
может наступить и в дальнейшем под воздействием случайных,
даже небольших нагревов и охлаждений.
173
Для уменьшения остаточных напряжений применяют отжиг.
Нижняя температура отжига» соответствующая вязкости
1013’5 Па-с, определяется как температура, при которой напряже-
ния устраняются за 4 ч, верхняя температура отжига, соответ-
ствующая вязкости 1013 Па-с, определяется как температура,
при которой напряжения устраняются за 15 мин.
Электрические свойства, К электрическим свойствам стекол
относятся электрическая проводимость, диэлектрическая прони-
цаемость, диэлектрические потери, электрическая прочность.
В зависимости от состава и температуры окружающей среды стекла
могут быть изоляторами (диэлектриками), полупроводниками
и проводниками тока.
Низкая электрическая проводимость оксидных стекол обуслов-
лена малой подвижностью катионов. Повышение температуры
сопровождается снижением вязкости, увеличением подвижности
носителей тока, в результате чего электрическая проводимость
возрастает на несколько порядков.
Электрическая проводимость силикатных стекол зависит, в пер-
вую очередь, от концентрации щелочных компонентов и их подвиж-
ности. Кварцевое стекло является почти идеальным изолятором
в группе силикатных стекол. Его электрическая проводимость
при нормальной температуре равна 10~18 (Ом-м)'\ а при 1073 К —
10“4 (Ом-м)"1.
Электрическая проводимость натриевых стекол растет по мере
увеличения концентрации оксида натрия в области как низких,
так и высоких температур.
Если удельная электрическая проводимость или рабочая
температура стекла слишком велика» го наблюдается электролиз
стекла, который в итоге может привести к пробою и разрушению
стекла. Вблизи положительного электрода стекло обедняется
оксидами щелочных металлов, и его температурный коэффициент
линейного расширения уменьшается, что влечет за собой появление
мелких трещин и нарушение вакуумной плотности- В любом слу-
чае электролиз стекла приводит к появлению новых продуктов
реакции.
Введение ионов кальция, бария, свинца снижает подвижность
ионов натрия и тем самым уменьшает электрическую проводимость
сгекла, а повышение температуры способствует резкому ее увели-
чению. Зависимость электрической проводимости от температуры
может быть описана уравнением
X =	(8.1)
где 71 — константа; Ен — энергия активации электрической про-
воднмости; характеризует потенциальный барьер, который необ-
ходимо преодолеть катионом при перемещении в направлении
электрического поля: R — универсальная газовая постоянная:
Т — температура
174
Энергия активации электрической проводимости не зависит
от температуры в интервале от нормальней температуры до тем-
пературы стеклования, и ее среднее значение для обычных силикат-
ных стекол составляет 80—90 кДж/моль. Зависимость электриче-
ской проводимости от температуры в этом интервале имеет четко
выраженный экспоненциальный характер.
§ 2.	КЕРАМИКА
Керамика представляет собой неорганический материал,
получаемый спеканием массы заданного состава из минералов
оксидов, карбидов, нитридов и других компонентов. Любая кера-
мика — многофазный материал, состоящий из кристаллической,
аморфной и газовой фаз. Кристаллическая фаза — основа кера-
мики, определяющая основные свойства. Стекловидная фаза кера-
мики — это прослойка из стекла, связывающая кристаллы кри-
сталлической фазы. Она способствует спеканию керамики и повы-
шает ее механическую прочность. Наличие стеклофазы положи-
тельно сказывается на свариваемости керамики с металлами.
Газовая фаза — неизбежный компонент, так как в процессе подго-
товки массы, формования изделия, а также в процессе обжига и
выделения летучих компонентов возникают поры, которые запол-
няются газовой средой, в которой производят обжиг.
В настоящее время наряду с многокомпонентной оксидной
керамикой в промышленности широко используют несколько
групп новых материалов:
керамику чистых оксидов на основе А12О8, SiO2, ZrO2, ThO2,
ВеО, MgO, а также шпинель MgAl2O4 и форстерит Mg2SiO4;
бескислородную керамику на основе нитридных и карбидных
соединений (Si2N4, SiC, TiC и др.), а также комбинированную
керамику на основе оксикарбидов и оксинитридов, например
сиалоны;
магнитную керамику (ферриты), основу которой составляют
оксиды Fe2O3, MnO3> NiO и др.;
пьезокерамику на основе титаната, цирконата свинца.
Техническая керамика может иметь различное назначение
в силу неограниченного сочетания видов и форм входящих в ее
состав веществ. Применение разнообразных керамических мате-
риалов в электронике обусловило совершенствование информа-
ционных систем. Освоение и использование сверхпроводящей
керамики приведет к подлинной революции в энергетике. Техниче-
ская керамика — материал, обладающий высокой прочностью,
жаростойкостью, коррозионной стойкостью и твердостью — сыгра-
ет огромную роль в авиации, космонавтике, ракетостроении, дви-
гателестроении. Широкое применение конструкционной и специа-
лизированной керамики позволит освоить такие виды новых
источников энергии, как магнитные гидродинамические генера-
торы, ядерные реакторы, термальные ГЭС и др.
175
Техническая керамика будет находить все более широкое
хтрименение в медицине. Она безвредна, обладает стабильными
свойствами, имеет большее сродство с живыми организмами.
Состав и свойства. Керамические материалы, как и всякое
твердое тело, оценивают по пределу прочности при сжатии, растя-
жении, статическом и динамическом изгибах, кручении, а также
по модулям упругости и сдвига.
Керамические материалы под действием внешних усилий при
нормальной температуре имеют хрупкий характер разрушения.
Характерная для металлов пластическая деформация, предшест-
вующая разрушению, в керамике при нормальной температуре
почти полностью отсутствует.
Характер разрушения керамических материалов в зависимости
от их фазового состава различен. Их разрушение при сжатии,
изгибе или растяжении происходит либо но телу стекловидной
фазы, либо по кристаллиту. В некоторых случаях в материалах
чисто кристаллического строения разрушение происходит но грани-
цам зерен без нарушения их целости. Если керамика содержит зна-
чительное количество стекловидной фазы, то разрушение обычно
происходит по ней, так как эта фаза обладает меньшей прочностью.
Однако в некоторых случаях при минимальном содержании
стекловидной фазы, находящейся в сжатом упрочненном состоянии,
первоначальное разрушение может произойти и по кристаллиту.
В реальных керамических материалах имеется большое число как
микро-, так и макродефектов, приводящих к концентрации напря-
жений.
Снижение прочности керамического материала по сравнению
с его теоретической прочностью и дальнейшее его разрушение под
влиянием разрушающих нагрузок является следствием содержания
в керамике мелких трещин, около которых происходит сильная
концентрация напряжений. Одной из основных причин, способст-
вующих разрушению материала, может быть различие температур-
ных коэффициентов линейного расширения фаз, входящих в много-
фазную керамику и приводящих к повышению напряжений на
границах этих фаз в случаях изменения температуры.
Одним из важнейших свойств керамических материалов яв-
ляется вакуумная плотность (табл. 8.5).
Наибольшее распространение в промышленности получила
корундовая керамика — материал, содержащий более 80% А12О3.
Керамика из чистого оксида алюминия также нашла широкое при-
менение. Оксиды алюминия (алунд, сапфир) химически инертные,
тугоплавкие вещества, отличающиеся высоким электрическим со-
противлением, устойчивостью к воздействию активных восстано-
вителей, высокой плотностью. Корундовая керамика А12О3 имеет
температуру плавления 2273—2318 К, рабочую температуру
1973 К, плотность 3950 кг/м3, температурный коэффициент линей-
ного расширения 5-10“® К"1, прочность при растяжении 176—190,
сжатии 1900—2000, изгибе 280—450 МПа.
17F
Таблица 8.5
Вакуумно-плотная керамика
Керамика	Обозначение	Основная кристаллическая фаза
Корундовая Б ромелл итовая Фор стер итова я Клиноэнстантито- вяя Иттриевая Периклазовая Шпинелевая Форстер итошпи не- лепая Нитридная	К Б Ф Кл И п ш ФШ НА	Корунд (а-А120з) Бромеллит (ВеО) Форстерит (2 MgO- SiO2) Клиноэнстантитовая (MgO - SiO2) Оксид игтрня (Y2O3) Периклаз (MgO) Шпинель алюмомагнезиальная (Al203-Mg0) Форстерит и алюмомагнезиальная шпинель (2 MgO- SiO2 — Al2Oa- MgO) Нитриды металлов
На основе оксида алюминия разработана большая группа кера-
мических материалов (табл. 8.6—8.8).
Как уже отмечалось, керамика относится к хрупким материа-
лам, поэтому ее реальная прочность примерно на три порядка
меньше теоретической. Прочность керамических материалов онре-
Таблица 8.6
Химический состав вакуумно-плотной керамики
Керамика		Химический состав, %			
Вид	Марка	А1,О«	S1O,	MgO	Другие составляющие
Корундовая	ВК100-1 ♦ ВК100-2 * ** ВК99-1 ВК98-1 ВК95-1 ВК94-1 ВК94-2	99,8 99,8 98.8 98,0 95,3 94,4 94,2	3,3 2,8 3,7	0,2 0,2 0,3 0,5 1,2	0,9 Ва2Оя 1,5 В2ОЯ 0,2 СаО 0,5 Сг,Оя; 2,3 МпО 2,1 СаО
промел итовая	ВБ 100-1 ВБ97-1	1,2	0,5 0,9	' ' 	99,5 ВеО 0,9 СаО; 97,0 ВеО
Форстеритовая	ВФ52.42-1 ВФ48.44-1 ВФ46.43-1	0,8 2,1 3,9	41,7 43,7 42,8	51,5 48,4 45.8	6,0 ВаО 5,8 ВаО 7,5 ВаО
Кл и ноэнстаптито-	ВКл32.63-1	2,6	62,8	31,6	2,1 В2ОЯ: 0,9 ВаО
вая (стеатитовая)	ВКл32.63-1	2,6	62,8	31,6	2,1 В2О8; 0,9 ВаО
* Оптически
** Оптически
прозрачная.
непрозрачная-
177
а б л н ц a 8.7
Фазовый состав вакуумно-плотной корундовой керамики % по объему
Керамика	Кристаллическая фаза	Стекловидная фаза	Пора
ВК94-1	95	10	5
ВК94-2	81—87	13—19	4
ВК100-2	96	0 ’	4
деллется составом и микроструктурой. Фазовый состав и втруктура
корундовой керамики определяются химическим составом массы,
условиями ее приготовления, методом формования и режимом
обжига.
Основной и в большинстве случаев единственной кристалли-
ческой фазой корундовых материалов является а-Л12О3. В неко-
торых материалах отмечается содержание небольшого количества
Фазы ji-Al2O8, образующейся при наличии примесей щелочных
и щелочно земельных оксидов. Образование р-Л12О3 возможно
< яри введении добавок, содержащих указанные оксиды. При
ввтчевии в массу оксида магния в керамике возможно образование
алюмомагнезиаиьной шпинели MgO Al2O3. В керамических мате-
риалах с добавкой оксидов марганца (ВК94-1) отмечается содержа-
ние МпО-А12О3.
Во всех корундовых материалах, в том числе чисто глиноземис-
тых, присутствует стекловидная фаза. Она образуется при наличии
в исходном глиноземе примесей (Na2O, SiO2, ге2О4 и т. д.), а также
при введении в него специальных плавнеобразующих компонен-
тов.
Общее содержание стекловидной фазы в корундовых материа-
лах с плавнеобразующими компонентами колеблется в пределах
8 -14% по объему. Количество стекловидной фазы определяется
температурой обжига и степенью дисперсности исходного глино-
зема и его растворимостью в расплаве. Стекловидная фаза обеспе-
чивает спекание керамики при пониженных температурах обжига
и способствует образованию материала с тонкокристаллической
структурой.
Ввиду мелкозернистой структуры материалов с наличием тон-
ких прослоек стекловидной фазы их прочность заметно выше проч-
ности чисто корундовой керамики, имеющей более крупнокристал-
лическое строение.
В крупнокристаллической структуре корундовой керамики
часто встречаются округлые поры внутри самих кристаллов корун-
да. Они, как правило, не наблюдаются в мелкозернистых материа-
лах. Общее содержание пор в корундовых материалах колеблется
в пределах от 4 до 8% по объему. Минимальная пористость наблю-
дается в корундовой керамике, полученной методом горячего
прессования
178
Таблице 88
Физические свойстве вакуумяо-плотной керамики
Керамика	Теяпсрптурный коэффициент линейного расширения, 10"’ К*1, в интервале температур, К			Предел прочности при изгибе, МПа	Модуль упругости, ГПа
	20 — 200	20—500	20—900		
ВФ52.42-1	83	98	109	147	
ВФ46.43-1	80		—	167	148—152
ВКл32.63-1	92	91	88	118	84—99
ВКл32.63-2	82	84	84	147	—
ВК100-1	57	 *	75	274	370—390
ВК10С-2	60	70	79	314	380
ВК98-1	67	78	86	294	300—400
ВК94-1	62	73	80	314	255
ВК94-2	61	69	80	294	190—220
ВК95-1	62	73	82	304	300
ВК97-1	53	-	86	137	300—320
ВБ 100-1	64	72—75	81—88	196	260
Фазовый состав корундовой керамики определяют подсчетом
площадей поверхностей фаз на полированных и травленых шлифах
под микроскопом. Правильносгь подсчета зависит от методики
изготовления шлифа, выбора травителя и условий травления.
Наиболее приемлемым для травления корундовой керамики при-
знано использование ортофосфорной кислоты. Травление следует
вести в кипящем растворе.
В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом
выпускают материалы на основе оксида алюминия под разными
наименованиями. Различаются они по химическому составу и
свойствам. Преимущественно эти материалы получаются из
а-Л12О3 и небольшого количества (до 5%) компонентов, образую-
щих с а-А12Оа расплав при сравнительно низких температурах.
Различие свойств этих материалов обусловлено составом стекло-
фазы и структуры материала. Таким образом, при производстве
керамических материалов широко используют различные добавки,
которые изменяют свойства, но не оказывают влияния на темпера-
туру спекания. Их называют модификаторами. Выделяют три
группы модификаторов;
облегчающие спекание и увеличивающие рост зерен (TiOa,
TiO3, Nb2O5, MnO, Cu2O, CuO. CeO2 и др.);
оказывающие на спекание и рост зерен незначительное влияние
(Ga2O, Y2OS, Р2Оь, Fe2O8, ThO2 и др.);
замедляющие спекание и рост зерен глинозема (NaF, SbaOBll
KI, КС1, КВг, KCO3 и др.).
Технология получения. В технологическом процессе изготов-
ления керамических изделий можно выделить три этапа: подго-
товка исходного сырья (дозировка, измельчение, смешивание
компонентов), формование полуфабрикатов изделия и обжиг полу-
фабрикатов.
179
Для изготовления изделий из многих видов технической
керамики исходные материалы обычно измельчают до зерен разме-
ром 1—3 мкм, а иногда и меньше. Тонкий помол мелкозернистых
масс и порошков осуществляют главным образом в шаровых
и вибрационных мельницах, реже в струйных мельницах.
Для получения изделий ответственного назначения (плотной
и прозрачной керамики) требуется применять высокодисперсные
порошки, активные к спеканию. Активными к спеканию следует
считать порошки с высокоразвитой поверхностью, имеющие,
как правило, дефектную структуру и повышенную поверхностную
энергию. Синтез новых соединений (шпинелей, титанатов, цирко-
натов и др.) из обычных тонкоизмельченных оксидов не приводит
к полному протеканию реакций взаимодействия, и в такой кера-
мике возможно присутствие исходных фаз. В этом случае не
достигается высокой степени гомогенности, что и является причи-
ной снижения некоторых свойств керамики.
В последнее время разработан ряд методов получения высоко-
дисперсных порошков заданных фаз, а также методов синтеза
новых соединений, которые можно объединить одним общим назва-
нием «Химические методы подготовки масс и синтеза соединений».
Сущность этих методов основана на следующих операциях:
совместном осаждении желаемых компонентов из раствора
солей в форме нерастворимых или малорастворимых гидрооксидов,
карбонатов и оксалатов, осадок которых тщательно просушивают
и термически разлагают;
быстрой сушке растворов солей в процессе распыления в спе-
циальных сушилках;
вымораживании водных растворов смеси солей, составляющих
проектируемую керамику, путем распыления в охлаждающую
среду (так называемый криохимический метод) и другими низко-
температурными методами.
Химические низкотемпературные методы получения нового
вещества заданного состава перспективны, так как имеют некото-
рые преимущества перед обычным твердофазным синтезом.
Большая часть применяемых для производства технической
керамики исходных веществ являются непластичными, например
оксиды, некоторые силикаты, шпинели, ферриты. Чтобы сформо-
вать из порошков непластичных материалов изделие, необходимо
придать им вязкость, т. е. ввести технологическую связку. Такую
связку впоследствии можно удалить, т. е. она выполняет свою
функцию только на стадии формования изделия, выгорая пол-
ностью при обжиге и не оставляя вредно влияющей на свойства
изделия зольности.
Водорастворимыми органическими связками являются декст-
рин, крахмал, мука, поливиниловый спирт и др.
Широкое применение находят твердые органические связки,
используемые самостоятельно без растворителей, например пара-
фин, и связки, растворимые в органических жидкостях, таких, как
каучук, различные смолы и битумы. Наибольшее распространение
в отечественном производстве получили парафин и его компаунды.
Необходимость изготовления изделий из непластичных мате-
риалов привела к разработке методов формования в основном ис-
кусственных кристаллических материалов. Основные методы фор-
мирования следующие:
лигье водных суспензий в пористые формы;
прессование порошкообразных масс;
обточка заготовок, отпрессованных из пластифицированных
масс;
литье горячих шликеров под давлением;
экструзия пластифицированных масс;
прессование при высоких температурах.
Выбор того или иного метода зависит главным образом от формы,
требуемой точности размеров изделий, их свойств, масштабов
производства, а иногда и от других технологических и экономи-
ческих факторов. Универсального метода изготовления керами-
ческих изделий нет.
На формуемость изделий существенным образом влияют свой-
ства пресс-порошков, которые определяют качество прессованных,
а следовательно, и готовых изделий. Наиболее важные технологи-
ческие характеристики порошков — пластичность, сыпучесть (те-
кучесть), насыпная плотность, коэффициент сжатия, относительная
плотность и другие свойства, влияющие на выбор наиболее рацио-
нального метода формования изделий.
Заключительной операцией синтеза керамического материала
и изготовления изделий с заданными свойствами является обжиг
полуфабрикатов при высокой температуре. Он осуществляется
обычно в две стадии. Первичный обжиг проводится при темпера-
туре 1173—1373 К в целях увеличения прочности и плотности
изделия. При этом происходит удаление пластификатора (выгора-
ние связки) и усадка изделия на 2—15%. После такого отжига
детали уже можно подвергать механической обработке.
Высокотемпературный обжиг (вторичный) ведут при темпера-
туре 1600—1900 К- При этом происходит дальнейшее упрочнение
и уплотнение сжимаемого тела. Из конгломерата непрочно и вре-
менно связанных частиц или зерен в результате протекания про-
цессов соединения частиц с образованием новых кристаллических,
стекловидных и газовых фаз (спекания) образуется монолитное
тело заданной формы и с нужными свойствами.
В процессе спекания происходит перенос вещества контактирую-
щих частиц. Механизм переноса вещества при обжиге керамиче-
ских материалов может быть различным. Обычно выделяют твердо-
и жидкофазное спекание, т. е. процессы, происходящие с участием
только твердых тел или с участием твердых тел и жидкой фазы.
Иногда процесс спекания, начавшийся с образования жидкой
фазы, в результате растворения более тугоплавких компонентов
завершается в твердофазном состоянии.
181
В ряде случаев спекание кристаллических тонкодисперсных
порошков происходит вследствие переноса вещества при испарении
с поверхности одних кристаллов и конденсации па поверхности
других. Спекание по данному механизму не вызывает значительной
усадки керамических изделий и сохраняет высокую пористость
Реакционное спекание — особый вид спекания. Спекаемый
материал уплотняется в результате образования нового кристал-
лического вещества по реакции между твердофазным веществом,
находящимся в теле изделия в качестве одного компонента, и
парообразной фазой другого вещества. Происходит своеобразная
прописка пористого тела парообразным веществом, которое всту-
пает в реакцию с основой или специально введенной для осущест-
вления реакции фазой. Такой вид спекания наблюдается при
обжиге керамики из SiC и Si3N4, В первом случае парообразный
кремний реагирует с введенным в массу углеродом, а во втором —
порошкообразный кремний обжигают в среде азота.
Современная промышленность использует различные методы
получения соединения металлов с керамическими материалами.
Метод молибде н-м арганцевой металли-
зации. На поверхность керамики наносится пастообразная
смесь металлических порошков из смеси Мо—Мп или Мо с органи-
ческой связкой. Металлизация осуществляется обжигом при тем-
пературе 1573— 1973 К в атмосфере увлажненного водорода или
его смеси с азотом. Затем металлизированную поверхность соеди-
няют пайкой или диффузионной сваркой с металлической деталью.
При металлизации керамики происходят следующие процессы.
Во время термообработки в атмосфере увлажненного водорода
некоторая часть марганца из металлизированного слоя, ближе рас-
положенная к поверхности, превращается в оксид марганца по
реакции
Мп + Н2О -> МпО + Н2.	(8.2)
Оксид марганца взаимодействует со стеклофазой керамики, кото-
рая легко перемещается и проникает в поры металлизированного
слоя и межзеренное пространство кристаллов керамики, обеспечи-
вая спай керамики с металлическим слоем. Одновременно оксид
марганца взаимодействует с оксидом алюминия, образуя шпинель
МпО-А12О3, которая создает промежуточный слой.
Недостатком способа являются очень высокие температуры
металлизации, что часто приводит к растрескиванию керамики
при термической обработке.
Пайка с использованием активных ме-
таллов. В зону соединения между керамикой и металлом вво-
дится смесь активного металла (титан или цирконий) — с такими
металлами, которые образуют с первыми низкоплавкие эвтектики
(никель, медь и серебро). Затем проводится однократная термооб-
работка при температуре выше эвтектической, при этом образуется
жидкая фаза и расплавленный эвтектический сплав смачивает
182
керамику. Процесс ведут в вакууме» в атмосфере водорода или
инертного газа.
Существует так называемая «гидридная технология», основан-
ная на процессе разложения гидридов титана и циркония в зоне
соединения. Этот метод аналогичен предыдущему, только вместо
активных металлов вводят их водородные соединения (ТШ4 и
ZrH4).
Из недостатков следует отметить ограниченный выбор мате
риалов, а также ухудшение электроизоляционных свойств кера'
мических материалов в зоне соединения.
Сварка плавлением Суть этого процесса состои
в том, что стык между керамическими деталями заполняется
расплавленным материалом, который образуется в результате
плавления заполнителя, изготовленною из того же материала»
что и контактирующие поверхности. Недостатком такою метода
является образование трещин в месте контакта из-за больших
термических напряжений.
Пайка стеклообразными припоями. В ка
честве припоя применяют стекло с последующие нагревом места
спая. Используют стекла с различной температурой плавления
на основе оксидоь РЬО, СаО, Na2O, SiO2, AI2'j? и т. д. Поверхность
металлической детали перед пайкой окисляется до образование
на ней пленки оксида, способной растворяться в стекле.
Аналогично осуществляют соединение деталей с использова-
нием керамической фриты, которая состоит из смеси тугоплавких
оксидов, например А12О3, МпО и SiO2. К данному процессу при
бегают, когда соединение работает при высоких температурах.
Его недостатком является низкая механическая прочность и вы-
сокие температуры получения соединения, при которых возможно
разрушение керамики.
Диффузионная сварка. Диффузионная сварка
керамических деталей с металлическими осуществляется за счет
протекания в зоне контакта твердофазных, так называемых топо-
химических реакций замещения или присоединения. Соединение
осуществляется се расплавления металлической детали при
относительно невысоких температурах, что обеспечивает сохран-
ность высоких свойств керамических материалов. С точки зрения
перспективности применения диффузионная сварка имеет суще-
ственные преимущества перед другими методами соединения.
Однако следует иметь в виду, что, используя диффузионную
сварку в сочетании с другими методами, часто достигают более
высоких технических результатов, по сравнению с теми, что
обеспечивает диффузионная сварка в классическом варианте.
§ 3.	СИТ АЛЛЫ
Ситаллы —• это стеклокристаллическое вещество, полу-
ченное специальной термообработкой стекла
Т а б л н п a 8,9
Свойства технических ситаллов
Снталл		Температурный коэффициент линейного рас- ширения при 290—420 К, ю*- К'1	Модуль Юнга, ГПа	Предел прочности, МПа		Коэффи- циент Пуас- сона	1 Температу- ра текучес- ти, К
Тил	М ^рка			при изги- бе	При сжа- тии		
Кордиеритовый	CTMJ	27	130	175	444	0,34	1433
Спод уме новы й	СТЛ-7	12	70	114	790	0,27	1363
Муллитовый	СТБ-1	29	66	105	860	0.27	923
ЛА ул лиговый	СТБ-2	30	66	132	399	0,25	833
Ситаллы имеют сложный химический состав. Наибольшее
применение в промышленности получил так называемый споду-
меновый состав (Li2O —А12О3—SiO2)> который позволяет получать
прозрачные ситаллы для широкого диапазона светового излучения
с очень низким ТКЛР.
Ситаллы на основе силиката лития с добавками MgO находят
применение благодаря высокому коэффициенту термического рас-
ширения (14-10-0 К*1) В их состав входят различные кристалли-
ческие фазы, в том числе Li2MgSiO4. Аналогичные материалы, но
с добавками ZnO, имеют не только высокий ТКЛР, но и высокую
механическую прочность.
Основной кристаллической фазой кордиеритовых ситаллов,
получаемых из MgO, А12Оа и SiO2, является а-кордиерит 2MgO X
> 2Al2O3-5SiO2. Она обладает хорошими электроизоляционными
свойствами, поскольку в ее состав не входят оксиды щелочных
металлов.
Некоторые свойства технических ситаллов приведены
г табл. 8.9.
По сравнению со стеклом ситаллы обладают, как правило,
более высокой прочностью к внешним деформирующим и ударным
нагрузкам. Кроме того, ситаллы отличаются повышенной устой-
чивостью к истиранию.
Температурный коэффициент линейного расширения ситалла
можно регулировать в достаточно широких пределах (от 1 10“в
до 20-10’” К"1), поэтому для сварки подбирают металл с таким же
температурным коэффициентом линейного расширения, что и
у соединяемого ситалла. Это обстоягельство оказывается очень
важным при создании герметичных соединений металлических
деталей с деталями из ситалла. Ситаллы с низким коэффициентом
устойчивы к тепловым ударам.
Ситаллы более термостойки, чем стекла того же химического
состава. Например, многие стекла имеют температуру стеклова-
ния ж 723-9-773 К, а ситаллы того же состава сохраняют свою
механическую прочность и жесткость до более высоких темпе-
ратур ( — 1473 К)
Внешний вид си галлов зависит от присутствующих в них
кристаллических фаз. Они могут быть прозрачными и непрозрач-
ными в зависимости от размеров кристаллов. Из-за нулевой
пористости ситаллы обладают хорошей вакуумной плотно-
стью.
Такие свойства делают этот материал незаменимым в радио-
электронике, в приборе- и .машиностроении и других областях.
Для соединения ситаллов с металлом применяют три способа:
на ситалл наносят слой металла напылением, вжигапием,
и другими способами, а затем к этому слою припаивают или при-
варивают металлическую деталь;
стекло соединяют с металлической деталью диффузионной
или газопламенной сваркой, а затем стекло кристаллизуют, полу-
чая из него ситалл;
ситалл соединяют с металлом диффузионной сваркой.
Наилучшая свариваемость ситаллов проявляется с алюминием
и его сплавами. Ситаллы с высокой температурой текучести
удовлетворительно свариваются с медью и железоникелевыми
сплавами.
§ 4.	ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ СТЕКЛА
И КЕРАМИКИ ПЕРЕД ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКОЙ
Поверхности материалов можно очищать различными
способами, основными из которых являются механическая и хими-
ческая очистка, термическое обезжиривание. Если для металлов
хмеханическая очистка в ряде случаев является эффективным
средством, то для керамики и стекла она исключена или нежела-
тельна, поскольку при механической обработке на их поверхно-
стях остается тонкий трещиноватый слой, который существенно
снижает качество сварного соединения. Поэтому химическая
очистка для стекла и керамики остается практически единственным
способом получения качественной поверхности под сварку. Тер-
мическое обезжиривание обычно применяют в сочетании с хими-
ческой очисткой. Разновидностью химической очистки является
очистка в поле ультразвука, так как в качестве рабочих жидкостей
применяют различные химические вещества и соединения.
Существует множество технологических приемов, позволя-
ющих проводить химическую очистку. Рассмотрим наиболее рас-
пространенные и дадим им оценку с точки зрения целесообраз-
ности применения для очистки поверхностей перед диффузионной
сваркой. Очистка в сущности, сводится к трем основным способам:
обезжириванию; удалению механических загрязнений и травле-
нию. Наиболее часто применяют первые два, а к травлению при-
бегают только в случае необходимости изменения структуры по-
верхностного слоя.
Для обезжиривания применяют различные органические рас-
творители, а также растворы солей, щелочей, поверхностно-
185
активных веществ типа ОП-5, 3%-ные раствор” хозяйственного
мыла и т. д
Назначение того или иного способа обработки зависит от
многих факторов: состава жировых пленок, степени загрязнения,
структуры обрабатываемой поверхности и др.
В зависимости от типа керамики ее поверхность может быть
пористой или не иметь пор. Для пористой керамики неприменима
обработка в растворах, удаление которых из пор невозможно
или связано с большими технологическими трудностями. В этом
случае чаще всего прибегают к термическому обезжириванию.
Для непористой керамики возможна обработка почти во всех
растворах. Однако следует учитывать, что при обработке в рас-
творах типа хромовой смеси возможна адсорбция поверхностью
ионов хрома, что нежелательно, так как может повлиять на каче-
ство диффузионного соединения. Поэтому при очистке поверх-
ности керамики от загрязнений нельзя применять первый попав-
шийся способ, а, учитывая совокупность различных факторов, вы-
бирать тот способ, который наиболее рационален в данном случае.
Интенсификация процессов очистки может быть осуществлена
путем применения ультразвуковых колебаний. Для очистки в поле
ультразвука можно применять практически все те же растворы,
что и при обычной обработке. Исключение составляют только
растворители типа ацетона, бензина, бензола, гак как в поле
ультразвука возможно спонтанное возгорание рабочей жидкости
и даже взрыв.
Практика последних лет показала, что наилучшие результаты
при очистке в поле ультразвука дают растворы, содержащие
тринатрийфосфат (Na3PO4) и эмульгаторы типа ОП-7 или OI L 10.
При травлении керамики происходит либо полирование по-
верхности, либо залечивание дефектов на поверхности, либо
матирование поверхности с соответствующим увеличением ее
фактической (определяемой не только геометрическими разме-
рами) площади.
Например, для увеличения механической прочности кварце-
вого стекла и ситалла СО-115М проводят их травление в плавико-
вой кислоте. С увеличением концентрации плавиковой кислоты
выше 5% степень упрочнения ситалла уменьшается, так как
на поверхности образуются плохо смываемые фториды.
§ 5.	МЕТАЛЛЫ ДЛЯ МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ
И МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Со стеклами и керамикой диффузионной сваркой соеди-
няют сравнительно небольшое число металлов и сплавов Это
объясняется тем. что кроме эксплуатационных характеристик,
относящихся к металлической арматуре, например коррозионной
стойкости, механической прочности, вакуумной плотности, тре-
буется получить высоконадежное металлостеклянное или металло-
186
керамическое соединение и сохранить электроизоляционные, опти-
ческие, пьезоэлектрические или ферромагнитные свойства кера-
мического изделия, входящего в состав узла Надежность соеди-
нений во многом определяется согласованностью температурных
коэффициентов линейного расширения соединяемых деталей.
Основные требования, предъявляемые к конструкционным
металлам для металлостеклянных (Л\СУ) и металлокерамических
(МКУ) узлов, следующие.
1.	Коэффициент линейного термического расширения метал-
лов и сплавов должен хорошо совладать в широком диапазоне
температур с коэффициентом линейного термического расширения
керамических или стеклянных материалов. Высокая термическая
и механическая надежность соединений достигается в гам случае,
если рассогласование коэффициента линейного термического рас-
ширения свариваемых деталей в интервале температур от нор-
мальной до температуры сварки не превышает 10% Следует иметь
в виду, что значение коэффициента линейного термического
расширения для одних и тех же материалов существенно зависит
от целого ряда факторов: колебаний химического состава, профиля
материала, степени деформации, условий измерения, точности
аппаратуры и др.
2.	Металлические детали, а также различного рода прокладки
должны обладать малым пределом текучести, низким модулем
упругости и высокими значениями относительного удлинения
Это позволит в результате пластической деформации металличе
ской детали уменьшить уровень остаточных напряжений, возни-
кающих в зоне соединения при охлаждении деталей после сварки.
Такие конструкционные металлы, как медь, никель, алюминий,
несмотря на большие значения коэффициента линейного термиче-
ского расширения, с успехом применяются в металлокерамиче-
ских конструкциях. При выборе металлов необходимо учитывать
общее правило: чем меньше примесей, тем выше пластические
свойства, т. е. ниже уровень остаточных напряжений
3.	Металлы должны обладать хорошими вакуумными csoi
ствами: быть газонепроницаемыми при минимальных толщинах,
хара ктеризоваться малым газе выделением, низкой с коростью
испарения, а их пары обладать низкой упругостью.
4.	Металлы должны быть технологичными в процессе изы
товления узла и стойкими в процессе эксплуатации, т. е. должны
поддаваться различным видам механической обработки, •
свариваться и паяться, не теряя первоначальных свойств.
Анализ требований, предъявляемых к конструкционным мате-
риалам. показывает, что в настоящее время отсутствуют металлы,
которые полностью удовлетворяли бы выдвинутым требованиям
Из большого числа металлов и сплавов в отечествен ног пгомы '
ленности для соединения со стеклом и керамики Г н	гшро-ю
используют железо никелевые сплавы, начримг ковар 2Г1Т’Ь
сталь 12Х18НКП, а из чистых метзлдлз не :чль( 1
I я**
Таблица 8.10
Свойства металлов и сплавов, применяемых в МСУ и МКУ
Металл няв внлав	Температура плавлении» К	Коэффипиент линейного тер- мического рас- ширения при 293—473 К, Ю-» К“»	Модуль уп- ругости, ГПа	Временное со- противление, МПа
Алюминий	933	238	66—73	80—110
Медь	1356	165	117—130	160—500
Титан	1943	82	98—117	450—1020
Железо	1804	125	207—217	180—620
Никель	1725	133	180—227	320-1080
Тантал	3269	65	186—190	1400—1800
Платина	2044	91	100—175	140—370
Вольфрам	3683	44	365—400	1800-4150
Молибден	2933	55	280—330	700—1000
Цирконий	2225	60	90— 100	350—1200
Палладий	1825	119	112—130	140—540
Платинит		60—65	—	280—380
46Н	—	77	180—227	320—1080
Ковар	1723	50	—	540
Сталь 12XI8H10T	1698	173	190—200	560—630
алюминий, молибден, вольфрам. Основные свойства металлов,
которые могут быть использованы при разработке МСУ и МКУ,
приведены в табл. 8.10.
Алюминий. Практическое значение алюминия обусловлено,
прежде всего, малой плотностью (2699 кг/м3), высокой пластич-
ностью и хорошей коррозионной стойкостью.
Благодаря высоким пластическим свойствам и высокой хими-
ческой активности алюминий и его сплавы нашли в последние
годы широкое применение при изготовлении МСУ и МКУ как
в качестве конструкционных материалов, так и в качестве мате-
риалов для прокладок, используемых при диффузионной сварке.
Алюминий характеризуется самым большим по сравнению
со всеми металлами, применяемыми для диффузионной сварки
в МСУ и МКУ, температурным коэффициентом линейного рас-
ширения. Однако несмотря на низкий модуль упругости, большой
запас пластичности и низкую температуру сварки (~0,9Тпл)
за счет релаксационных процессов в нем удается получать низкий
уровень остаточных напряжений. Благодаря этим свойствам
надежность МСУ и МКУ достаточно высока при термоциклиро-
вании как в сторону высоких, так и в сторону низких температур.
Алюминий сохраняет высокие пластические свойства вплоть
до криогенных температур, поэтому он является перспективным
материалом для узлов, работающих в сложных эксплуатационных
условиях.
Одно из существенных практических свойств алюминия —
его способность образовывать на своей поверхности плотно при-
188
летающую оксидную пленку А12О3. Она защищает его от коррозии
при низких и высоких температурах, является препятствием при
взаимодействии со стеклом и керамикой во время диффузионной
сварки, поэтому перед сваркой алюминиевые детали подвергают
химической обработке в целях удаления оксидной пленки. Но
при контакте с кислородом она возникает вновь практически
в тот же момент, но ее толщина существенно меньше, чем была
первоначально. Поэтому химическую обработку алюминиевых
деталей необходимо проводить не более чем за сутки перед свар-
кой, иначе эффект от обработки существенно снижается .
Алюминий активно поглощает водород при нагреве, поэтому
сварку МСУ и МКУ осуществляют в вакууме с высокой степенью
разрежения (1,33-10~2—1,33* 10“3 Па). В этом случае получают
более высокие результаты, если удается провести катодную
очистку алюминиевых деталей перед сваркой.
По электронному строению алюминий относится к р-элемен-
там, что во многом предопределяет характер взаимодействия
с соединениями, входящими в состав стекла и керамики. В резуль-
тате высокой химической активности в зоне сварки алюминия
с керамикой или стеклом происходят окислительно-восстанови-
тельные процессы, причем их скорость часто оказывается доста-
точно высокой. Это обстоятельство необходимо учитывать при
разработке технологии сварки.
В последние годы в качестве конструкционных материалов,
а также в качестве материалов для прокладок при сварке нашли
применение алюминиевые сплавы с магнием. Введение магния
повышает химическую активность материала, что обеспечивает
хорошее взаимодействие с химически стойкими керамическими
материалами на основе корунда, сапфира, нитрида алюминия и др.
Учитывая, что алюминиевые сплавы все шире используются
в автомобильной, авиационной, космической и других отраслях
промышленности, расширение обьема их применения будет, по-
видимому, проходить и по пути сочетания в конструкциях сверх-
легких сплавов, обладающих хорошей теплопроводноегью и элек-
трической проводимостью, с жаростойкими, электро- и тепло-
изоляционными материалами. Такой симбиоз взаимно исключа-
ющих свойств может в ряде случаев обеспечить получение каче-
ственно новых технологических и конструкторских решений.
Медь — мягкий, ковкий металл, в отожженном состоянии об-
ладает высокой пластичностью. Химическая активность меди
невелика. Детали из меди при температуре ниже 458 К с сухим
воздухом и кислородом не взаимодействуют. В присутствии влаги
и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленая
пленка основного карбоната (СпОН)2СО3. При нагреве меди на
воздухе идет поверхностное окисление. На внутренних слоях
образуется оксид 1 (Си2О), а на внешних слоях образуется оксид
II (СпО). В зависимости эт толщины оксидов окраска поверхности
приобретает различные оттенки — от ровного до черного
С водородом медь не реагирует, однако при наличии кислорода
в меди, а он присутствует в виде оксида I, происходит химическое
взаимодействие.
Образующийся в результате реакции водяной пар из-за малой
скорости диффузии создает па локальных участках меди большое
давление, под действием которого образуются микроскопические
трещины. В результате медь становится хрупкой и теряет при-
сущую ей вакуумную плотность. Таким образом, количество
содержащегося кислорода в меди является важнейшим критерием
пригодности ее для изготовления деталей электровакуумных
приборов, поэтому для их производства применяют только спе-
циальные марки меди: МОб — бескислородной плавки, МВ —
вакуумной плавки. Содержание кислорода в меди строго регла-
ментировано и не должно превышать 0,001%.
При диффузионной сварке в вакууме можно использовать
медь с повышенным содержанием кислорода. Вакуумный отжиг,
сопровождающий процесс сварки, способствует ее дегазации,
а иногда и улучшает пластические свойства.
Несмотря на большой температурный коэффициент линейного
расширения меди, соединения кераАмики с медью широко рас-
пространены. Их отличает высокая надежность и долговеч-
ность. Низкое значение предела текучести и модуля упругости
меди, а также хорошие вакуумные свойства обеспечивают этому
материалу хорошую перспективу при разработке МСУ и МКУ.
При диффузионной сварке тонкостенных (0,5—0,8 мм) медных
деталей с керамикой при высоких температурах (1000—1329 К)
в результате протекания собирательной рекристаллизации может
произойти существенный рост зерен и межзеренная граница
может служить источником образования микротечи. Этому спо-
собствуют достаточно высокие напряжения, возникающие в зоне
сварки из-за большого различия температурных коэффициентов
линейного расширения меди и керамики Как правило, подобные
течи возникают не сразу, а после проведения термоциклирования,
и результате которого дефектное место может проявить себя более
явно.
Основной причиной возникновения подобных скрытых дефек-
тов в МКУ является высокотемпературный прогрев тонкой медной
детали, находящейся в напряженном состоянии. На вероятность
возникновения микротечей влияет марка используемой меди,
содержание примесей в исходном металле, конструкция МКУ
(геометрические размеры), температура и длительность сварки
защитная среда (вакуум, водород и т. д.).
Последствия роста зерна иногда усугубляются конструктивным
оформлением металлокерамического соединения. В общем случае
любые меры, препятствующее росту зерна и уменьшающие на-
пряжения в металлической арматуре вблизи зоны соединения,
благоприятно сказываются на вакуумьтй надежности ме^алло-
кщ.-амчческйй оболочки
Повторная сварка, связанная с исправлением дефектов или
предусмотренная технологическим процессом, крайне нежела-
тельна, поскольку повторный нагрев может привс'сти к смене
знака напряжений в зоне соединения и вызвать появление новых
микротечей. Наилучшим образом переносят повторный нагрев
соединения, выполненные в виде предварительно напряженной
охватывающей конструкции, когда металл охватывав!' керамиче-
скую (стеклянную) деталь, а его температурный коэффициент
линейного расширения больше, чем керамической (стеклянной)
детали.
Медные сплавы об падают хорошими механическими, техноло-
гическими и антифрикционными свойствами. Их отличительной
особенностью является высокая пластичность. Из сплавов меди
наиболее часто применяют медно-никелевые (константан). Латуни
из-за высокой летучести цинка практически не применяются,
а из бронз наиболее часто используют бериллиевую бронзу,
содержащую около 2% бериллия. Необходимо учитывать, что
бронзы обладают высокой упругостью и малой пластичностью,
что накладывает определенные требования на конструкции
узлов.
Титан. Этот материал обладает высокими механическими свой-
ствами, которые мало изменяются во всем температурном интер-
вале эксплуатации МКУ, но сильно зависят от чистоты металла
и предшествующей механической и термической обработки. Чи-
стый титан, который наиболее пригоден для соединения с кера-
микой, получают иодидным, магнийтермическим и электролити-
ческим методами.
У иодидного титана высокой чистоты, отожженного в вакууме
при 1073 К. временное сопротивление составляет 250- -270 МПа,
предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—
70%, модуль упругости 98,5—109,0 ГПа, твердость по Бринеллю
730 МПа. У титана, плавленного в дуговой печи, а затем отож
женного, эти характеристики соответственно равны 300—550
и 410—480 МПа; 25—45%;	112,0—145,0 ГПа и 900—
1500 МПа.
Холодное деформирование заметно упрочняет титан. Так,
временное сопротивление иодидного титана, отожженного в ва-
кууме при 1073 К после 50%-кого обжатия, возрастает до
700 МПа, относительное сужение снижается до 11%. Поэтому
арматуру металлокерамических узлов перед сваркой нужно от-
жигать в вакууме при 1073—1273 К в течение 30—40 мин.
На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При
нагреве до 873 К идет постепенное образование нитрида.
Титан интенсивно поглотает водород, образуя гидрид. При
нагреве титана в атмосфере чистого водорода до 773 К раствори-
мость водорода составляет около 350 см3/г титана, поэтому сварку
МКУ с арматурой из титана следует осуществлять либо в вакууме
не хуже 1,33• 10“4 Па, либо в среде аргона, не содержащего кис-
191
лоро да и паров воды (кислорода не более 0,0001% по объему,
точка росы не выше 343 К)-
Если в титане содержатся высоколетучие компоненты, на-
пример алюминий, то в процессе сварки на керамической детали
может образоваться тонкая проводящая пленка, что приведет
к ухудшению электроизоляционных свойств керамических узлов.
После сварки такой налет следует удалять.
Особенностью титана является способность образовывать
е большей частью металлов эвтектические соединения при сравни-
тельно низких температурах. Так, с медью эвтектика образуется
при 1143 К, с серебром — при 1128 К, с никелем — при 1228 К,
с железом — при 1358 К. С молибденом титан не взаимодействует,
поэтому сварку узлов с титановой арматурой, как правило, осу-
ществляют с использованием оснастки из молибдена.
Железо. Чистое железо весьма пластичный металл, легко
обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях.
Свойства железа сильно зависят от его чистоты. Временное сопро-
тивление и предел текучести железа исключительно высокой
чистоты, полученного многократной зонной плавкой, соответ-
ственно равны 50 и 25 МПа.
В химическом отношении железо является металлом средней
активности. В сухом воздухе при нагреве до 473 К на поверх-
ности железа образуется тонкая защитная оксидная пленка,
предохраняющая его от дальнейшего окисления. Во влажном
воздухе железо окисляется при нормальной температуре и покры-
вается слоем рыхлой ржавчины, состоящей из гидрооксида
Fe(OH)3.
Несмотря на то, что объем выпуска железа и его сплавов
составляет ~95% общего объема выпуска металлических кон-
струкционных материалов, его использование в качестве мате-
риала арматуры для соединения с керамикой неоправданно долго
сдерживалось. Железо и его сплавы по ряду своих свойств яв-
ляются приемлемыми материалами для соединения с керамикой
и стеклами многих марок.
С точки зрения применения железа в соединениях с керамикой
и в прогреваемых вакуумно-плотных МКУ особенно вреден
углерод. При взаимодействии железа с углеродом образуются
твердые растворы внедрения — феррит и аустенит. Временное
сопротивление и предел текучести стали с увеличением содержа-
ния углерода быстро возрастают. При прочих равных условиях
при выборе материала для соединения с керамикой предпочтение
следует отдавать стали 10864, затем стали СтЗ.
Арматуру из низкоуглеродистых сталей можно использовать
для соединения форстеритовых и клиноэнстатитовых (стеатитовых)
керамических материалов. Учитывая низкую механическую проч-
ность данных керамических материалов, для получения вакуумно-
плотных МКУ применяют железо, не содержащее углерод, на-
пример армко-железо. Это позволяет реализовать высокие пла-
192
Таблица ВЛ 1
Свойства железок икелг вых сплавов
Марка сплава	Плотность» кг/м*	Предел теку- чести	Временное соирот ивле- нне	Модуль упругости. ГПа	Коэффициент линей- ного термического расширения при 300—Б00 К, 10“ 7 К'-1
		Л	Ш»		
29НК	8300	352	510	148	48—52
42Н	8100	194	700	148	51
4бН	8200	284	730	142	47
47НД	8200	200 i		150	99
Примечание. Температура плавления всех сплавов 1723 К
стические свойства железа и получить надежные металлокерами-
ческие соединения.
Применение армко-железа в вакуумно-плотных МКУ пред-
почтительнее и с точки зрения сохранения б процессе эксплуата
ции достигнутого разрежения в сварочном объеме. Это объяс-
няется тем, что при эксплуатации узлов из сталей, содержащих
углерод, при температуре выше 673 К начинает выделяться оксид
углерода. Этот процесс продолжается довольно длительное время.
Значительного улучшения комплекса физико-механических
свойств низкоуглеродистых и слаболегированных сталей в целях
их использования в МКУ можно достичь предварительным обез-
углероживанием в процессе отжига в соответствующей атмосфере.
Обезуглероживающий отжиг металлической арматуры МКУ
не вызывает каких-либо технологических осложнений из-за того.,
что нужно повышать пластические свойства материала в основном
тонких (0,1—1,0 мм) элементов арматуры, непосредственно со-
прягаемых с керамическими деталями. Термовакуумная обра-
ботка при 1273—1373 К и обработка в водородной или азотно-
водородной смеси положительно влияют на обезуглероживание
низколегированных сталей, особенно ее поверхностных слоев
Железо является основным компонентом большого числа
сплавов, нашедших широкое применение для соединения с кера-
мическими и стеклянными деталями. В первую очередь к ним
относятся железоникелевые и железоникеяькобальговые преци-
зионные сплавы с заданными значениями температурного коэффи-
циента линейного расширения (табл. 8.11).
В отечественной промышленности широкое применение для
соединения с электротехническими сгеклами, а также различными
керамическими материалами нашел сплав 29НК и его аналоги.
Реже применяют сплавы 42Н, 46Н и 47НД, хотя по целому ряду
свойств они не только не уступают сплаву 29НК, но и превосходят
их. Это объясняется тем, что к моменту освоения технологии
диффузионной сварки керамических материалов этот сплав уже
7 ” А. Бяч» к
193
широко использовался для получения металлостеклянных кон-
струкций.
Изготовление арматуры из прецизионных сплавов может осу-
ществляться любыми известными методами: прокаткой, штампов-
кой, резанием и т. п. Учитывая, что толщина металлической арма-
туры в большинстве случаев не превышает 1,5 мм, наиболее целе-
сообразной является объемная штамповка в холодном состоянии
с промежуточным отжигом. Необходимо учитывать, что сплав
29НК склонен к межкристаллитной коррозии. Особенно зга
склонность проявляется в контакте с жидкой фазой, например
с расплавленными припоями. Очень интенсивно по границам
зерен диффундирует серебро. В ряде случаев для предотвращения
проникания серебра используют барьерные покрытия из меди
или никеля, которые оплавляют или спекают после нанесения
на поверхность детали.
Из коррозионно-стойких сталей в МКУ используются в основ-
ном хромоникелевые стали марок 12Х18Н10Т,	12Х18Н9
и 12Х18Н9Т. Однако из-за высоких значений температурных
коэффициентов линейного расширения их сравнительно редко
используют для непосредственного соединения с керамикой, а тем
более со стеклами. Исключение составляют охватывающие и тор-
цовые соединения деталей диаметром 20—50 мм с компенсаторами.
Коррозионно-стойкие стали применяются в сочетании с желе-
зоникелевыми сплавами в довольно сложных конструкциях.
Никель, ниобий, тантал, платина- Анализ свойств этих мате-
риалов показывает, что они наиболее полно отвечают основным
требованиям, предъявляемым к металлам, предназначенным для
использования в МКУ, и, в меньшей степени, требованиям, предъ-
являемым к металлам для МСУ из-за относительно низкой тем-
пературы размягчения стекла.
Данные металлы имеют высокую температуру плавления,
характеризуются низкой упругостью образующихся паров, пла-
стичны и, что особенно ценно, ниобий, тантал и платина имеют
температурный коэффициент линейного расширения весьма близ-
кий по значению к температурному коэффициенту линейного
расширения корундовых материалов.
Основными факторами, сдерживающими их более широкое
применение в МКУ, являются активное взаимодействие с газами
при повышенных температурах, а также высокая стоимость.
Ниобий и тантал не применяют в узлах, прогреваемых в воз-
душной среде, из-за интенсивного поглощения газов и потери
при этом основных физико-технических свойств. В то же время
никель, ниобий и тантал могут применяться в непрогцеваемых
МКУ, а при эксплуатации в вакууме или инертных газах выдер-
живать предельно допустимые температуры, сохраняя высокие
э ксп л у атационные х а ра ктер исти ки.
Платина и ее сплавы используются достаточно широко при
создании тех МКУ и МСУ, для которых важна химическая устой-
194
чивость к кислороду и соединениям, его содержащим. Благодаря
своему температурному коэффициенту линейного расширения
и высоким пластическим свойствам платина легко соединяется
как со стеклами, так и с керамическими материалами. Только
дороговизна и ограниченность ресурсов не позволяют широко
ее использовать в ЛАКУ и МСУ. Однако при повышенных требова-
ниях к надежности этих узлов ее использование становится
оправданным, например в имплантируемых в организм стимуля-
торах сердечной деятельности.
Вольфрам. Этот металл отличается от других тугоплавких
металлов большой плотностью (19 200 кг/м8) и самой высокой
температурой плавления (—3668 К). Окисление вольфрама с обра-
зованием WO8 начинается при температуре 673 К. С водородом
не взаимодействует, а с азотом взаимодействует при температуре
выше 1773 К-
Использование вольфрама в МКУ и МСУ определяется только
одним свойством — самым низким по сравнению со всеми метал-
лами температурным коэффициентом линейного расширения. Эго
позволяет с успехом использовать его для внутренних спаев
с диэлектриками.
Легирование вольфрама рением, молибденом и хромом ока-
зывает существенное влияние на температуру его рекристаллиза-
ции и прочность после отжига. Присадка рения улучшает пласти-
ческие свойства и повышает свариваемость.
Молибден. По твердости, временному сопротивлению и модулю
упругости молибден относится к металлам с высокими механиче-
скими свойствами. После термообработки молибден сравнительно
легко деформируется, относительное удлинение его становится
близким к относительному удлинению обычных мягких металлов
(20—25%). При длительных выдержках может произойти укруп-
нение зерна и молибден станет хрупким и потеряет способность
деформироваться. Свои высокие механические свойства молибден
сохраняет и при высоких температурах. В рекристаллизованном
состоянии его свойства близки к свойствам пластичных метал-
лов»
Температурный коэффициент линейного расширения молиб-
дена позволяет выполнять согласованные соединения с тугоплав-
кими стеклами различных марок, а также получать соединения
со многими марками корундовой керамики.
При нормальной температуре он не окисляется, заметное окис-
ление молибдена происходит при температуре около 673 К» при
температуре 873—923 К появляется легколетучий оксид МоО8
желтовато-зеленого цвета. Во влажной атмосфере окисление
молибдена проявляется при более низких температурах (423—
573 К).
Оксиды молибдена в водороде легко восстанавливаются. С во-
дородом молибден не образует соединений, с азотом взаимодей-
ствует при высоких температурах (выше 2673 К)
7*
195
Молибден используют при изготовлении нагревательных эле-
ментов для вакуумных и водородных печей, тепловых экранов
для различных устройств.
§ 6. ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ
К ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ С НЕМЕТАЛЛАМИ
Большая часть стекол и керамик, выпускаемых про-
мышленностью, синтезирована на основе различных сочетаний
кислородных соединений элементов таблипы Д. И. Менделеева.
Эти материалы могут находиться в аморфном, кристаллическом
и смешанном состоянии. Объединяет их ионное строение, которое
отличается от строения кристаллической решетки. Для обеспе-
чения надежной связи ионной структуры стекла или керамики
с металлической решеткой необходимо создать переходный слой.
Как было показано выше, одна группа металлов взаимодействует со
стеклом и керамикой через оксиды, создаваемые на поверхноши
металла, а другая в результате реакции замещения металлами
элементов в оксидах керамики и стекла с образованием в зоне
сварки твердых растворов.
В первом случае на поверхности металла преднамеренно соз-
дается тонкий слой оксида, как правило, низшей валентности,
во втором — металл тщательно очищают от оксидных пленок,
а в процессе сварки защищают от окисления. Это положение
и определяет подход в подготовке поверхности металлов под
сварку.
Таким образом, металлы, относящиеся по электронному стро-
ению к ^-элементам (переходные металлы и медь), взаимодей-
ствуют со стеклом и керамикой через оксиды низшей валентности,
а металлы,, относящиеся к s- и p-элементам (литий, бериллий,
магний и алюминий), взаимодействуют с оксидами стекла и кера-
мики по реакции замещения, поэтому перед сваркой оксиды с их
поверхности удаляют, а процесс сварки осуществляют при высо-
ком вакууме.
Для сварки кварцевого стекла и керамики широко исполь-
зуют медные прокладки.
На поверхности медной прокладки перед сваркой со стеклом
и керамикой необходимо создать оксид низшей валентности (Си2О),
который обладает хорошим сцеплением с основой и имеет низкий
температурный коэффициент линейного расширения, близкий
к температурному коэффициенту линейного расширения кварце-
вого стекла.
Окисление медных прокладок осуществляют при нагреве
в вакуумной камере с последующим напуском воздуха при задан-
ной температуре, а именно нагрев до 1223 К, выдержка в течение
3 мин, охлаждение, во время которого напускают воздух. После
напуска воздуха, температура которого не превышает 573 К»
медь имеет поверхность розового цвета. С увеличением темпера-
туры до 673 К она приобретает малиновый оттенок» в интервале
673—723 К появляются фиолетовые топа, и при температуре
873—1023 К поверхность становится черной, на ней появляются
рыхлые, легкоотслаивающиеся слои. Прокладки, окисленные при
температуре 573—673 К» имеют тонкую и очень прочную оксид-
ную пленку, которую невозможно отделить от основного металла.
Электронно-микроскопические исследования фрактографии по-
верхности окисленной меди подтверждают, что наиболее мелко-
зернистая и плотная структура оксидов наблюдается на образцах,
окисленных при температуре 573—673 К
Внешний осмотр прокладок, прошедших предварительное окис-
ление и имитацию сварки, показал, что поверхность, находя-
щаяся в зажатом состоянии, не изменила внешнего вида и окислен-
ные слои визуально остались почти неизменными. В тех местах,
где поверхность не была прижат пуансоном, а имела контакт
непосредственно с вакуумированным пространством камеры, про-
изошла сублимация оксидов и медь снова приобрела розовый цвет.
Возгонка (сублимация) оксидных пленок в вакууме возможна
при условии, когда давление насыщенного пара оксида превы-
шает парциальное давление паров того же оксида в газовой фазе.
При диффузионной сварке возможна возгонка оксидов многих
металлов, например молибдена, хрома, в меньшей степени никеля,
читана.
Состояние оксидов на поверхности меди зависит от темпера-
туры воздуха в сварочной камере и степени разрежения. Так,
с увеличением разрежения в сварочной камере происходит энер-
гичная диссоциация оксидов и сублимация их с поверхности
меди, что влечет за собой обеднение кислородом зоны соединения.
Именно этот процесс и может явиться причиной снижения проч-
ности сварного соединения» поэтому оптимальным разрежением
при сварке меди с керамикой является ваю/ум 1,3-К)"1—
110-3Па.
Обработка ковара перед диффузионной сваркой заключается
в обезжиривании, травлении и последующем окислении. После
химической обработки детали из ковара подвергают специальному
окислению, поскольку механическая прочность соединения и его
вакуумная плотность существенным образом зависят от структуры
и состава оксидных слоев на поверхности.
Оксидная пленка обычно образуется неравномерно, в боль-
шинстве случаев окисление является структурно чувствительным
процессом, т. е. сначала идет по границам зерен, а уже петом
по их телам. Скорость окисления существенно зависит от размеров
зерен. Чем больше размер зерен, тем медленнее идет процесс
окисления, т. е. чем более развиты границы, а они являются
наиболее активными в процессе окисления, тем образуется боль-
шее количество оксидов. При изучении характера окисления ко-
вара установлено, что границы кристаллических зерен окисляются
более легко, чем их грани. В первый период окисления оксиды
197
Рис. 8.3 Фрактография поверх-
ности ковара после химического
правления (а), окисления при
1223 К в течение 5 мин на воз-
духе (б) и окисления в каме-
ре при 1023 К после напус-
ка воздуха (#),Х6000
появляются только на границах зерен, а потом пленкой оксида
покрываю гея грани зерен.
Различными методами химической обработки можно достаточно I
полно удалять оксидные слои с металлов, однако отдельные за-
родышевые образования оксидов все же остаются.
Если процесс окисления, например, ковара осуществляется
при температурах выше 1123 К и продолжается более 5 мин, то
на его поверхности образуется оксидный слой с пластинчатой
структурой На рис. 8.3 показана поверхность оксидных слоев,
выраженных при температурах 1223 К в течение 5 мин В случае
окисления при температуре 1023 К путем мгновенного напуска
воздуха в вакуумную камеру образуется тонкая оксидная пленка,
структура которой не выявляется с помощью электронного микро-
скопа. Ее строение является настолько мелкокристаллическим,
что на фотографии неразличимы отдельные зерна. Наблюдаемые
отдельные крупные кристаллы являются оксидными образова- ।
пнями, не уда ленными при химической обработке поверхности
JQS
Для лучшей адгезии оксидов следует избегать избыточного
полирования поверхности под сварку. Поверхность деталей
должна иметь серый цвет, металлический блеск должен отсут-
ствовать. После выполнения соединения цвет зависит от сорта
сгекла и толщины оксида и встречаются цвета от светло-серого
до коричневато-серого. Появление металлического блеска указы-
ваег на неудовлетворительное окисление, а чрезмерное потемне-
ние — на избыточное окисление металлической поверхности. Хо-
рошие результаты дает отжиг ковара в атмосфере влажного водо-
рода, когда одновременно с поверхности металла удаляется
углерод, который оказывает вредное влияние на качество соеди-
нения. Опыт показывает, что выдержка в течение 15—30 мин при
температуре 1200—1300 К обеспечивает выполнение этих условий.
Высокие результаты дает вакуумный отжиг ковара, который
может быть совмешен с процессом образования оксидных пленок
на поверхности сплава путем напуска воздуха в вакуумную
камеру в процессе охлаждения при температуре 1023 К.
Таким образом, при соединении стекла со сплавами окисление
последних также необходимо, как и чистых металлов, если вза-
имодействие со стеклом и керамикой осуществляется по реакции
присоединения, т. е, через кисчородные соединения металлов.
ГЛАВА 9. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ
МЕТАЛ Л ОСТЕ К Л Я Н Н Ы X
И МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Керамика, стекло, полупроводники и другие неметал-
лические материалы широко применяются во многих отраслях
современной науки и техники. Наряду с получением новых не-
металлических материалов со специальными свойствами часто
возникает проблема создания неразъемных соединений их с ме-
таллами. В электронной, авиационной, приборостроительной,
космической, электротехнической и других отраслях решаются
многочисленные проблемы, связанные с разработкой и изготовле-
нием различных металлокерамических (МКУ) и металлостеклян-
ных (МСУ) узлов для достижения самых разнообразных целей
и задач (рис. 9.1).
В первую очередь решается вопрос защиты термостойкими
и теплостойкими неметаллическими материалами металлических
узлов и деталей, подвергаемых тепловым, механическим и другим
видам воздействий, кроме того, создание приборов и устройств
нового поколения требует от узлов и деталей сочетания специ-
фических свойств, присущих неметаллическим и металлическим
материалам.
С помощью диффузионной сварки получают многослойные
материалы керамика — металл, стекло — металл и др.
199
Рис. 9. i. Металлокерамические (а) и металлостеклянные (6) узлы
Сложность получения качественных соединений металлов со
стеклом и керамикой объясняется различной химической и физи-
ческой природой соединяемых материалов. Высокая химическая
активность многих металлических и неметаллических материалов
приводит к образованию в зоне контакта новых фаз, часто резко
отличающихся по составу и структуре от исходных материалов,
что неблагоприятно сказывается на прочности соединения.
Одной из основных проблем при разработке МКУ и МСУ
является учет различия теплофизических свойств соединяемых
композиций и главным образом различий температурных коэф-
фициентов линейного расширения металлов и неметаллов. Эти
различия приводят к возникновению значительных по величине
механических напряжений, ослабляющих прочность, надежность
и термостойкость узлов.
Одним из эффективных способов повышения надежности соеди-
нений является использование металлических деталей, которые
мало отличаются от коэффициентов линейного термического рас-
ширения соединяемых керамических или стеклянных деталей.
Часто при сварке используют различные прокладки, назначение
которых — уменьшение градиента изменения свойств от кера-
мики к металлу. Эти прокладки могут состоять из одного, двух
и более слоев, каждый из которых выполняет определенную
функцию. Их используют не только для выравнивания разницы
коэффициентов линейного термического расширения элементов
сварной конструкции, но и для предотвращения роста новых фаз,
уменьшения развития пористости в зоне контакта, а также для
понижения температуры сварки в результате интенсификации
процесса образования диффузионного соединения.
Таким образом, работоспособность и надежность МКУ и МСУ,
а также экономические затраты будут в существенной мере опре-
деляться их конструкцией и технологичностью.
§ Е	КОНСТРУКЦИИ МКУ И МСУ
Конструкция МКУ и МСУ во многом предопределяет
надежность и работоспособность изделия при его эксплуатации
200
При выборе конструкции необходимо учитывать различие физи-
ческих свойств материалов, соединенных в единый неразъемный
комплекс и их взаимную реакцию на изменение внешних условий
в процессе эксплуатации. Одной из главных причин, снижающей
надежность, долговечность, термостойкость и прочность сварных
узлов, является различие теплофизических свойств керамики.,
стекла и металлов (большое различие коэффициентов линейного
термического расширения, более низкая теплопроводность не-
металлических материалов по сравнению с металлами, отсутствие
у керамики и стекла пластичности и в связи с этим склонность
к хрупкому разрушению).
Большой опыт изготовления и эксплуатации различных изде
лий из стекла и керамики с металлами, полученных как диффу-
зионной сваркой, так и пайкой, позволил выбрать наиболее раци-
ональные конструктивные формы соединяемых деталей (рис. 9.2)
Наибольшее распространение получили торцовые соединения,
которые характеризуются достаточно высокой механической проч-
ностью и хорошей термостойкостью.
Торцовые соединения без компенсаторов (рис. 9.2. а, в} обла-
дают приемлемыми свойствами в том случае, если коэффициенты
линейного термического расширения металла и керамики (стекла)
достаточно близки во всем температурном интервале (от темпера-
туры сварки до нормальной температуры). Если эта разница
не превышает 10% (чем меньше размер деталей, тем большее раз-
личие коэффициентов линейного термического расширения до-
пускается), то соединение металла с неметаллическим материалом
называют согласованным, если же различие коэффициентов линей-
ного термического расширения существенно, то такие соединения
считаются несогласованными. Согласованные по этим коэффи-
циентам соединения на практике встречаются не часто. Это могут
быть сочетания электротехнических стекол типа С-50 с коваром
и молибденом, а также сочетание некоторых видов керамики
с коваром и титаном.
Основная масса соединений МКУ и МСУ является несогласо-
ванной. Для повышения механической прочности и термостойкости
соединений в конструкции таких узлов предусматривают компен-
сатор (рис. 9.2, б, г), с помощью которого удается компенсировать
возникающие изгибающие напряжения и повышать работоспособ-
ность узла.
Металлическая манжета в этом случае должна иметь малую
толщину, а металл, из которого она изготовлена — низкий модуль
упругости. Использование манжет больших толщин из мало-
пластичных металлов вызывает в зоне сварки рост остаточных
напряжений и при достижении предела прочности керамики на
изгиб может произойти разрушение сварного соединения.
Наиболее часто манжеты изготовляют из алюминия, меди,
сплава 29НК, титана. Первые цва металла — высокопластичны,
обладают хорошей релаксационной способностью’	29НК
ал|
—  *
Рис. 9.2. Основные типы сварных соединений, используемых в МКУ и МСУ
а — торцовое некомпенсированное; б — торцовое компенсированное; в — плоское не-
компенсированное; г — плоское компенсированное; д — охватывающее; е — охватываю-
щее с бандажом; м — охватываемое с манжетой: а — охваты веемое с валом; 1 — манжета;
2 - керамическая деталь; 3 — компенсатор; 4 — бандаж
и титан достаточно хорошо согласуются с некоторьши керамиками
и стеклами по коэффициентам линейного термического расширения
в широком диапазоне температур.
При изготовлении АЖУ компенсатор часто делают из той же
керамики, что и весь узел. Однако допустимо изготовление ком-
пенсатора из металла, близкого по коэффициенту линейного
термического расширения к керамике или стеклу. Термостойкость
таких соединений на 20—30% ниже термостойкости узлов, в кото-
рых компенсаторы изготовлены из однотипной керамики.
При конструировании торцовых соединений следует иметь
в виду, что чем жестче переход ог металлического фланца к кера-
мике или стеклу, тем менее надежен шов, т. е. термические и меха-
нические свойства конструкции находятся в обратно пропор-
циональной зависимости. Здесь большую роль играют толщина
металла в зоне шва, ширина шва, расстояние до массивного эле-
мента, высота компенсатора, размеры наружного или внутреннего
выступа. Из технологических и физических, факторов следует
принимать во внимание коэффициенты линейного термического
расширения, модули упругости, предел текучесги металла, тем-
пературу сварки, скорость охлаждения после сварки, перепады
температур при изготовлении и эксплуатации, а также стабиль-
ность и воспроизводимость технологических режимов.
Цилиндрические соединения бывают двух типов: охватыва-
ющие (рис. 9.2, д, е), в которых металлическая деталь охватывает
керамическую, и внутренние (рис. 9.2, ж, з), когда металлическая
деталь расположена внутри керамической.
„лВыбор соединения того или иного тина определяет напряжен-
тгбе состояние конструкции. При создании охватывающей кон-
202
Рис, 9.3. Многослойные торцовые соединения:
и — манжета типа плойки с отбортовкой внутрь и наружу t/ — керамика. ? — мзяжн'н,
* — прокладки): б — соединение массивного фланца 4 керамикой 1 е помощью мкого-
;лойикх металлических компенсаторов 2 и S
~грукции коэффициент линейного термического расширения ме-
талла должен быть больше коэффициента линейного термического
коэффициента керамики» поэтому в процессе эксплуатации кера-
мика или стекло находятся в сжатом состоянии. Поскольку не-
металлы обладают высокой жесткостью и малой пластичностью,
допустимые напряжения на изгиб и растяжение, по сравнению
с допустимыми напряжениями на сжатие, значительно ниже.
В связи с этим МКУ и МСУ с охватывающими соединениями яв-
ляются более технологичными я более надежными в процессе
эксплуатации» поскольку обладают большим запасом прочности
и хорошо переносят термоциклирование.
Использование в конструкции бандажей {рис. 9.2» е) позволяет
и при высоких температурах сварки создавать необходимое
сжимающее давление. Конструкция узла должна быть рассчитана
таким образом, чтобы при остывании узла остаточные напряжения
не превышали предела прочности на сжатие керамики или стекла.
Охватывающее соединение обладает высокими технологиче-
скими свойствами потому, что в момент сварки при запрессовке
керамики в металлический корпус осуществляется сдвиг поверх-
ностей относительно друг друга, что приводит их к самоочищению
от оксидных пленок. В ряде случаев это позволяет отказаться от
использования защитной атмосферы во время сварки.
Внутренние соединения выполняют значительно реже. Наи-
большее распространение они получили в стекольной технологии
для создания гермовводов. Как правило, это — проволочные
вводы или вводы из трубок малого диаметра. Удачные соединения
возможны лишь при близких значениях коэффициентов линейного
термического расширения материалов в широком диапазоне тем-
ператур.
Дальнейшим совершенствованием торцовых соединений
• вились разработки многослойных прокладок (рис. 9.3). Напри-
203
мер, хорошо зарекомендовала система медь (2) — ковар (3) —
медь (2). Использование многокомпозиционных прокладок поз-
воляет значительно увеличить толщину металлической детали,
служащей конструкционным элементом узла.
§ 2.	ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА СТЕКЛА С МЕТАЛЛАМИ
Определяющим свойством стекла является его спо-
собность постепенно и непрерывно изменять вязкость в опреде-
ленном интервале температур. Динамическая вязкость (внутрен-
нее трение) — свойство жидкостей оказывать сопротивление пере-
мещению одной части жидкости относительно другой. Вязкость
стекла в точке трансформации равна 1012- Па-с. До температуры
трансформации стекло находится в хрупком состоянии, а выше
этой точки переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при
механических ударах, ни при внезапном резком увеличении тем-
пературы. Состояние стекла при температуре размягчения харак-
теризует тугоплавкость данного стекла, его вязкость равна
1()6’6 Па-с.
Изменение температуры стекла в области точки .размягчения
на 100 К приводит к изменению вязкости приблизительно на два
порядка. Знание кривой вязкости стекла определенной марки
имеет большое значение для правильного ведения не только про-
цесса выработки стекла, но и для разработки технологических
режимов соединения стекол друг с другом и металлами. Для
назначения правильного режима сварки особенно важно знать
температуру нижней зоны отжига, точку трансформации стекла,
температуру 15-мияутного отжига и температуру размягчения.
Температуру сварки выбирают выше температуры трансформа-
ции, но незначительно, чтобы не вызвать большую пластическую
деформацию стеклянной детали, и в то же время сжимающую
нагрузку следует передавать в тот момент, когда стекло переходит
из хрупкой области в пластическую. После изотермической вы-
держки целесообразно полностью снять сжимающее давление
и провести дополнительный нагрев до температуры 15-минутного
отжига с целью снятия, остаточных напряжений. Знание темпе-
ратуры размягчения предупреждает об опасности перегрева стекла
и деформации его под собственным весом, а знание температуры
нижней зоны отжига позволяет выбрать такой режим охлаждения
свариваемых деталей, при котором в соединении еще утается
за счет релаксации понизить остаточные напряжения. Этот ин-
тервал охлаждения, в котором происходит снятие остаточных
напряжений в стекле, носит название ответственного охлаждения.
Ниже этой температуры остаточные напряжения в стекле практи-
чески не релаксируют, поскольку вязкость стекла существенно
возрастает.
Сварка кварцевых стекол. Самым тугоплавким стеклом является
плавленый кремнезем (SiO2), извесгяы& под названием кварце-
204
вого сгекла. Температура начала деформации, соответствующая
вязкости 10н'5 Па-с, для кварцевого стекла марки КУ составляет
1433 К, поэтому температуру сварки следует выбирать на 50—
70 К ниже во избежание больших пластических деформаций
стекла.
Нагрев в вакууме до высоких температур может вызвать в ряде
случаев изменение прозрачности в поверхностных слоях мате-
риала. Так, нагрев до 1393 К и изотермическая выдержка в тече-
ние 20 мин вызывает частичную потерю прозрачности, на полиро-
ванной поверхности появляются следы чешуйчатого шелушения.
Исследование образцов из кварцевого стекла, нагретых до
более низких температур (1343—1353 К)» показали, что кристал-
лизация кварцевого стекла при выдержке в течение 30—40 мин
не наблюдалась. Однако это не означает, что в данном интервале
вообще невозможна кристаллизация кварцевого стекла. Так,
эксперимент по нагреву кварцевого стекла до температуры 1323 К
и выдержке в течение 20 мин в графитовом приспособлении, не
прошедшем предварительного вакуумного отжига после механи-
ческой обработки, показал, что образующийся слой а-кристо-
балита на поверхности кварцевого стекла достигает толщины
~0,1 мм.
Эксперименты по нагреву кварцевого стекла в графитовой
оснастке, отожженной в вакууме при температуре и выдержанной
при 1273 К в течение 30 мин (разрежение 6,65-10'2 Па), показали,
что кристаллизация начинается уже при температуре 1373 К.
Основываясь на проведенных экспериментах, температуру сварки
следует выбирать из условий, исключающих кристаллизацию
кварцевого стекла.
Охлаждение стеклянных изделий после сварки до нормальной
температуры часто приводит к возникновению значительных
остаточных напряжений. Если бы диффузионную сварку прово-
дили без микропластической деформации в упругой области, то
напряжения, возникшие при охлаждении деталей, исчезли бы
при выоавнивании температуры по всему объему. При быстром
охлаждении поверхностные слои стекла раньше переходят из
пластичной области в упругую (хрупкую) и поэтому препятствуют
внутренним слоям занять равновесное состояние, что и является
причиной возникновения остаточных напряжений.
Сварка кварцевого стекла с металлами. Применение сварных
соединений из кварцевого стекла с алюминием для оптических
элементов является весьма перспективным, однако соединение их
диффузионной сваркой имеет ряд особенностей, которые следует
учитывать при разработке конструкции соединения. Алюминий,
как уже отмечалось, имеет больший температурный коэффициент
линейного расширения по сравнению с кварцевым стеклом, по-
этому в зоне соединения всегда возникают такие напряжения,
которые существенным образом зависят не только от толщины
материала прокладки, но и от параметров сварки, т. е. от полноты
205
протекания реакции восстановления кремнезема. Поэтому проч-
ность соединения кварцевого стекла с алюминием чувствительна
к изменению технологических параметров сварки, среди которых
следует отметить такие, как давление сжатия, температура
сварки, продолжительность воздействия высокой температуры,
а также состояние поверхности кварцевого стекла. Гак, оптималь-
ный режим сварки для полированного кварцевого стекла не гаран-
тирует высокого качества сварного соединения алюминия со
шлифованным кварцевым стеклом и тем более с пористым, так
называемым керамическим стеклом.
Сварка высококачественного кварцевого стекла с низкокаче-
ственным непрозрачным или керамическим кварцевым имеет свои
особенности. Керамическое и непрозрачное кварцевое стекла
имеют развитую пористость, достигающую 15%. Данное обсто-
ятельство приводит к тому, что при обработке поверхности кера-
мического кварца происходит вскрытие пор, попадающих в пло-
скости обработки, поэтому фактическая площадь контакта имеет
меньшее значение, чем площадь контакта беспористого кварце-
вого стекла. В связи с этим и давление сжатия будет фактически
завышенным. В результате при одном и том же усилии сжатия
в контакте свариваемых деталей возникает завышенное по отно-
шению к расчетному усилие сжатия. Это обстоятельство приводит
к повышению реакционной способности низкокачественного
кварцевого стекла. Кроме того, дефектная зона керамического
кварцевого стекла после механической обработки развита значи-
тельно больше, чем у высококачественных кварцевых стекол.
Повышенная реакционная способность керамического кварца
требует корректирования режимов сварки в сторону уменьшения
таких параметров, как давление, время и температура. Без учета
этой особенности получить хорошее соединение низкосортных
кварцевых стекол невозможно. Активность керамических кварце-
вых стекол в контакте с алюминием очень чувствительна к не-
равномерному нагреву зоны соединения. Эта чувствительность
особенно проявляется при увеличении площади соединения, т. е.
когда трудно обеспечить малый градиент температуры между внеш-
ним и внутренним слоями свариваемых деталей. Из-за малой
теплопроводности плавленого кварца добиться быстрого равно-
мерного нагрева и такого же равномерного охлаждения соединя-
емых деталей представляет определенные технические трудности.
Поэтому при сварке изделий, особенно несимметричных, необхо-
димо тщательным образом предусматривать их равномерные
нагрев и охлаждение.
Результаты прочностных испытаний сварных соединений с раз-
лично подготовленными поверхностями представлены на рис. 9.4.
Образцы с полированной поверхностью имели более высокие
свойства по сравнению с образцами, имеющими шлифованную
поверхность. По-видимому, это связано g наличием более разви-
того дефектного поверхностного, так называемого трещиноватого
206
Рис, 9Л. Влияние вида обработки поверхности
кварцевого стекла и времени сварки на проч-
ность соединения о:
/ — полирование и травление в HF; 2 — полирование;
Л — шлифование
слоя. Также было установлено, что со-
единение кварцевого стекла через тон-
кую прокладку (6=-10 мкм) более проч-
но, чем соединение, полученное через
фольгу толщиной 150 мкм. Данное обс-
тоятельство можно объяснить с пози-
ции остаточных напряжений, вызывае-
мых различием в коэффициентах ли-
нейного термического расширения сое-
диняемых материалов.
Обращает на себя внимание тот
>
факт, что кривые изменения проч-
ностных свойств соединений имеют ярко выраженные макси-
мумы. Причем для сварных соединений, имеющих шлифованную
поверхность, этот максимум смещен в сторону меньшего значения
изотермической выдержки. Последнее обстоятельство может быть
объяснено с позиции образования большего числа неравновесных
дефектов на шлифованной поверхности кварцевого стекла по
сравнению с полированной, а значит, и большего числа активных
центров, на которых происходит взаимодействие алюминия с крем-
неземом. Наличие же максимума на кривых изменения свойств
сварных соединений свидетельствует о связи прочности соедине-
ния с кинетикой протекания реакции замещения. Более чувстви-
тельным к данным процессам являются образцы со шлифованной
поверхностью, а также образцы, сваренные через алюминиевую
фольгу меньшей толщиной.
Высокая стабильность качества сварных соединений при полу-
чении оптических элементов была достигнута при толщине алюми-
ниевой прокладки, равной 0,02 мм. Получение сварных соедине-
ний через прокладки меньшей толщины также возможно, но
при этом существенно возрастают требования к подготовке по-
верхности кварцевого стекла (по шероховатости и отклонению
от плоскостности). Увеличение толщины прокладки приводит
к росту остаточных напряжений в зоне соединения и искажению
оптического свойства поверхности. Толщина алюминия в зоне
соединения не должна превышать 0,5 мм. Дальнейшее увеличение
толщины металла в зоне сварки существенно снижает работо-
способность сварных элементов из-за чрезмерного увеличения
в зоне соединения остаточных напряжений. Так, при толщине
алюминиевой детали более 0,8 мм получить работоспособные
соединения не удается из-за того, что при охлаждении соединения
металл вызывает разрушение кварцевого стекла Толщину метал-
лической детали следует выбирать g учетом назначения свар-
кого узла и обеспечения его максимальной работоспособно-
сти.
Соединение кварцевого стекла через медную прокладку диф
фузконной сваркой может быть получено только при наличии
на поверхности металла тонкого слоя его низшего оксида, облада-
ющего хорошим сцеплением с поверхностью металла. В данном
случае наиболее прочное сцепление имеет СшО. В процессе соеди-
нения образуется переходный слой атомов Сегалла. содержащий
наряду с металлическими ионно-ковалентные связи и атомы
кислорода, частично связанные со структурой стекла.
Хорошие результаты сварки обеспечивает предварительная
металлизация кварцевого стекла путем вакуумного напыления
меди с последующим окислением напыленного слоя до закиси,
Хотя такая технология и позволяет с высокой точностью контро-
лировать толщину слоя оксида, однако следует изменить схему
технологической подготовки меди для соединения с металлизиро-
ванным кварцем. В этом случае ле требуется окислять поверхность
медной детали. Общие связи между металлом и стеклом возникают
даже в процессе напыления меди, однако высокотемпературное
окисление напыленного слоя увеличивает их прочность. Диффу-
зионная сварка сводится в этом случае к взаимодействию металла
с металлизированным слоем на стекле и одновременным упрочне-
нием сцепления напыленного слоя с кварцевым стеклом. Таким
образом, после напыления взаимодействие между стеклом и оса-
жденным металлом осуществляется сначала за счет сил физиче-
ской адсорбции и только после изотермической выдержки во
время сварки при высокой температуре сцепление напыленных
слоев с кварцевым стеклом увеличивается, т. е. связь начинает
соответствовать хомесорбированному состоянию.
Большое различие коэффициентов линейного термического
расширения меди и кварцевого стекла не позволяет получать свар-
ные соединения без значительных остаточных напряжений. Уве-
личение толщины медной прокладки приводит и к росту остаточ-
ных напряжений, которые снижают работоспособность сварных
соединений. Толщина прокладки, которая может быть рекомендо-
вана для соединения меди с кварцевым стеклом» составляет 0,05—
0,10 мм.
Сварка оптических и электротехнических стекол. При разра-
ботке технологии диффузионной сварки конкретных материалов
оптимальные параметры режима определяют опытным пу-
тем (табл. 9.1). При соединении оптических стекол с металлами
недопустима пластическая деформация стекла. На примере раз-
работки технологии сварки стекла ЛК4 с молибденом можно про-
следить, как решается эта задача.
Анализ условий взаимодействия молибдена со стеклом пока-
зал, что без пластической деформации последнего невозможно
добиться физического контакта, а значит, и надежного соединения»
Между тем стекло ЛК4 хорошо взаимодействует в вакууме под
‘?С*Я
Таблица 9 Л
Рекомендуемые режимы диффузионной сварки некоторых марок стекол
друг с другом и с металлами
Соединяемая пара	Мптервал прокладки	Режим свар к»			
		Темпера- тура. К	Давле- ние, МПа	Время, мин	Степень вакуу- ма, Па
Кварцевое стек-	Алюминий	893	12,0	40	0,0133
ло — кварцевое	Медь	1223	10.0	30	0,133
стекло	Никель	1423	12,0	40	0,133
	Без прокладки	1423	8.0	30	0,0133
Стекло С49-2 —	То же	863	5,0	20	0,133
сплав 29НК					
Стекло ЛК4 —	Алюминий—на-	803	10,0	40	0,0133
молибден	кель				
Стекло ЛК4 —	Алюминий	773	12,0	40	0,013"
стекло ЛК4					
Стекло	К8 —		853	5,0	30	0,0133
стекло К8					
	Тиган	953	4,0	20	0,0133
давлением с алюминием, однако алюминий не образует соедине-
ния с молибденом при низкой температуре, когда стекло еще доста-
точно упруго. Поэтому стекло ЛК4 сваривали с молибденом,
гальванически покрытым никелем, в таком порядке: стекло —*
алюминий — никель — молибден.
Качество сварных соединений оценивали в процессе механи-
ческих испытаний образцов на растяжение, а также при испыта-
ниях на вакуумную плотность с помощью гелиевого течеискателя
типа ПТИ-6. Временное сопротивление разрыву определяли в спе-
циальном приспособлении. На стеклянные детали наклеивали
резьбовые втулки, которые вворачивали в переходники, шар-
нирно связанные с разрывной машиной. Такое приспособление
позволяло устранить возможные перекосы при испытании де-
талей.
При разработке технологии диффузионной сварки стекла ЛК4
было экспериментально установлено, что при температуре 823 К
оно начинает деформироваться под действием сжимающего давле-
ния, превышающего 5 МПа, в то время как при более низкой
температуре, равной 773 К, критическое напряжение сжатия воз-
растает до 14,5 МПа.
Для стекла КЗ область деформации под нагрузкой смещена
в сторону более высоких температур и находится между 853
и 893 К* Поэтому для определения температуры сварки одного
стекла с другим или металлом необходимо знать температуру
начала пластической деформации под действием сжимающей
нагрузки. При этом давление сжатия должно обеспечивать про-
текание необходимой микропластической деформации в зоне
соединения, достаточной, по крайней мере, для образования физи-
209
ческого контакта соединяемых поверхностей. Практика подтвер-
жтает, что при правильно выбранной температуре сварки давление
сжатия составляет 2- -8 МПа, тогда при изотермической выдержке
в течение 20—40 мин успевает произойти микропластическая
деформация соединяемых поверхностей, достаточная для обеспе-
чения контакта по всей соединяемой поверхности.
§ 3.	ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛАМИ
Диффузионная сварка керамических материалов с ме-
таллами имеет ряд особенностей, вытекающих из характерных
свойств керамических материалов. Ползучесть большей части ке-
рамических материалов начинает проявляться при нагреве выше
1373 К, поэтому физический контакт на первой стадии сварки
формируется в процессе пластического деформирования металлов
или их сплавов.
Существенное влияние на свариваемость керамики с метал-
лами оказывает и микроструктура. Увеличение размеров зерен
керамики, содержащей стеклофазу, приводит к уменьшению
протяженности границ и, следовательно, участков наиболее ак-
тивного взаимодействия. Кроме того, в крупнозернистой керамике
в большей степени сказываются повреждения трещиноватого
слоя, вносимые механической обработкой. Однако чрезмерное
уменьшение размера зерен снижает скорость миграции стеклофазы
и тормозит развитие заключительной стадии образования соеди-
нен ия.
Наличие стеклофазы в керамике ускоряет процесс сварки,
соединения с такой керамикой получаются более прочными, чем
с керамикой, в которой стеклофазы меньше или она вообще отсут-
ствует. При сварке керамики, не содержащей стеклофазы, с метал-
лами наблюдается закономерность, по которой прочность соеди-
нения крупнозернистой керамики с медью в несколько раз ниже
прочности соединения, полученного с мелкозернистой керамикой.
Это еще раз подтверждает, что наиболее активно процессы хими-
ческого взаимодействия протекают по границам зерен, даже при
отсутствии стеклофазы.
Сварка корундовой керамики с металлами. В настоящее время
накоплен достаточно большой экспериментальный материал о вли-
янии различных технологических параметров сварки на форми-
рование сварного соединения. В условиях диффузионной сварки
основными параметрами являются сжимающее давление, темпе-
ратура, время изотерма ческой выдержки, среда, в которой осу-
ществляется сварка, и подготовка поверхности.
Роль сжимающего давления заключается в создании надеж-
ного физического контакта взаимодействующих поверхностей,
однако при сварке корундовой керамики с металлами оно не
должно превышать 16 МПа из-ва возможного появления трещин
в керамике.
210
Таким образом, возникновение и развитие контакта в про-
цессе диффузионной сварки осуществляется преимущественно
за счет деформации более пластичного металла.
Температура сварки является определяющим фактором в обра-
зовании сварного соединения керамики с металлом, поскольку
именно термодинамические характеристики соединяемых мате-
риалов зависят от температуры. Опыты показывают, что полу-
чить соединения удовлетворительной прочности с большей частью
металлов при температуре нагрева менее 1173 К не удается.
Наиболее обширные исследования влияния температуры
сварки на механическую прочность соединения описаны в рабо-
тах И. И. Метелкина. Анализ экспериментальных данных пока-
зывает, что для сварки алюмооксидной керамики с черными метал-
лами и их сплавами температура должна составлять 1273—
1573 К. При этом следует учитывать, что керамика, содержащая
большое количество стеклофазы, лучше соединяется с металлом
и при меныпей температуре, чем керамика, состоящая только из
чистого оксида алюминия Прочность сварного соединения на
изгиб колеблется от 100 до 200 МПа.
Высокие результаты были получены по сварке меди с керами-
кой ВК94-1 при температуре 1303—1323 К. Однако высокая тем-
пература сварки имеет отрицательные последствия, связанные
с ухудшением электроизоляционных качеств керамики.
Увеличение температуры сварки более 1473 К снижает меха-
ническую прочность керамики, которая начинает растрескиваться
при давлении сжатия выше 20 МПа.
Применение термической обработки (температура 1623 К,
выдержка в течение 50—60 мин) после шлифовки перед сваркой
в формиргазе повышает прочность соединения до 230 МПа. По-
видимому, термообработка способствует самозалечиванию трещи-
новатого слоя, возникшего в результате механической обработки.
Время сварки нужно выбирать очень тщательно. При изо-
термической выдержке должен образоваться физический контакт,
осуществиться активация соединяемых поверхностей, а также
в достаточной степени пройти реакции взаимодействия, приводя-
щие к образованию переходной зоны в соответствии с законами
термодинамики соединяемых систем.
При температуре до 1270 К увеличение времени сварки, как
правило, до 20 мин приводит к росту прочности соединения,
а затем механические характеристики соединения стабилизи-
руются. Более высокие температуры (выше 1373 К) делают кера-
мику менее стойкой и изотермическая выдержка под давлением
более 45 мин можег привести к появлению термической устало-
сти, т. е. к появлению трещин и к разрушению. По-видимому,
изотермическая выдержка для керамики любой марки должна
определяться опытным путем и не превышать 45 мин.
Среда, в которой ведется сварка, существенно влияет на кине-
тику формирования соединения (габл. 9.2).
21t
Таблица 9.2
Влияние среды на прочность соединений металла с керамикой
(р = 16—18 МПа, t = 154-20 мин)
Соединяемая пара	Средн	г, к	Прочность на отрыв, МПа
Ковар — ВК94-1	Водород Вакуум	1473	100 120
12Х18Н10Т—ВК94-1	Водород Вакуум	1473	100 200
12Х18Н10Т — ВК94-2	Водород Вакуум	1473	115 115
Нихром — ВК100-1	Водород Вакуум	1523—1573	100 100
Палладий — ВКЮ0-1	Водород Вакуум	1523—1573	160 160
Сталь СтЗ—BK100-J	Водород Вакуум	1523—1573	5 5
На практике наиболее широко в качестве сварочной среды
используют вакуум, водород и формиргаз (Н2, N2 и др.). В ва-
кууме может возникнуть опасность восстановления оксидов ме-
талла, созданных ранее на его поверхности. Так, оксид меди вос-
станавливается до чистой меди при разрежении выше 1,33-10‘2 Па
и температуре более 1173 К- В связи с этим при сварке исполь-
зуют неглубокий вакуум (1,33—0,133 Па). Оксиды никеля и
железа также при высоком разрежении (1,33-10~3 Па) способны
восстанавливаться, что, может ухудшить качество сварного соеди-
нения.
При сварке в водороде следует учитывать, что эта среда может
иметь некоторую окислительную способность из-за присутствия
паров воды. Следует измерять точку росы баловного водорода,
поскольку возможны некоторые колебания количества заключен-
ной в нем влаги. По отношению к большей части металлов водород
считается восстановительной средой, когда точка росы не пре-
вышает 223 К- Если водород содержит влагу или кислород выше
допустимой нормы, то в нем также возможно окисление металла
при сварке. Окисление становится наиболее заметным с ростом
температуры сварки. Сварка алюминия и его сплавов в водороде
недопустима из-за большой растворимости водорода в этих
сплавах.
212
Рис. 9.5. Влияние содержания магния в алю-
миниевом сплаве на оптимальную темпера-
туру сварки с различными керамическими
материалами:
j— сапфир; 2 *• НК94**; S — феррит; 4 —
ЦТС-19
В последнее время все большее
распространение получают МКУ на
базе алюминия и его сплавов. Высо-
кая прочность соединений на изгиб
(120—130 МПа), стойкость к термо-
циклированию, высокая работоспособность при криогенных тем-
пературах способствуют интенсивному распространению техноло-
гии диффузионной сварки.
При изготовлении МКУ на базе алюминия и его сплавов вза-
имодействие между алюминием и керамикой осуществляется пл
реакции замещения, поэтому лучшей защитной средой является
вакуум. Время сварки колеблется от 15 до 40 мин в зависимости
от состава алюминиевых сплавов. Сплавы с большим содержанием
магния (АМгб, АМгЗ и др.) более активны при взаимодействии,
поэтому и время сварки может быть сокращено до 20 мин. Увели-
чение параметров сварки выше оптимальных может вызвать сни-
жение прочности соединения в результате выделения в зоне сварки
новых фаз — продуктов взаимодействия алюминия с керамикой.
Особенно это заметно на алюминиевых сплавах с повышенным
содержанием магния (рис. 9.5).
Сварка конструкционной керамики с металлами- В последнее
время внимание разработчиков многих стран мира привлечено
к конструкционной, или, как ее еще называют, новой керамике
на основе нитридов, карбидов и боридов металлов, характеризу-
ющейся уникальным сочетанием основных физико-технических
свойств Ее основными достоинствами являются высокая темпе-
ратура эксплуатации, превышающая температуру эксплуатации
жаропрочных сталей и сплавов, небольшая плотность при высокой
твердости и химической стойкости. Эти и другие свойства кон-
струкционной керамики способствовали успешному использова-
нию ее в авиационной, электронной, металлообрабатывающей
и других отраслях промышленности. Ожидается, что в недалеком
будущем новая керамика внесет решающий вклад в дело создания
энергосберегающих тепловых двигателей и разработки новы?
источников энергии, обеспечит повышение эффективности новых
и существующих видов техники.
В настоящее время в США, Японии, некоторых странах Запад-
ной Европы разработаны национальные программы по примени
нию керамики для изготовления деталей газотурбинных и дизель-
ных двигателей.
Наряд}7 с созданием керамических материалов с улучшенными
эксплуатационными параметрами стоит задача соединения их
: металлами и сплавами, используемыми в конструкциях металло-
керамических узлов и деталей.
Н отличие от кислородсодержащей керамики неоксядная
керамика проставляет собой чрезвычайно инертный в химическом
 ношении материал. При температуре ниже 1273 К она не вза-
имодействует практически ни с одним из жаропрочных металлов
или сплавов что загоудняет получение неразъемных соединений
( указанными материалами.
^тобы прочно и надежно соединить конструкционную кера-
илу J метол гами, необходимо активировать или модифицировать
? поверхность. Известно несколько способов модификация кон-
глктньх тювер хностей керамики Положительные результаты
л. -’тчс!П при металлизации керамики с целью создания прочно
сц< п генного с ней промежуточного слоя, необходимого для осущест-
ц-еьс последующих технологических процессов сварки или пайки.
Цля металлизации неоксидной керамики обычно применяют
:* илиблен, вольфрам, титан и некоторые другие металлы, имеющие
близки. с керамикой коэффициенты линейного термического
расширения. Наиболее распространенными технологическими при-
• ами металлизации керамических деталей являются нанесение
г гсг с последующим их вжиганием и вакуумное напыление.
Размер частиц металлических порошков, используемых для метал*
лизации, составляет 1—5 мкм, а толщина спеченного металли-
ческого слоя — 30 -50 мкм.
Металлизированный слой на нитридную керамику наносят
методом электронно-лучевого или ионного напыления, а образу-
ющуюся на поверхности керамики пленку закрепляют не только
спеканием, но и облучением высокоэнергетическими потоками
ионов инертного газа» Указанный способ модификации поверх-
ностного слоя позволяет получать соединения прочностью
—600 МПа. Металлизированную указанным способом керамику
соединяют с помощью диффузионной сварки или пайки непо-
средственно с металлом или же через прокладку. МКУ. подвер-
гающиеся низко- и высокотемпературным нагрузкам, различным
к гам. термони клирован и я. рекомендуется изготовлять диффу-
зионной сваркой.
Для соединения конструкционной керамики часто используют
прокладки, состоящие из одного, двух и более, слоев, каждый
из которых выполняет свою функцию. Например, нитридную
керамику соединяют со сталью через многослойную прокладку,
о он которой имеют различный состав, обеспечивающий плавное
изменение коэффициента линейного термического раепшрения
ири переходе от керамики к металлу. Процесс сварки ведут в две
'алии. На первой стадии сформированную прокладку закрепляют
чз поверхности керамики путем подпрессовки и последующего
вжигания при температуре 1673—1773 К. На второй стадии про-
водят диффузионную сварку модифицированной указанным спо-
ч оГным лозао аностч керамик», металлической деталью
214
Для получения МКУ с низким уровнем напряжений в зоне
сварки является сварка конструкционной керамики с металлами
через слой порошков соединяемых материалов или порошков
керамики и молибдена, взятых в равных соотношениях. В пос-
леднем случае порошок наносят не на обожженную керамическую
деталь, а на прессовку из нитрида кремния. Совмещение процесса
металлизации со спеканием керамического материала позволяет
значительно повысить адгезию металлизированного слоя к кера-
мике и одновременно понизить уровень остаточных напряжений
в сварном шве. Последующий процесс диффузионной сварки
модифицированной поверхности керамики со сталью осуществляют
через никелевую прокладку.
Получение прочных и термически стойких соединений кон-
струкционной керамики с металлами является лишь одной из
областей эффективного использования диффузионной сварки в со-
временной технике. Другой не менее важной областью является
соединение керамических деталей друг с другом с целью получе-
ния крупных цельнокерамических конструкций сложной конфи-
гурации. Сварку конструкционной керамики ведут или через
металлические прокладки, имеющие коэффициенты линейного
термического расширения, близкие к коэффициентам линейного
термического расширения керамики, или через порошкообразные
слои на основе оксидов металлов и фторидов щелочных и щелочно-
земельных металлов при температуре 1573—1773 К. Временное
сопротивление получаемых соединений составляет 100—200 МПа.
В последнее время увеличилось число публикаций, каса-
ющихся применения горячего изостатического прессования
(ГИП-процесс) для получения неразъемных соединений из кон-
струкционной керамики и жаропрочных сплавов. Сущность ГЦП-
процесса заключается в том, что вакуумированную или газо-
наполненную капсулу подвергают в газостате всестороннему
сжатию под большим давлением (1000—2000 МПа), нагревают до
высоких температур (1500—1700 К) и осуществляют изотермиче-
скую выдержку в течение нескольких часов. В результате проис-
ходит спекание или диффузионная сварка химически инертных,
тугоплавких и жаростойких материалов.
Сварка ферритов с металлами. Применение ферритов в различ-
ных областях техники во многом определяет уровень последней.
Современные средства телевизионной и телефонной связи, вы-
числительной техники, систем видео- и звукозаписи не могут
обходиться без ферритов в том или ином виде, а это значит, необ-
ходимо иметь высоконадежные, доступные и производительные
технологические приемы получения неразъемных соединений фер-
ритов с различными металлами и неметаллами.
Ферриты являются двойными оксидами железа, большая их
часть обладает магнитными свойствами, однако .ферриты ZnO X
х Fe2O3 и CdO-Fe2Os являются немагнитными. Ферриты — твер-
дые и хрупкие материалы, которые нельзя обрабатывайь резанием,
215
Г а б л и ц а 9.3
Возможные реакции взаимодействия ферритов с металлами
1 Реакция			AG кДж/моль, при температуре, К		
			900	1100	1300
Г	%, Al	V, AlaO3 + 2 FeO	—70,3	—69,-6	—70,0
FeaC)3 -	2 Al-	* AIaOs -г 2 Fe	— 194,2	—189,2	—185,3
Не-О,	[- 2 Ti -	> Ti3Og + 2 Fe	— 164,4	—162,9	— 162,3
Fe2O.	h s/s Ti -	ti2O3 4- 2 FeO	— 60.4	—61,0	-62,3
	“ a/2 Mo	-» a/2 МоОг + 2 Fe	— 11,8	—11,8	— 13,2
2 FesO3 + Mo -		-> MoO2 -h 4 Fe	-59,8	—57,3	—55,8
а можно только шлифовать и полировать. Их подразделяют ьа
магвитомягкие и магнитотвердые ферриты, ферриты для высоких
часто? (СВЧ) и ферриты е прямоугольной петлей гистерезиса
(ПАГЬ
Возможные реакции взаимодействия ферритов с металлами
в условиях диффузионной сварки приведены в табл. 9.3.
Гаким образом, термодинамический анализ диффузионной
сварки металлов с ферритами позволяет разделить металлы на
дне группы. Металлы первой группы (AJ, Ti, Si и др.) взаимодей-
ствуют оксидом железа, восстанавливая его либо до низких
кислородных соединений, либо до чистого металла, а металлы
второй группы (Си, Ni, Со и др.) — с образованием соединений
типа двойных оксидов или твердых растворов. В каждом случае
тип взаимодействия предопределяет технологические приемы и
методы процесса сварки, а правильный учет свойств новых фаз,
образующихся в соединении, позволяет влиять на качество свар-
ных соединений.
Гот факт, что в состав ферритов входят легко восстанавлива-
ющиеся оксиды (оксиды цинка, кадмия, лития, меди), вызывает
затруднение, а в некоторых случаях исключает возможность
сварки этих материалов в восстановительной атмосфере (водорода
пли формы ргаза). С этой точки зрения вакуум является более
предпочтительной средой, однако к его использованию следует
подходить дифференцированно.
Так, нагрев феррита в вакууме может сопровождаться по-
терей кислорода. При этом в решетке феррита должен созда-
ваться избыток металлических атомов. Некоторые атомы, на-
пример цинка и кадмия, способны удаляться из решетки феррита
вместе с кислородом, поэтому при разработке технологии соеди-
нения необходимо учитывать эту особенность и режимы сварки
выбирать такими, чтобы не происходило заметного изменения
стс биометрического состава, либо вести процесс при невысоком
разрежен ии.
Сварка ферритов с медью — наиболее изученный процесс.
При анализе соединений металлов с неметаллами, в данном случае
Т а б л и u а 9.4
Рекомендуемые режимы диффузионной сварки в вакууме некоторых керамик
с металлами
Соединяемая пара	Материал про- кладки	Режим сварки			
		Темпера- тура, К	Давле- ние» МПа	Бремя, мин	Стелен^ вакуума, Па
ВК94-1—ВК94-1	АМгб	863	10,0	20	0,0133
То же	АД1	893	10,0	30	0,0133
	Ml *	1223	10.0	40	0,133
Б	29НК *	1323	10,0	20	0,133
Сапфир — сапфир	АМгб	873	8,0	30	0 0133
Сапфир — ВТ । -0	АМгб	883	Ю,0	15	0,0133
Феррит 5000МТ — феррит 5000МТ	АД1	883	10,0	30	0,0133
'Го же	АМгб	863	10,0	20	0.0133
ЦТС-19—ЦТС-19	АМгб	873	5,0	20	0,0133
То же	Ml *	1073	6,0	20	0,1
CO-I15M— СО-115М	АД1	893	8,0	40	0,0133
Г Ьлнкор—пол и кор	АМгб	873	10,0	30	0,0133
Поликор — ВТ 1-0	АМгб	873	12,0	10	0,0133
* Металл нужно предварительно окислить.
меди с ферритом, следует исходить из того, что в зоне контакта
создается переходная зона, в которой металлическая связь посте-
пенно переходит в ионно-ковалентную, характерную для не-
металла. В этой зоне постепенно изменяются физико-химические
свойства от металла к неметаллу. Создание именно этой переход-
ной зоны и обеспечивает эксплуатационную надежность сварных
соединений металлов с неметаллами.
Сварка ферритов через прокладки из алюминия и его сплавов
является весьма перспективным технологическим процессом
(табл. 9.4). Основным преимуществом этой технологии является
низкая температура получения соединения (840—883 К). Это
особенно важно при сварке ферритов, чувствительных к изотер-
мической выдержке в условиях вакуума.
Термодинамический анализ взаимодействия алюминия с боль
шей частью оксидов, входящих в состав ферритов, показывает
возможность протекания реакций замещения, т. е. восстановления
оксидов не только до низшей валентности, но и до чистого металла.
Проведенные эксперименты по сварке ферритов с алюмини-
евыми сплавами, содержащими магний, показали большую пер-
спективность данного сочетания, поскольку появилась возмож-
ность уменьшить температуру сварки еще на 40—<50 К без ухуд-
шения прочности соединения.
После диффузионной сварки ферритов с алюминием и его
сплавами последние обладают высокими электрической проводи-
мостью и теплопроводностью, которые выше лишь у серебра и меди. I
Поэтому алюминиевые сплавы находят самое широкое применение
в волноводной технике.	I
Сварка пьезокерамики с металлами. В различных областях
техники широкое распространение получили изделия из пьезо-
керамических материалов на основе титаната бария, а также твер- |
дых растворов титаната и цирконата свинца.
Диффузионная сварка пьезокерамики ведется при температу-
рах, значительно превышающих точку Кюри, поэтому после обра-
зования соединения она оказывается заполяризованной (см.
табл. 9.4).
Наибольшее распространение для изготовления пьезоэлемен-
тов получили легкие сплавы в сочетании с пьезокерамикой
ЦТС-19. При соединении этих материалов отпадает необходимость
в металлизации серебросодержащими пастами. По данной техно-
логии можно получать многослойные конструкции, в зоне соеди- |
нения которых отсутствуют различные клеи и припои, что су-
щественно увеличивает эффективность работы пьезоэлементов.
Сложность получения неразъемного соединения пьезокерамики
с металлами заключается в том, что у керамических материалов
почти полностью отсутствует пластичность. Коэффициенты линей-
ного термического расширения керамики значительно отличаются
от коэффициентов линейного термического расширения металлов,
с которыми она сваривается. Отсутствие пластичности создает
трудности при образовании физического контакта в зоне соеди-
нения металла с керамикой, вследствие чего снижается прочность
соединений и ухудшаются рабочие характеристики пьезопреоб-
разователей.
Нагрев пьезокерамики до высоких температур может привести
к образованию трещин и потере пьезосвойств. Большое различие
коэффициентов линейного термического расширения керамики
и металла также приводит к появлению трещин в пьезокерамике
или разрушению сварного соединения.	I
Пьезокерамика очень чувствительная к градиенту температур I
как в процессе нагрева под сварку, так и в процессе охлаждения. I
Процесс охлаждения является более ответственным этапом, по-
скольку в этом случае появляются еще дополнительные напряже-
ния, связанные с разностью коэффициентов линейного термине- I
ского расширения керамики и металла. При изготовлении пьезо-
преобразователей чаще других используют алюминиевые сплавы,
поскольку они имеют достаточно высокую релаксационную спо-
собность до относительно низких температур.
Скорость нагрева деталей под сварку выбирают в зависимости
от массивности пьезокерамического элемента; она, как правило,
не превышает 15 К/мин. Выбирать скорость охлаждения нужно
дифференцированно, т. е. массивные детали следует охлаждать
218
го скоростью 3—4 К/мин, а тонкие со скоростью 5— / К/мин
Ускоренное охлаждение вызывает растрескивание керамики, а
более медленное экономически нецелесообразно
В состоянии поставки пьезоэлементы поляризованы, При диф-
фузионной сварке, вследствие нагрева до температур, значительно
превышающих точку Кюри, происходит деполяризация пьезо-
керамики, поэтому для получения требуемых свойств пьсзокера-
мику после сварки снова поляризуют. Решить этот вопрос можно,
совместив процесс охлаждения керамики с ее по ”риз. тией
Поляризацию керамики в процессе охлаждения осуществляют
следующим образом. После изотермической выдержки производят
разгерметизацию камеры и при температуре на 20 -50 грс *усив
выше точки Кюри подают электрическое Ноиряженш-. Дг.лил не
охлаждение осуществляют со скоростью 1—3 К/мин'* после ох-
лаждения деталей до комнатной температуры за -	1,5--? ^аса
оставляют под действием сжимающей нагрузки я только .. ** де
этого снимают поляризующее напряжение и сжимающее да вл* ие
РАЗДЕЛ IV
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
ГЛАВА ю. УСТАНОВКИ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ
Рассмотренные выше технологические процессы диф-
фузионной сварки в зависимости от пар соединяемых материалов
н конструкций изготовляемых деталей могут быть реализованы на
специально сконструированных установках или на серийно вы-
пускаемом оборудовании — промышленных вакуумных печах,
г изостатах, пресса х.
В тех случаях, когда для проведения диффузионной сварки
не требуется высокого вакуума, но требуется большое усилие
сжатия, заготовки помещают в вакуумированные реторты., нагре-
вают. а собственно соединение осуществляют на прессах. Для
обеспечения больших усилий используют гидравлические прессы.
Когда больших усилий не требуется, то сварку можно вести в ва-
куумных печах, при этом сжатие заготовок осуществляют с по-
е )Щью груза или термокомпрессионных устройств. Диффузионную
сварку заготовок сложной геометрической формы, как правило,
проводят в газостатах, помещая заготовки в герметичные вакууми-
гованиые оболочки из тонколистовой пластичной стали.
Первые установки для диффузионной сварки были разработаны
и изготовлены в СССР более трех десятилетий назад под руковод-
ством профессора И. Ф. Казакова. На технологию и оборудование
имеются патенты практически во всех развитых странах: США,
Великобритании, Бельгии, ФРГ, Швеции, Франции, Японии и
тэугих. Установка СДВУ-50 успешно демонстрировалась на ВДНХ
СССР. а также на международных ярмарках в Лионе (Франция),
Салониках (Греция), Лейпциге (ГДР).
В настоящее время идут интенсивные работы по созданию ав-
томатизированных установок для диффузионной сварки в вакууме
.крупногабаритных деталей для авиации и космонавтики, а также
для других отраслей промышленности.
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ УСТАНОВОК
Принципиальная схема установки для диффузионной
сварки материалов приведена на рис. 10.1.
Установка имеет вакуумную рабочую камеру Д в которую по-
мещают свариваемые щтаги 2, разрежение в камере создается
с помощью вакуумной сиеге-
мы 5. которая состоит из ва-
куумных насосов, трубопро-
водов, коммутационной ап-
паратуры и средств замера
давления остаточных газов.
Нагрев свариваемых деталей
осуществляется системой на-
грева 4, которая включает
в себя источник нагрева и
и епосредственн онагр ева тел ь-
ное устройство. Сжатие дета-
лей осуществляется одним из
типов системы сжатия 5.
Управление технологи-
ческими параметрами процес-
са диффузионной сварки осу-
ществляется с пульта управ-
ления.
Рис. 10.1. Принципиальная схема уста-
новки для диффузионной сварки
иеме
приз-
Установки для диффузионной сварки металлических и
талли ческих материалов классифицируют по следующим
накам:
назначению;
числу позиций для свариваемых деталей;
степени вакуума в рабочих камерах;
способу нагрева;
способу создания усилия сжатия деталей;
наличию дополнительного подвода энергии к деталям с цепью
интенсификации процесса диффузионной сварки;
степей и а втоматиз аци и устав овок.
На рис. 10.2 приведена классификация сварочных установок
по назначению. Универсальные установки позволяют осуществлять
диффузионную сварку различных металлических и неметалличе-
ских, однородных и разнородных материалов в широком диапазоне
технологических параметров. К их недостаткам следует отнести
то, что при диффузионной сварке конкретных деталей из конкрет-
ных материалов происходит неполное использование возможно-
стей вакуумной системы, систем нагрева и сжатия. Кроме того,
эти установки имеют, как правило, низкую производитель-
ность.
Для диффузионной сварки деталей из материалов, легирован-
ных элементами с повышенной диффузионной подвижностью и суб-
лимацией в вакууме (цинк, магний-и т. д.), применяют установки,
позволяющие вести диффузионную сварку в среде защитных газов
при избыточном давлении. Эти установки отличаются от ваку-
умных тем, что они имеют дополнительно устройства напуска газа
в, рабочую камеру, а сами камеры значительно прочнее, чем ва-
куумные камеры.
221
Рис. W.3. Классификация установок
для диффузионной сварки по числу
одновременно свариваемых деталей
Рис. 10.2. Классификация установок
для диффузионной сварки по назна-
чению
В тех случаях, когда соединяют детали из химически мало-
активных материалов и для осуществления процесса диффузион-
ной сварки не требуется создания больших усилий сжатия, воз-
можно применение установок для диффузионной сварки в жидких
средах. Такие установки дешевле и производительнее, но имеют
ограниченное применение в силу указанных выше причин.
Классификация установок для диффузионной сварки по числу
позиций для свариваемых деталей приведена па рис. 10.3. Много-
позиционные установки для диффузионной сварки имеют большую
производительность по сравнению с одпопозициояными, однако
они конструктивно более сложны и, следовательно, более дороги
и менее надежны. Выбор между роторными и конвейерными уста-
новками зависит от панировки участка или цеха, где они должны
устанавливаться. Как правило, многопозиционными делают спе-
циальные установки.
По степени вакуума в рабочей камере установки для диффузи-
онной сварки подразделяют на низко-, средне- и высоковакуум-
ные
В низковакуумных установках создается давление остаточных
газов в рабочих камерах не ниже 1,3 Па. Это — специальные
установки для диффузионной сварки материалов, не требующих
создания высокого вакуума. Например, при диффузионной свар-
ке—спекании фрикционных материалов на основе железа с боль-
шим содержанием углерода в камере создается восстановительная
атмосфера; при этом требуется только предварительная откачка
-о ^о-'-чеьия гаялепия 1,3  6,5 Па Вакуумная система низко-
Рис. 10.4. Классификация установок для диффузионной сварки по способу на-
грева
вакуумных установок имеет один форвакуумный механический
насос.
Для широкого класса материалов требуется разрежение в ра-
бочей камере установки до 1,3- 10~s Па. Диффузионная сварка
таких материалов может осуществляться как в универсальных,
так и в специализированных установках. Достижение среднего
вакуума надежно обеспечивают вакуумные агрегаты, включаю-
щие основной механический двухроторный насос и вспомогатель-
ный ротационный насос с масляным уплотнением.
В высоковакуумных установках давление в рабочих камерах
может достигать 1,3-10-7 Па. Такие установки могут быть как
специализированными, предназначенными для диффузионной
сварки материалов, требующих создания высокого вакуума, так
и универсальными для сварки большого класса материалов. Ва-
куумные системы таких установок включают основные высоко-
вакуумные, вспомогательные насосы и насосы предварительного
разрежения.
Классификация установок по системам нагрева приведена на
рис. 10.4. Радиационный нагрев проволочными и особенно лен-
точными нагревателями обеспечивает высокую равномерность
нагрева как поверхности, так и всего объема свариваемых дета-
лей. Этот способ не требует специальных источников энергии.
К недостаткам следует отнести низкую скорость нагрева и воз-
можность загрязнения поверхностей свариваемых деталей испа-
ряющимся материалом нагревателей.
Нагрев с помощью ламп, обладая всеми перечисленными выше
преимуществами радиационного нагрева, обеспечивает несколько
более высокую скорость нагрева при отсутствии загрязнения по-
верхности деталей.
Индукционный нагрев обеспечивает высокую скорость нагрева
теталей под сварку, локальный нагрев зоны соединения. Однако
223
этим способом можно нагревать только магнитные материалы.
Нагрев коупногабаритных массивных деталей осуществляется
токами промышленной частоты {50 Гц), а нагрев деталей неболь-
ших размеров и тонкостенных оболочек — токами высокой ча-
стоты. При нагреве токами высокой частоты требуется специаль-
ный источник энергии теплоты — ламповый или тиристорный
генератор.
Электроконтактный способ позволяет быстро и равномерно
нагревать свариваемые детали, не требует специальных источни-
ков теплоты. Этим способом можно нагревать только электропро-
водящие материалы.
Нагрев потоками ионов и электронов позволяет локализовать
попводимую энергию в зоне соединения деталей. Нагрев в тлеющем
разряде позволяет перед нагревом деталей под сварку осущест-
влять в этой же вакуумной рабочей камере очистку и модификацию
соединяемых поверхностей. К недостатку этих способов следует
отнести необходимость в специальных источниках энергии. Уста-
новки для сварки в тлеющем разряде, кроме того, должны быть
снабжены устройствами для подачи плазмообразующего газа.
Усилие сжатия свариваемых заготовок может создаваться
с помощью электромеханических, гидравлических, пневматических
и пневмогидравлических систем. Электромеханические системы
сжатия используют в тех' случаях, когда требуемое усилие не
превышает 100 кН. Эти системы малогабаритны, экономичны,
просты в изготовлении, поэтому нашли широкое практическое при-
менение.
Гидравлические системы позволяют создавать усилия сжатия
Ю3 кН и выше, однако они имеют значительно большие габаритные
размеры и более сложны по сравнению с электромеханическими
системами, кроме того, требуют больших удельных затрат энергии.
Пневматические и пневмогидравлические системы менее слож-
ны, чем гидравлические, могут запитываться от централизованной
пневматической сети предприятия. К их недостаткам следует
отнести невозможность достижения таких усилий сжатая, которые
достигаются при использовании гидравлических систем, а глав-
ное. усилие сжатия нестабильно в процессе сварки Следует от-
метить, что эти установки широкого практического применения
не получили.
В тех случаях. когда для осуществления процесса диффузион-
ной сварки заготовок требуется небольшое усилие сжатия (до 10 Н),
оно может создаваться с. помощью груза.
Для интенсификации диффузионных процессов, происходящих
при сварке различных материалов, часто применяют специализи-
рованное оборудование с дополнительным подводом энергии к
свариваемым деталям. На рис. Г0.5 приведена классификация ус-
тановок по данному признаку. Дополнительное механическое воз-
действие на свариваемые детали может осуществляться путем
приложения знакопеременной нагрузки по оси действия усилия
жатия (использование эффекта Баушингера, заключающегося
1 снижении предела текучести при знакопеременной нагрузке)
4ли в результате микросдвига деталей путем их взаимного пово-
рота. В последнем случае происходит более интенсивное разруше-
ние оксидных слоев на соединяемых поверхностях.
В установках с ’подводом ультразвуковых колебаний также
происходит интенсивное разрушение оксидных слоев на контакт-
ных поверхностях свариваемых деталей.
Установки для сварки в электростатических и магнитных полях
предназначены для диффузионного соединения специальных ма-
териалов, например полупроводников, ферритов.
В качестве перспективных следует рассматривать установки
для диффузионной сварки материалов с одновременным нераз-
рушающим ультразвуковым контролем зоны соединения. Такое
оборудование позволяет оперативно устранять возникшие дефекты
в зоне соединения, а также непосредственно после сварки осуще-
ствлятв контроль полученной детали или узла.
Классификация установок по степени автоматизации приве-
дена на рис. 10.6. Установки с ручным управлением дешевы,
однако они имеют меньшую производительность по сравнению
с автоматизированными, но, что более важно, в них менее точно
и менее стабильно поддерживаются технологические параметры
процесса диффузионной сварки. Такие установки целесообразно
использовать в единичном производстве при изготовлении неответ-
ственных деталей и узлов.
Автоматизированные установки с релейным управлением обе-
спечивают строгое выдерживание технологических режимов диф-
фузионной сварки, но только но
Рис. 10.5. Классификация установок
для диффузионной сварки по нали-
чию дополнительного подвода анечгии
к деталям
жестким, заранее составленным
программам. Их целесообразно
применять в крупносерийном и
массовом производстве при от-
работанной технологии.
Установки, управляемые с
помощью мини-ЭВМ, работают
Рис. 10.6. Классификация установок
для диффузионной сварки по степени
автоматизации
S В А Бечин
225
негибкой программе, которую можно корректировать при получе-
нии каждого последующего соединения деталей и даже во время од-
ного сварочного цикла. Они наиболее универсальны, могут ис-
пользоваться в исследовательских целях, а также в промышленно-
сти при мелкосерийном производстве сложных деталей и узлов,
когда технологический процесс требует частых изменений и кор-
ректировок параметров сварки.
§ 2» УНИВЕРСАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Универсальные установки предназначены для получе-
ния неразъемных соединений деталей из однородных и разнород-
ных, металлических и неметаллических материалов. Они нашли
широкое применение в единичном и мелкосерийном производстве,
а также в лабораториях при разработке новых технологических
процессов диффузионной сварки (табл. 10.1).
В СССР и за рубежом идет непрерывное совершенствование
конструкций сварочных установок, в которых реализуются тех-
нологические процессы получения диффузионных соединений
новых пар конструкционных материалов, процессы изготовления
сложных прецизионных изделий.
В Проблемной научно-исследовательской лаборатории диф-
фузионной сварки в вакууме Московского авиационного техноло-
гического института (МАТИ) им. К. Э. Циолковского разработана
универсальная сварочная диффузионная вакуумная установка
мод. СДВУ-50 (рис. 10.7). Она предназначена для диффузионного
соединения в вакууме деталей и узлов из различных материалов
в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Вакуумная рабочая камера установки выполнена из коррози-
онно-стойкой стали, имеет четыре дугообразные сгенки, массивные
крышку и днище. По всей поверхности камера имеет водяное ох-
лаждение, Она снабжена подъемным рабочим столом, на котором
размещают соединяемые детали, штоком с сильфонным уплотне-
нием для передачи усилия сжатия к деталям, токовводами для
питания радиационной, контактной и индукционной систем на-
грева. вакуумными вводами для датчиков замера температуры и
давления остаточных газов, а также смотровым окном из кварце-
вого стекла.
Откачная вакуумная система, состоящая из двух механических
вращательных насосов типа 2НВР-5ДМ и одного паромасляного
насоса типа АВП-160/250, смонтирована на выдвижной плат-
форме. Платформа размещена внутри каркаса под вакуумной ка-
мерой. Такая конструкция вакуумной системы обеспечивает удоб-
ство монтажа и ремонта.
Для радиационного и контактного нагрева в качестве силового
блока использован трансформатор типа ОСУ-40/0,5. Для регули-
рования мощности нагрева служит регулятор напряжения типа
РН1-160УХЛ4. Для индукционного нагрева могут быть исполь-
226
г»
со	•—*	- СМ см
1 2 S  se * „ о	Габарятные рая* §	мера, * 5 м	CM	lO to Ю	tCCOtQ	CM xt* СП	’М* Xt* Ю СМ	СО х* СЧ —ЮЮ — ОО - "СМ СО *^?СЧЛСССГ* —	"Г'-' —-<ХОЛГ "iQCh *— *—	••—'См ►сч - * - ^см*—* см * * - ►см —> ► - у v CN О у- у со И - —' СЧ С v х / Ч , СЧ СМ — "•' ухх’— — ЙюХХ£ЙХ?;ХХХХЛл&ХХХХЙЙХХ Гу r^CO to О ГуСЧ Хьо СО СЧ см —’ NOO O<N<N<D Ю О ооо о о —Г^о о ——* —Г—1сч счсч —* —7—Г XXXхххххххххххххххххххх N О0 LO L? IC LO Л о О; N •“! Ь 1О Ю ю !.П CM lO СЧО> "СЧСП О СМ Г- О'—<_го	"ООГ~	"Ю ОС	‘Ч- »-	СО ►	*»	* л *•»	•« GM *-	**	«ч GM «* V—*	*"• "О 4**d^ Сч4 ***•	•“-* *—* —н	сО о о о о о о о о о о to 1О О О О О О OlO о	too —<смеч—• — сдч^сч—«сч<о см—.см —« —<—<ю 5 — см
хдзг ‘чхэокТпои ввннаь-аонвхэ/г	СО^СЧ—»—’Х^СМООСО^Ю^тГОО-тГт^—' Г- Г- о о со —< —’ СО — — — о—‘OClCMOxfcDCMOCOOOOCOt4^ — СО ►—» ь—и	*<
Таблица 10.1
Техническая характеристика универсальных установок для диффузионной сварки
«у
м
Нн
•эн^иэА аэгц
•чко^ивн
вивпн
них
М ‘cd
-Ахвйэамол
вгтчьгормвн
И ‘(ЕХОЭГШ х
X ихэовжАй
-х© доп низ
-иио d-WHBHtf)
ndeMBx уаьо9
-ed KdeHCCd
Л и
£
сосососососососососососогфс'ососососос'ооосососо
см сг> ою — <£> ОО Ю Ю О О L0 тГ о Ю ОООоОО
СЧСОЮ^СЧ^СОсОСМСОСОСОСОСО-тЬСО-^СЧСЧсО
о о о — о о о о о о о о о о о о о о о о
хххххххххххххххххххх
Ю Ю ю C'K'J JO (N О W С СО О? ШО01СЮ СС' ссо
со <о со — — соососоеог-.сссосчсо^Фсосчсчю
о о о с о о о о о о о о о о о о о о о о
*
«
8*
227
Продолжение
Модель установки	Размеры ра- бочей камеры (диаметр опи- санной ок- ружности х X высота), м	За.-щтйяя	Нагрев		Сжатий		у 		 -	! 1 ивава^йоиРлЗА	* • Е Ход ЛП’ОКД, КМ |	Г ^баритйгзе рнв* меря, я	L. К • в? © V 0! X
			Способ	Наибольшая температу- ра, К	и <в « 2 » ев и ? а ж Ь х	Наибольшее усилие» кН ।				
А 306-10	0,35Х 0,44	В (6,7-10'®)	Р	1573	м	5	19	20	),53Х 1,44X2,01	2000
А 306-11	0.35Х 0,44	Hj, Ng	р	1473	г	30	106	10	1,67Х 1,4X2,05	1500
А 306-13	0.35Х 0,44	н3	р	1573	г	2	125	10	1,ЗХ 1,1Х 1,9	900
А 306-14	0.49Х 0,48	В (6,7-10-»)	ЭЛ	2273	г	10, 100	32	5	1,78Х 1.73X2,1	3800
А 306-20	0,49X0.48	На, В (6,7-10’’)	и	1373	г	100	31	20	2,57Х 1,5X2,1	3000
А 306-21	0,35Х 0,44	В (6,7-10'®)	р	1473	г	2	7	10	1.6Х I.36X 1,94	2000
А 306’25	0,38X0,21	То же	р	1473	эм	20	35	20	1.72Х 1,34X2,02	2000
МДВ-301	0,49Х 0.48	'а	и	1773	ПР	30	115	20	2,.33X2,IX 1,8	«00
ИОН-1	0,04X0,3	В (1,3-101)	ТР	2873	эм	10	40		0.83Х 1,3X0,2	
УДС-СВ	0.35Х 0,37	В (1.3-10'")	С	1273	эм	100	60		2,65Х 1,42X2,45	
40 СП.306 М	0,50Х 0,60	В (1,3-10"’)	С	1573	эм	25	70 J	10	1,5x0,9X2,2	
* В рабочей
** В рабочей
*** Имеет две
камере два штока.
камере восемь штоков*
рабочие камеры.
Условные обозначения. Защитная среда: В — вакуум» в скобках указано давление остаточных газов в Пэ
Способ нагрева: И — индукционный, Р — радиационный, К — контактный, ЭЛ — - электронно-лучевой, С — световой,
ТР — тлеющий разряд.
Тип механизма сжатия: Г — гидравлический, М — механический, ЭМ — электромеханический, П — пневматический.
зованы ламповый или тиристорный генератор типа ТВ4 и трубча-
тые водоохлаждаемые индукторы, выполненные по форме свари-
ваемых деталей Для осуществления радиационного нагрева мо-
жно применять ленточные фольговые нагреватели из жаростой-
ких металлов.
Сжатие деталей при диффузионной сварке осуществляется
с помощью электромеханического привода, состоящего из электро-
двигателя постоянного тока типа 2ПН-90МУЧ или переменного
тока типа 4АХ71А4УЗ, червячного редуктора типа РЧУ-100
с вертикально расположенным выходным валом, винтовой пары.
Электродвигатель соединяется с входным валом редуктора посред-
ством клиноременной передачи.
Замер температуры при сварке может осуществляться с по-
мощью термопар или оптического пирометра. В случае использо-
вания термопар в качестве вторичного прибора предусмотрен по-
тенциометр. Давление остаточных газов в вакуумной камере за-
меряется с помощью термопарного датчика типа ПМТ и иониза-
ционного датчика типа ПМИ, а в качестве вторичного прибора
используется вакуумметр типа ВИТ-ЗП. Усилие сжатия замеря-
ется по индикатору динамометра типа ДОС.
Установка мод. СДВУ-50 снабжена ручной системой управле-
ния. однако возможно использование автоматического управления
от программного микропроцессорного контроллера типа «Ре-
ми конт».
В Саратовском политехническом институте разработана уни-
версальная сварочная установка мод. ДСВ-901. Она предназна-
чена для диффузионной сварки и пайки различных материалов, а
также для герметизации приборов при температуре до
1273 К.
Установка мод. ДСВ-901 состоит из вакуумной рабочей камеры,
вакуумной системы, механизма сжатия деталей, системы нагрева,
блока управления и автоматики. Ее отличительными особен-
ностями являются нагрев деталей излучением кварцевых ламп
и применение системы пневмовакуумного сжатия. В этом случае
сжатие деталей осуществляется за счет разности давления ат-
мосферного воздуха и остаточного давления газа в вакуумной
камере. Использование в качестве нагревателей кварцевых ламп
дает возможность устранить попадание на поверхность сваривае-
мых деталей паров материала спиральных или ленточных нагре-
вателей.
Установка имеет автоматическую систему откачки, нагрева,
сжатия деталей. В процессе сварки ведется запись всех парамет-
ров.
В Саратовском политехническом институте также была раз-
работана и изготовлена универсальная сварочная установка
40 СП.306 М с безмасляной системой откачки. Система сжатия
установки обеспечивает возможность приложения усилия сжатия
от 0 до 2500 Н. Сварочный цикл в установке автоматизирован.
230
На Таллиннском электромеханическом заводе им. М И Ка-
линина разработаны и изготовлены сварочные диффузионные уста-
новки мод. УДС-ЗМ, УДС-4, УДС-5.
Установка мод. УДС-З/М состоит из двух автономных вакуум-
ных камер, смонтированных на общей раме, индукционного ис-
точника нагрева, систем откачки, сжатия и шкафа управления.
Наличие двух автономных камер позволяет осуществлять загрузку
деталей в одну из камер во время ведения сварки в другой камере.
Сварочная установка мод. УДС-4 предназначена для диффу-
зионного соединения крупногабаритных деталей. Она снабжена
гидравлическим приводом, позволяющим без разгерметизации
камеры осуществлять перемещение сжатых деталей относительно
индуктора. Это дает возможность непосредственно после сварки
проводить термическую обработку, а также облегчает ориента-
цию стыка деталей относительно индуктора при начальной уста-
новке. После окончания работы в установке предусмотрена авто-
матическая откачка воздуха из рабочей камеры, охлаждение диф-
фузионного насоса с последующим отключением установки от
сети.
В состав установки для диффузионной сварки мод. УДС-5
входят одна рабочая и две шлюзовые вакуумные камеры, проход-
ная электропечь, гидравлическая система сжатия, холодильник,
механизмы для перемещения деталей, шкаф управления. В шкафу
управления расположены пульт управления, блоки логического
управления, реализованные па интегральных микросхемах серий
1\554 и К155, силовые блоки, автоматический самопишущий по-
тенциометр мод. КСГ1-4 и регулятор температуры мод. РТИ-4.
Операции загрузки и выгрузки деталей производятся в шлю-
зовых камерах без остановки процесса диффузионной сварки в ра-
бочей камере. Сварочный цикл установки автоматизирован, также
предусмотрена непрерывная запись параметров сварки на одной
диаграммной ленте.
В Московском авиационном технологическом институте им.
К. Э. Циолковского разработана установка для диффузионной
сварки мод. СДВУ-100/01 с агрегатно-модульным исполнением
отдельных узлов.
Модульное исполнение отдельных узлов установки обеспечи-
вает выполнение многих требований при ведении технологических
процессов: диффузионной сварки, пайки, термообработки, спе-
кания порошковых материалов, горячего прессования и т. д.
Поддержание параметров указанных технологических процессов
гарантируется использованием в составе установки управляющей
мини-ЭВМ,
Разработанная установка позволяет выполнять следующие
операции:
диффузионную сварку однородных и разнородных металлов
и сплавов с применением широкого диапазона усилий (0—100
и 0—500 кН), различных источников нагрева, включающих ин-
231
фракрасное излучение, проходящий ток, световой поток, токи вы-
сокой частоты, поле тлеющего разряда;
диффузионную сварку различных неметаллических материалов
(керамики, стекол, ситаллов, монокристаллов, пьезокерамики,
композиционных материалов);
пайку металлов и неметаллов в вакууме и среде защитных газов
как с приложением усилия сжатия, так и без него:
совмещение процессов спекания порошковых материалов с диф-
фузионной сваркой как по традиционной схеме, так и с приложе-
нием импульсной нагрузки;
термообработку в вакууме и среде защитных газов химически
активных металлов и сплавов;
получение методами диффузионной сварки и порошковой ме-
таллургии композиционных материалов как на металлической,
так и на неметаллической основе;
термовакуумное напыление;
ионную очистку поверхностей материалов.
Широкий диапазон варьирования технических характеристик
установки обеспечиваегся большим числом вариантов сочетания
модулей. Замена модулей позволяет осуществлять быструю пере-
наладку технологического комплекса, а возможность установки
нескольких одинаковых или различных установок позволяет обе-
спечивать требуемые производительность и номенклатуру вы-
пускаемых изделий.
§ 3. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ УСТАНОВКИ
В условиях крупносерийного и массового производства
изделий из определенных материалов заданной формы и размеров
используют специализированные установки для диффузионной
сварки.Специализированные установки применяют также при свар-
ке бронз и латуней,а также в тех случаях, когда необходимо оказать
дополнительные физико-механические воздействия на заготовки
с целью интенсификации диффузионных процессов в зоне соеди-
нения, т. е. проведение сварки в электростатических и магнитных
полях, с приложением ультразвуковых колебаний и т. д.
Установки для диффузионной сварки материалов в среде за-
щитных газов при избыточном давлении, применяемые для полу-
чения соединений деталей из бронз, латуней и ряда других материа-
лов, содержат кроме традиционной вакуумной системы систему
напуска газа, средства контроля и регулирования величины из-
быточного давления, а применяемые для замера степени вакуума
теплоэлектрические, ионизационные и магнитные датчики должны
быть изолированы от рабочей камеры при напуске защитных газов.
Корпуса рабочих камер таких установок рассчитывают не только
из условий устойчивости, но и из условий прочности. Толщины
стенск, фланцев и других элементов камер в этом случае имеют
232

Рис. 10.8. Установка СДВУ-50 с системой подачи газа в рабочую камеру
значительно большие величины. Повышаются требования к со-
блюдению техники безопасности при работе на таких устано-
вках.
На рис. 10.8 показана сварочная диффузионная установка,
в камере которой перед процессом сварки предусмотрено прове-
дение ионно-плазменной очистки соединяемых поверхностей.
Установка имеет систему напуска ионообразующего газа с фик-
сацией его давления на пульте управления установкой. Основные
модули этой установки выполнены на базе установки мод.
СДВУ-50.
Установка мод. СДВУ-21 (рис. 10.9) предназначена для диф-
фузионной сварки в вакууме проволоки диаметром 3—6 мм. Раз-
режение воздуха на этой установке создается только в зоне диф-
фузионного соединения. Установка с местным вакуумом имеет
подвижный 1 и неподвижный 5 зажимы для проволоки; зажим
осуществляется рычажным механизмом под действием груза 14.
Рабочая камера снабжена верхней 2 и нижней 3 крышками; си-
стема нагрева установки — индукционная (разъемный индуктор 4)\
температура измеряется с помощью фотопирометра 6. Вакуумная
система состоит из форвакуумного насоса 10 с приводом от элект-
родвигателя 3, высоковакуумного паромасляного насоса 7, ва-
куумных вентилей 9, /3» вакуумпроводов //» 12.
233
Рис. iQ.9. Схема установки СДВУ21 с местным вакуумом
Установки с созданием «местного» вакуума в зоне диффузион-
ного соединения длинномерных заготовок целесообразно применять
в линиях непрерывной обработки проволоки.
Рис. 10.10. Схема установки СДВУ-13 с применением ультразвука
234
Рис. 10.11. Схема установки
для сварки-спекания фрик-
ционных изделий
Специализированная установка мод. СДВУ-13 (рис. 10.10)
предназначена для диффузионной сварки химически активных
металлов и сплавов с приложением в зоне соединения ультразву-
ковых колебаний. Установка состоит из вакуумной рабочей ка-
меры 3, в которую устанавливают свариваемые детали 7, индук-
ционного нагревателя 6» системы сжатия 4, магнитострикционных
преобразователей 5 и концентраторов 4.
Перед диффузионной сваркой к деталям 1 подсоединяют кон-
центраторы 4. При приложении ультразвуковых колебаний ок-
сидные слои на соединяемых поверхностях разрушаются и уда-
ляются. В процессе сварки направление приложения ультразву-
ковых колебаний перпендикулярно свариваемым поверхностям;
это интенсифицирует протекание диффузионных процессов, в ре-
зультате чего повышается качество получаемых изделий.
В МАТИ им. К» Э. Циолковского разработана специализиро-
ванная установка (рис. 10.11) для диффузионной сварки-спека-
ния биметаллических порошковых фрикционных изделий. Уста-
новка состоит из опорной рамы 3, на которой закреплена вакуум-
ная рабочая камера 2 цилиндрической формы с разъемом в верхней
части. Усилие сжатия деталей воспринимает несущая рама 3,
установленная на опорной раме <8 с возможностью наклона
относительно вертикального положения. Вакуумная система уста-
новки состоит из форвакуумного механического ротационного
насоса 9, трубопровода, соединяющего насос с рабочей камерой,
клапана и натекателя с электромеханическими приводами. Уста-
новка снабжена индукционной системой нагрева токами про-
235
мышлеяной частоты, которая включает размещенный в камере
водоохлаждаемый индуктор, блок конденсаторов //, однофазный
силовой понижающий трансформатор 12 и тиристорный блок б
регулирования мощности Система сжатия — гидравлическая,
причем силовой гидроцилиндр /Л гидроцилиндр 10 поворота
рамы и гидроцилиндр 7. открывающий и закрывающий рабочую
камеру, запитываются от одной насосной станции 4. Шкаф уп-
равления 5 размещен приблизительно на уровне оси поворота
несущей рамы, что позволяет осуществлять контроль за процес-
сами загрузки и выгрузки деталей.
Перед началом работы производят напуск воздуха в рабочую
камеру, которая в промежутке между рабочими сменами должна
быть вакуумирована. Затем с помощью гидроцилиндра 10 накло-
няют несущую раму, освобождая тем самым крышку рабочей
камеры, после чего крышку открывают с помощью гидропилиндра
7. Собранные в стопу заготовки фрикционных изделий с помощью
подъемно-транспортного механизма помещают сверху в камеру,
затем камеру герметизируют. Несущую раму возврата’хт в ис-
ходное вертикальное положение. После откачки воздуха насосом 9
чо требуемого разрежения включают систему нагрева, а по по-
стижении заданной температуры — гидравлическую систему
сжатия. Извлечение изделий из камеры ведут в обратной последо-
вательности .
Установка позволяет осуществлять диффузионную сварку
заготовок, собранных в стопу, при температуре до 1273 К, усилии
сжатия до 300 кН и давлении остаточных газов 1,3 Па. Диаметр
стопы заготовок может составлять 500—600 мм.
К специализированным установкам относятся установки для
диффузионной сварки в жидких средах. Диффузионную сварку
в жидких средах целесообразно применять в тех случаях, когда
не требуется больших усилий сжатия соединяемых деталей, не
предъявляется повышенных требований к защите зоны диффузион-
ного соединения и поверхностей деталей от воздействия окружаю-
щей среды.
Схема процесса диффузионной сварки в жидких средах приве-
дена на рис. 10.12. В резервуаре с жидкой защитной средой 2
размещены предварительно сжатые соединяемые детали /, нагрев
которых ведется с помощью нагревателя 3. В качестве жидкой за-
щитной среды можно использовать расплавленные соли, оксиды,
щелочи, расплавы металлов и сплавов, а также органические ве-
щества (керосин, ацетон, спирты и т. д.).
На рис 10.13 показана разработанная в СССР установка для
диффузионной сварки в жидких средах мод. УДСЖ-2.
Установка состоит из поворотной колонны 2, соляной ванны <9,
траверсы 5, которая размещена на колонне 2 и представляет
собой двухкоясолъную сварную конструкцию. В каждой консоли
смонтирован рычажный механизм, предназначенный для сжатия
деталей 1 перед сваркой. Механизм сжатия деталей содержит грузо-
236
Видя
Рис. 10.12л Схема процесса диффузионной сварки в жидкой среде
Рис. 10.13. Схема установки У ДОК-2 для диффузионной сварки в жидких сре-
зах
вой рычаг 6 с подвеской грузов 4 и устройство 3 приложения и
снятия нагрузки. Нагруженный рычаг 6 через механическую си-
стему передает усилие на шток 7, который сжимает соединяемые
детали, установленные в скобе 9.
Для сокращения общего цикла сварки процессы охлаждения,
выгрузки деталей из скобы и загрузки новых заготовок проводят
в период диффузионной сварки второй пары деталей.
На установке мод. УДСЖ-2 вручную ведут только загрузку
заготовок в скобу и поворот консоли, остальные технологические
операции выполняются автоматически. Данная установка поз-
воляет осуществлять диффузионную сварку деталей высотой до
195 мм при температуре до 1473 К и усилиях сжатия 3—30 кН.
Габаритные размеры установки без соляной ванны 2500x2070У
Х2900 мм.
В установках типа УДСЖдля сжатия соединяемых деталей наш-
ли применение приспособления пружинного типа (рис. 10.14).
Приспособление выполнено в виде жесткой рамы, состоящей из
стоек 5, основания 9, верхней траверсы 2. Внутри рамы параллель-
но стойкам расположен шток 6. Заготовки 8 устанавливают между
нижним основанием 9 и штоком 6, Между верхней траверсой 2
и направляющими 7 размещена тарированная по осадке пружина 4.
Необходимое усилие сжатия соединяемых деталей создается путем
вращения винта /; усилие сжатия передается на пружину через
упорный подшипник 3.
В данном разделе рассмотрена лишь незначительная часть
специализированных установок для диффузионной сварки. В на-
4<5'
Рис. 10.14. Пружинное приспо-
собление для сжатия деталей
Рис« ЮЛ 5. Газостат
стоящее время в СССР и за рубежом ведутся работы по созданию
новых специализированных сварочных установок с различными
системами защиты соединяемых деталей, системами нагрева и на-
гружения. Установки снабжают различными специальными моду-
лями для подвода в зону соединения дополнительной энергии с це-
лью интенсификации процессов диффузии, что является необхо-
димым условием повышения качества получаемых изделий.
§ 4. ГАЗОСТАТЫ И ВАКУУМНЫЕ ПЕЧИ
Для получения неразъемных соединений деталей слож-
ной геометрической формы, а также в тех случаях, когда требуются
большие усилия сжатия, диффузионную сварку целесообразно про-
водить в газостатах (рис. 10.15). Рабочий модуль газостата состоит
из цилиндра высокого давления /, закрытого верхней 3 и ниж-
ней 10 пробками. Внутри цилиндра размещены термоизоляцион-
ные колпак 4 и подставка S, нагреватель 5. Осевое усилие воспри-
нимается силовой рамой 2. С целью снижения металлоемкости
цилиндр и рамы выполнены предварительно напряженными с по-
мощью обмоток 6 и 9. Для диффузионной сварки в газостатах
соединяемые заготовки помещают в герметичную, как правило,
стальную капсулу, откачивают из нее воздух, после чего капсулу
заваривают. Перед началом работы силовую раму 2 с помощью
специального привода перемещают влево для освобождения верх-
238
чей пробки <3, открывают верхнюю пробку и устанавливают кап-
сулы с соединяемыми деталями 7 на термоизоляционную подстав-
ку 8. Затем закрывают верхнюю пробку и возвращают силовую
раму в исходное положение.
Диффузионная сварка деталей в газостатах ведется в следующей
последовательности:
осуществляют трех-четырехкратное вакуумирование рабочего
цилиндра с промывкой аргоном с помощью вакуумной системы
и системы напуска газа;
создают давление в рабочем цилиндре, затем давление повы-
шают о помощью компрессора;
нагревают капсулу с деталями до требуемой температуры и
осуществляют изотермическую выдержку под давлением;
охлаждают садку и рабочий газ» постепенно снижая мощность,
потребляемую нагревателем;
перекачивают аргон в газовые баллоны; рабочий цилиндр раз-
герметизируют, выгружают капсулы; разгерметизируют их и из-
влекают сваренные детали;
контролируют полученные неразъемные соединения.
В том случае, когда для осуществления процесса диффузионной
сварки не требуется больших пластических деформаций соеди-
няемых деталей, диффузионную сварку можно осуществлять в се-
рийно выпускаемых промышленных вакуумных печах.
Усилие сжатия соединяемых деталей при диффузионной сварке
в вакуумных печах создается с помощью термокомпрессионных
устройств за счет разности коэффициентов линейного термиче-
ского расширения деталей и элементов термокомпрессионного
устройства.
В проблемной научно-исследовательской лаборатории диф-
фузионной сварки в вакууме МАТИ им. К. Э. Циолковского раз-
работано несколько десятков термокомпрессионных устройств,
позволяющих внедрить в серийное производство технологические
процессы диффузионного соединения широкого ассортимента ме-
таллических и неметаллических однородных и разнородных
материалов.
Термокомпрессионное устройство (рис. 10.16, а) для диффу-
зионной сварки деталей цилиндрической и призматической формы
состоит из двух опорных плит 1 и 4 со стяжками 6. Стяжки вы-
полнены съемными, причем они изготовлены из материала, коэф-
фициент линейного термического расширения которого меньше
коэффициентов линейного термического расширения материала
соединяемых деталей и опорных плит. Для диффузионной сварки
деталей различной высоты используют стяжки различной длины.
Устройство имеет две подвижные платформы 2 и 3 с расположен-
ными по окружности кулачковыми торцовыми элементами» а также
шаровую опору 5,
Свариваемые детали <8 и 7 располагают между нижней опорной
плитой 1 и подвижной платформой 2 Поворачивая подвижные пла-
239
Рис. 10.16. Термокомпрессиониые устройства для диффузионной сварки раз-
личных деталей
тформы 2 и 3 относительно друг друга, осуществляют зажим де-
талей кулачковыми элементами.
Собранное устройство помещают в вакуумную печь. При нагре-
ве из-за разности коэффициентов линейного термического расши-
рения возникает усилие растяжения, действующее на стяжки 6,
и усилие сжатия, действующее на соединяемые дегали 8 и 7.
Для увеличения усилия сжатия между нижней деталью 8
и опорной плитой / может быть размещена проставка из материала
с температурным коэффициентом линейного расширения большим,
чем температурный коэффициент линейного расширения материала
стяжек 6.
Описанное термокомпрессионное устройство применяют для
диффузионной сварки составного твердосплавного инструмента,
керамических высоковольтных изоляторов и ряда других изделий.
Для диффузионной сварки трубчатых деталей используют тер-
мокомпрессионные устройства с одной стяжкой — центрально
расположенным стержнем, изготовленным из материала с меньшим
коэффициентом линейного термического расширения, чем у ма-
териалов деталей, опорных плит и подвижных платформ, С по-
мощью таких термокомпрессионньтх устройств осуществляют диф-
фузионную сварку в вакуумных печах гильз электромагнитов и
других трубчатых изделий.
На рис. 10.16, б приведена схема термокомпрессионного
устройства, предназначенного для дифф¥зионной сварки плоских
240
мембран. Устройство состоит из двух опорных пли*? / и 4 со
стяжками Зу выполненными из материала с малым коэффициентом
линейного термического расширения. Между опорными плитами
размещена обечайка 2 с плоскими кулачковыми элементами и кли-
новидные ползуны 9. Между обечайкой 2 и нижней опорной вли-
той 4 расположена промежуточная плита 5, зафиксированная от
проворота штифтом 7.
Соединяемые плоские мембраны 5 и 6 устанавливают между
промежуточной плитой 8 и нижней опорной плитой 4, после чего
обечайки 2 поворачивают по часовой стрелке» Клиновидные пол-
зуны 9 сходятся к центру устройства, перемещая при этом верх-
нюю опорную плиту 1 вверх, зажимая таким образом соединяемые
детали. Собранное устройство помещают в вакуумную печь.
В тех случаях, когда требуется непрерывное приложение уси-
лия сжатия к деталям в процессе их нагрева, изотермической вы-
держки и охлаждения, применяют термокомпрессиовные устрой-
ства, показанные на рис. 10.16, в.
Устройство имеет опорные плиты 5 и 8, основные стяжки 2,
изготовленные из материала с малым температурным коэффики-
ентом линейного расширения, прямоугольные клиновые планки 4,
дополнительные стяжки 7, имеющие на одном конце прорези, в ко-
торых размещены прямоугольные планки 6. Дополнительные
стяжки 7 изготовляют из материала с большим температурным ко-
эффициентом линейного расширения, чем у соединяемых детален.
Детали 1 и 3 устанавливают на нижней опорной плите 8,
сверху размещают опорную плиту 5 и осуществляют зажим с по-
мощью клиновых планок 4. Собранное термокомпрессионное уст-
ройство помешают в вакуумную печь.
В процессе нагрева за счет разности температурных коэффи-
циентов линейного расширения соединяемых деталей, опорных
плит, с одной стороны, и основных стяжек, с другой, возникает
усилие сжатия деталей, которое действует также в процессе изо-
термической выдержки. При охлаждении происходит уменьшение
линейных размеров деталей, опорных плит и основных стяжек,
причем уменьшение высот даталей и опорных плит происходит
более интенсивно, чем уменьшение длины дополнительных стяжек,
поскольку материал дополнительных стяжек имеет больший тем-
пературный коэффициент линейного расширения. Вследствие этого
верхняя часть дополнительной стяжки выходит из цилиндриче-
ского гнезда верхней опорной плиты 5 и разжимается. Верхняя
опорная плита фиксируется между разрезными головками допол-
нительных стяжек 7 и планками 6. При этом верхняя спорная
плита стремится более интенсивно переместиться вниз за счет
большего температурного коэффициента линейного растяжения
дополнительных стяжек 7, создавая тем самым усилие сжатия
деталей в процессе охлаждения.
В таких термокомпрессионных устройствах можно осуществ-
лять диффузионную сварку деталей из керамики, стекла и т. п.
54!
Разработаны термокомпрессионные устройства с регулируе-
мым усилием сжатия деталей в процессе сварки и угловым микро-
сдвигом деталей» что интенсифицирует процесс разрушения ок-
сидных слоев на соединяемых поверхностях.
Термокомпрессионные устройства 'отличаются простотой кон-
струкции, надежностью и удобством в эксплуатации. Использова-
ние серийно выпускаемого в СССР и за рубежом вакуумного терми-
ческого оборудования уменьшает капитальные вложения при внед-
рении процессов диффузионной сварки.
§ Б, ВАКУУМНЫЕ РАБОЧИЕ КАМЕРЫ
СВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК
Вакуумная рабочая камера является основным модулем
установки для диффузионной сварки (рис, 10.17). Она состоит из
корпуса 4 с водоохлаждаемой рубашкой 3, загрузочного люка 2,
в котором смонтировано смотровое окно У. В камеру через уплот-
нительные элементы введен промежуточный шток 5 системы нагру-
жения, нагревательное устройство (водоохлаждаемый индуктор) 6
и датчик температуры (термопара) 7. Соединяемые детали распола-
гают па рабочем столе 8 внутри камеры.
К материалам, используемым для изготовления вакуумных
рабочих камер сварочных установок, предъявляют следующие тре-
бования: высокая вакуумная плотность, низкое газовыделение
с поверхности как при нормальной, так и при повышенной тем-
пературах, высокая технологичность, особенно свариваемость,
коррозионная стойкость. Кроме того, при использовании индук-
ционного и электроконтактпого способов нагрева корпус камеры
должен быть изготовлен из немагнитного материала.
Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют
коррозионно-стойкие аустенитные стали типа 12Х18Н10Т. Из
этих сталей изготовляют корпуса камер, загрузочные люки и во-
доохлаждаемые рубашки. Для уплотнения ввода в камеру проме-
жуточного штока применяют, как правило, металлические силь-
фоны. Другие соединения уплотняют с помощью прокладок из
вакуумной резины, а на высоковакуумных установках —- с по-
мощью прокладок из меди. Промежуточные штоки системы нагру-
жения делают из жаропрочных или коррозионно-стойких сталей.
Поскольку рабочее усилие сжатия соединяемых деталей вос-
принимает несущая рама установки, корпус вакуумной камеры
с внешней стороны находится только под действием атмосферного
давления, поэтому стенки камеры выполняют достаточно тонкими
(табл. 10.21. Исключение составляют специальные установки для
диффузионной сварки в среде защитных газов при избыточном
давлении.
В универсальных установках для диффузионной сварки наибо-
лее часто используют вакуумные рабочие камеры, формы которых
близки к цилиндрическим. Такие камеры имеют высокую устой-
242
Рис. 10.17. Вакуумная камера
чивость при небольшой толщине стенки. В частности» широко при-
меняют камеру, периферийная часть поперечного сечения которой
выполнена в виде четырех цилиндрических сегментов, что позво-
ляет сохранять высокую устойчивость и увеличивать внутренний
полезный объем. В специализированных установках при диффузи-
онной сварке длинных изделий находят применение камеры пря-
моугольной формы.
Часто в целях удобства загрузки и выгрузки деталей рабочие
камеры выполняют разъемными, при этом место разъема может на-
ходиться в различных частях в зависимости от формы и размеров
свариваемых деталей.
Для ввода электрической энергии внутрь вакуумной камеры
используют электрические вводы. Они должны быть герметично
присоединены к камере и электроизолированы от нее.
Таблица 10.2
Рекомендуемая толщина стенок вакуумных камер
Диаметр цилин- дрической обе- чайки, мм	Толщина, мм			
	обечайки	выпуклой крышки	конусной крышки	водоохлаждае- мой рубашки
200	2,0	2,0	2,0	1,5
400	2,5	3,0	2,5	2.0
500	3,5	3,5	3,0	2,0
600	4,0	4,0	3,0	2,5
700	4,5	4,5	3,5	2,5
£00	4,5	4,5	4,0	2.5
243
Рис. 10.18. Вакуумные виолы
Электрические вводы подразделяют на гри основные группы:
низковольтные низкочастотные (напряжение до 250 В, частота
до 1500 Гц);
высоковольтные (напряжение свыше 250 В) низкочастотные;
высоковольтные высокочастотные (частота выше 1500 Гц).
В свою очередь, низковольтные вводы делятся на слаботочные
и сильноточные, последние предназначены для пропускания тока
свыше 100 А.
Площадь поперечного сечения электрического ввода должна
быть такой, чтобы плотность тока не превышала следующих значе-
ний, А/м2 : 5-106 для меди, 7-Ю5 для углеродистой стали, 2 X
X 10е для алюминия. Плотность тока в месте контакта токопот-
вода и ввода не должна превышать 2 10е А/м2.
244
Низковольтный сильноточный ввод (рис. 10.18, а) представ-
ляет собой медный стержень /, который введен в вакуумную ка-
меру через резиновый уплотнитель 3 и изолирован от нее изоля-
ционными кольцами 2. Внутри камеры к вводу подсоединен про-
волочный нагреватель 4. Сильноточный ввод имеет водяное ох-
лаждение.
Низковольтные слаботочные вводы (рис. 10.18, б) можно гер-
метизировать с помощью резинового уплотнителя /. Электроизо-
ляцию от корпуса камеры осуществляют втулками 2, изготовлен-
ными из керамики или другого электроизоляционного материала.
Слаботочный ввод (рис. 10.18, в) применяют для вывода из
камеры концов термопар. Колец термопары 1 уплотняется рези-
новым уплотнителем 2. Корпус ввода изолирован от стенки ка-
меры втулками 3 и уплотнен резиновой прокладкой 5, деформа-
ция которой ограничена керамическим кольцом 4.
На рис. 10.18, г показан ввод высокочастотного водоохлажда-
емого индуктора 1. Ввод проходит через вваренный в корпус ка-
меры патрубок 5. Герметизация осуществляется уплотнением из
вакуумной резины 4, которое зажимается фторопластовыми втул-
ками 2 с помощью накидной гайки 3.
§ 6.	ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ
Вакуумная система является неотъемлемой частью
установки для диффузионной сварки в вакууме. Независимо от
назначения сварочной установки к вакуумной системе предъяв-
ляют ряд требований, без выполнения которых невозможно осу-
ществить технологический процесс диффузионной сварки.
1.	Обеспечение требуемого давления остаточных газов в рабо-
чей камере установки диффузионной сварки. Для этого вакуум-
ная система должна быть герметичной, снабжена соответствую-
щими средствами откачки, коммутационной аппаратурой, разъем-
ными вакуумными элементами и средствами измерения давления.
2.	Обеспечение заданной производительности сварочной ус-
тановки. Для этого вакуумная система должна иметь определенную
проводимость, а основной вакуумный насос обладать необходимой
быстротой действия.
3.	Наличие средств контроля параметров, характеризующих
ее состояние.
4.	Наличие набора датчиков, осуществляющих передачу ин-
формации на ЭВМ при использовании в автоматизированных уста-
новках.
Схемы вакуумных систем. Ниже приведены принципиальные
схемы вакуумных систем, используемых в установках для диф-
фузионной сварки в вакууме.
На рис. 10.19 показана принципиальная схема простейшей ва-
куумной системы специализированных установок диффузионной
варки, для которых не требуется высокой степени вакуума.
245
Рис, 10.19, Cxvms низковакуумной системы
Система включает вакуумную рабочую
камеру 5, на которой смонтирован электро-
магнитный натекатель (клапан) 6 и установ-
лен теплоэлек1рический датчик 4 для замера
давления остаточных газов. Камера посред-
ством вакуумного трубопровода через силь-
фон 2 соединена с форвакуумным механичес-
ким ротационным насосом 1. Между ваку-
умной камерой и насосом расположен кла-
пан 3 с электромеханическим приво-
дом.
В исходном состоянии клапаны 3 и 6 зак-
рыты. С целью уменьшения адсорбции газов
на внутренних стенках вакуумной рабочей
камеры она герметизирована, внутри каме-
ры — вакуум.
Перед началом работы с пульта управления установкой откры-
вают натекатель 6 и воздух поступает в рабочую камеру, тем са-
мым разгерметизируя ее. В камеру устанавливают свариваемые
детали. Затем натекатель 6 закрывают и включают форвакуумный
насос Л открывают клапан 3 и откачивают воздух из рабочей ка-
меры. По достижении требуемого разрежения включают систему
нагрева и проводят диффузионную сварку деталей. После охлаж-
дения сваренных деталей клапан <3 закрывают и открывают нате-
катель 6, соединяя рабочее пространство вакуумной камеры с ат-
глосферой, форвакуумный насос 1 отключают.
В конце рабочей смены воздух из рабочей камеры откачивают,
закрывают натекатель 6 и клапан 3. Закрытие клапана 3 препят-
ствует попаданию паров масла из форвакуумного насоса в рабо-
чую камеру.
Описанная вакуумная система позволяет достигать в рабочей
камере степень разрежения до 1,3 Па.
Наиболее часто в установках для диффузионной сварки ис-
пользуется высоковакуумная система, показанная на рис. 10.20, а.
Вакуумная система включает рабочую камеру 5 с натекателем 6
и установленными теплоэлектрическим 3 и ионизационным 4
датчиками замера давления остаточных газов. Вакуумными трубо-
проводами рабочая камера соединена с механическим форвакуум-
ным ротационным насосом 11 и основным высоковакуумным диф-
фузионном насосом 13, Насосы соединены между собой трубопро-
водом с электромеханическим клапаном 12. Между камерой 5
и форвакуумным насосом 11 размещены клапан 9 с электромехани-
ческим приводом и сильфонная развязка 10, Основной насос 13
соединен с камерой через ловушку 1 и электромеханический кла-
пан 2. На патрубке насоса 13 установлены датчики давления 7
и 8 для контроля состояния насоса.
246
Рис. 10-20, Схемы высоковакуумных систем
В данной схеме форвакуумный насос 11 совмещает функции на-
соса предварительного разрежения рабочей камеры и вспомога-
тельного насоса, подсоединенного к выпускному патрубку диф-
фузионного насоса 13.
Вакуумная система работает следующим образом. В исходном
состоянии клапаны Р, 2, 12 и натекатель 6 закрыты, а натека-
тель открыт. Воздух в рабочей камере 5 находится в разре-
женном состоянии.
Перед началом работы открывают клапан /2, включают форва-
куумный насос И и нагреватель диффузионного насоса 13. Разог-
рев масла в диффузионном насосе до рабочей температуры длится
40—45 мин (масло ВМ-1). После такой подготовки открывают нате-
катель 6 и напускают воздух в рабочую камеру, т. е. разгермети-
зируют ее. Затем в камеру устанавливают свариваемые детали,
герметизируют ее, закрывают клапан 12, отсоединяя таким об-
разом форвакуумный насос от диффузионного. Затем открывают
клапан 9 и производят предварительное разрежение с помощью
форвакуумного насоса. Отсоединение форвакуумного насоса от
диффузионного на период предварительной откачки является
обязательным ввиду необходимости предохранения нагретого
масла диффузионного насоса от окисления воздухом, находящимся
в рабочей камере.
Произведя предварительное разрежение в камере до давления
13,3 Па, закрывают клапан 9 и открывают клапан 12, соединяя
основной и вспомогательный насосы.
247
Через 30—60 с — время, необходимое для вывода диффузио» •
него насоса на номинальный режим работы» — открывают кла-
пан 2 и производят окончательную откачку воздуха из вакуумной
камеры до заданного давления Затем включают систему нагрева
и начинают диффузионную сварку деталей. После охлаждения
сваренных деталей до требуемой температуры закрывают клапан 2,
открывают натекатель 6 и напускают воздух в рабочую камеру.
Произведя замену деталей в рабочей камере, цикл повторяют.
После окончания рабочей смены вакуумную камеру гермети-
зируют, закрывают натекатель 6 и клапан 12, открывают клапан 9
и откачивают воздух из камеры 5 форвакуумным насосом. Затем
клапан 9 закрывают и открывают клапан 12, после чего отключают
нагреватель диффузионного насоса. Охлаждение масла в диффузи-
онном насосе происходит за 30—45 мин, при этом форвакуумный
насос продолжает работать, создавая разрежение на выпускном
патрубке основного насоса.
После охлаждения масла клапан 12 закрывают и отключают
форвакуумный насос.
На рис, 10.20, б приведена схема вакуумной системы, в которой
в качестве основного использовал турбомолекулярный насос /.
Данная система состоит из вакуумной рабочей камеры 5
с натекателем 6 и датчиками давления 3, 4. Предварительная от-
качка, а также откачка из выпускного клапана основного насоса
проводится с помощью форвакуумного насоса 12, соединенного
с камерой через сильфон 10 и клапан 9.
Поскольку турбомолекулярные насосы практически не загряз-
няют вакуумные рабочие камеры парами и продуктами крекинга
масла, ловушку между насосом и камерой можно не устанавливать.
Это дает возможность снизить стоимость вакуумной системы и по-
высить ее проводимость.
Контроль работы турбомолекулярного насоса осуществлют
с помощью датчиков давления 7 и О целях предотвращения по-
падания масла из форвакуумного насоса в рабочую камеру и ос-
новной насос в вакуумной системе используют масляные фильтры
И и 13.
Принцип действия данной вакуумной системы такой же, как
и системы на базе диффузионного насоса. Обе вакуумные системы
позволяют получать давление остаточных газов в рабочей камере
1,3-10“* Па (без ловушки) и 1,3-10’5 Па (с ловушкой).
Для повышения надежности вакуумных систем и повышения
ПрОИЗВОДИТеЛЬНОСТИ ДИффузИОННЫХ СВарОЧНЫХ VCTaHOBOK можно
использовать системы с двумя форвакуумными насосами. Один
будет выполнять функции насоса предварительного разрежения
вакуумной рабочей камеры, а другой — функции вспомогатель-
ного насоса, создающего разрежение на выпускном патрубке
основного насоса. Принцип действия этой системы тот же, что и
у высоковакуумных систем, приведенных выше. Однако при работе
этой системы нет необходимости отключать форвакуумный вспомо-
24Я
гательный насос от основного на период предварительного разре-
жения в рабочей камере сварочной установки
В качестве перспективных можно рассматривать централизо-
ванные вакуумные системы, которые смогут обслуживать рабочие
камеры нескольких установок, расположенных на участке или
в цехе.
С повышением производительности и уменьшением стоимости
адсорбционных, испарительных и конденсационных насосов в пер-
спективе возможно создание вакуумных систем на их основе для
установок диффузионной сварки.
Вакуумные насосы. Для откачки воздуха и используемых за-
щитных газов из рабочих камер установок диффузионной сварки
лужат вакуумные насосы. Ниже приведена классификация насо-
сов по назначению к принципу действия.
По назначению вакуумные насосы подразделяют на низкова-
куумные, обеспечивающие давление остаточных газов в рабочей
камере 1,33 • 102—1,3 • 10“* Па, и выссковакуумные, обеспечивающие
давление iy3'10 2—1,3-10“5 Па.
По принципу действия их подразделяют на механические
(объемные и молекулярные), ионные, ионно-сорбционные, сорб-
ционные (испарительные, адсорбционные, конденсационные). В
гвою очередь, объемные механические насосы бывают поршневы-
ми, ротационными и жидкостно-кольцевыми, а молекулярные ме-
ханические — водоструйными, эжекторными, диффузионными и
турбомолекулярными.
В установках для диффузионной сварки нашли применение
механические насосы; при этом в качестве насосов предваритель-
ного разрежения (низковакуумных) используют объемные рота-
ционные насосы, а для создания высокого вакуума — эжектор-
ные, диффузионные и турбомолекулярные насосы (табл. 10.3).
Эксплуатационными характеристиками вакуумного насоса яв-
ляются:
1.	Быстрота действия SF, т. е. объем газа Уъ удаляемого
насосом в единицу времени t через входной патрубок при давлении
Pi, м*/(Па-с):
5И = dVlfdt.
2.	Эффективная быстрота откачки .S^, т. е. объем V2 газа,
поступающего из откачиваемого объекта через выходной патрубок
в единицу времени при давлении р2, м3/с:
~ dVJdt.
3	Коэффициент использования К*.
К И-
4.	Поток газа Q, проходящий через входное сечение насоса.
мэ-Пз/с
249
Таблица 10-
Рабочее давление вакуумных насосов, используемых в установках
для диффузионной сварки
Рабочее давление, Па
Тип насоса	наименьшее	наибольшее
Ротационный	10’®	10®
Эжекторный	10’1	ю4
Диффузионный	10"7	10’»
Турбомолекулярный	10“’	10»
5.	Предельное давление рпр (Па) — минимальное давление,
которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объек-
та.
6.	Наименьшее раб очее давление рБМ (Па) — минимальное
давление, при котором насос длительное время сохраняет номи-
нальную быстроту действия.
7.	Наибольшее рабочее давление рИ(5 (Па) —максимальное дав-
ление, при котором насос длительное время сохраняет номиналь-
ную быстроту действия.
8.	Давление запуска рв (Па) — максимальное давление во
входном сечении насоса, при котором он может начать работу.
9.	Наибольшее выпускное давление /?в (Па) — максимальное
давление в выходном сечении насоса, при котором он может осу-
ществлять откачку.
Следует отметить практически важные соотношения между
эксплуатационными характеристиками вакуумных насосов: рнм
> Рпр (Рим ~ Wup); Рз » Рнб- Первое соотношение определя-
ется экономическими соображениями, второе — принципом дей-
ствия насосов, используемых в установках диффузионной сварки.
Зависимость быстроты откачки S от давления р, являющаяся
основной характеристикой вакуумного насоса, приведена на
рис. 10.21. Принцип действия механических объемных ротацион-
ных форвакуумных насосов основан на изменении объема рабо-
чей камеры. В процессе откачки происходит всасывание газа в ре-
зультате увеличения объема рабочей камеры; сжатие находяще-
гося в камере газа вследствие уменьшения объема камеры и уда-
ление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или в насос
предварительного разрежения.
Наиболее часто применяют пластинчато-роторные и пластин-
чато-статорные механические насосы. Для обеспечения герметиза-
ции соединений и снижения потерь на трение оба насоса работают
в масляных ваннах.
Ротационные насосы. Пластинчато-роторный на-
сос (рис. 10.22, а) состоит из цилиндрического корпуса 8 с впуск-
ным патрубком 5, внутри корпуса эксцентрично расположен
250
ротор 7, в пазах которого установ-
лены пластины 6, подпружиненные
пружиной 2. Для удаления воз-
духа или газа предусмотрен вы-
ходной патрубок 4, который для
предотвращения попадания масла
в рабочую камеру снабжен клапа-
ном 5. Ротор насоса приводится в
Рис. 10.21. Основная характери-
стика вакуумного насоса
движение электродвигателем пе-
ременного тока. Насос снабжен
газобалластным устройством /.
При вращении ротора 7 под действием центробежных сил пла-
стины 6 прижимаются к корпусу, обеспечивая в процессе одного
оборота изменение объема, рабочей камеры насоса. Начальное при-
жатие пластин 6 обеспечивается пружиной 2. Для повышения
быстроты действия в роторе насоса устанавливают несколько
пластин (многопластинчатые роторные насосы), а для снижения
предельного давления в одном корпусе последовательно разме-
щают две рабочие камеры (двухступенчатые роторные насосы).
Пластинчато-статорный насос (рис. 10.22» 6} имеет цилиндри-
ческий корпус 1 с впускным 7 и выпускным 3 патрубками. Послед-
ний имеет клапан 4, В корпусе эксцентрично расположен ротор 2.
Через прорезь в статоре в камеру введена пластина 5, которая
прижимается пружиной 6.
При вращении ротора за первый оборот происходит всасыва-
ние газа в рабочую камеру, а за второй — удаление газа в атмо-
сферу или в насос предварительного разрежения. Прижатием
пружины 6 пластины 5 к ротору 2 обеспечивается герметичное
разделение областей всасывания и сжатия откачиваемого газа.
Основные характеристики форвакуумных механических рота-
ционных насосов приведены на рис. 10 23, а их технические
характеристики в табл. 10.4.
6
я)
Рис. 10.22. Схемы пл астин чато-роторною (с) и пластинчато-статорного {6}
насосов
Т а б л и ц а 10.4
Техническая характеристика механических ротацноняых насосом
Примечание. Наибольшее выпускное давление у всех насосов 1,3 Па.
252
S„,MJf(rioc)
гдвн-коо
Рис. 10.23. Характеристик!л механических форвакуумных насосов (-----------
лабораторные образцы)
У механических форвакуумных насосов /Си ж 0,84-0,9.
Турбомолекулярные н &*. с о с ы. Схемы турбомоле-
кулярных насосов с горизонтальным и вертикальным располо-
жением вала ротора приведены на рис. 10.24.
В цилиндрическом корпусе насоса 1 установлены неподвижные
статорные кольца 2, между которыми вращаются закрепленные на
валу ротора диски 3 с симметричными прорезями 4.
В насосе с горизонтальным расположением вала ротора входя-
щий поток газа разделяется на два параллельных потока, которые
соединяются в выходном патрубке.
Вращающиеся роторные диски передают количество движения
молекулам газа, и последние постепенно перемещаются от секции
Рис. 10.24 Схемы турбомолекулярных н.эсосов с горизонтальным (а) и верти-
кальным (б) расположением вала ротора
253
Рис. 10.25.. Характеристики турбокиле-
кулярвых насосов
Рис. 10.26. Схема эжекторного насоса
к секции, двигаясь от входного патрубка к выходному. Зазор
между роторными и статорными кольцами может составлять 1,0—
1,2 мм, что обеспечивает необходимую надежность работы турбо-
молекулярного вакуумного। насоса.
Опоры вала ротора выполняются в виде подшипников качения,
на магнитных подвесах или газовой подушке.
К достоинствам турбо?молекулярных насосов относятся прак-
тически полное отсутствие, загрязнения вакуумной камеры парами
и продуктами крекинга масла, широкий диапазон рабочих дав-
лений. Так как давление запуска турбомэлекулярного насоса
меньше атмосферного, требуется установка вспомогательного на-
соса.
Основные характеристики турбомолекулярпых насосов при-
ведены на рис. 10.25, а их технические характеристики — в
табл. 10.5.
Эжектор м ы е и диффузионные насос ы.
Эжекторный и диффузионный насосы относятся к пароструйным
насосам. Эжекторь ый насос (рис. 10.26) представляет собой ци-
линдрический корпус 3 с впускным 1 и выпускным 6 патрубками.
В нижней части корпуса смонтирован кипятильник <5, а на выход-
ном патрубке ’расположен холодильник 5 в виде водоохладитель-
ной трубки. Е> корпусе насоса установлен паропровод со сверх-
звуковым эжекторным соплом Лаваля 2. За соплом Лаваля име-
ется теплоизолированная от корпуса камера смешения 4, а вы-
ходной патрубок соединен с нижней частью корпуса трубопрово-
дом 7.
Залитое у», насос вакуумное >масло нагревается кипятильником 8,
пар по паропроводу 9 поступает в сопло Лава.ля 2 и со сверхзвуко-
вой скоростью выходит из него. При этом в камере смешения моле-
кулы га'за, находящиеся в пограничном с паровой струей слое,
пол уча? от количество движения от паровой струи и за счет внутрен-
него тгрения увлекают другие слои газа. В холодильнике 5 масло
конде нсируется на стенках и гко трубопроводу 7 стекает обратно
в ки дятильник.
254
Рис. 10.27. Схемы одноступенчатого (с) и многоступенчатого (б) диффузионных
насосов
На рис. 10.27, а приведена схема простейшего одноступенча-
того диффузионного насоса. Как и эжекторный, этот насос выпол-
нен в виде цилиндрического корпуса 1 с впускным 2 и выпуск-
ным 6 патрубками. В нижней части корпуса расположен кипя-
тильник 7, холодильник 4 в виде водоохлаждаемой трубки уста-
новлен на стенках корпуса. Внутри корпуса размещен паропро-
вод 5 с диффузионным соплом 5.
В отличие от эжекторного в диффузионном насосе молекулы
газа диффундируют внутрь паромасляной струи после ее выхода
из сопла 3, но перед попаданием на стенку корпуса 7, где и про-
исходит конденсация масла.
Диффузионные насосы, работающие в интервале рабочих дав-
лений 10"г—10 Па, называются бустерными. Их устанавливают
между механическим форвакуумным и высоковакуумным насо-
сами в целях предотвращения попадания масла из форвакуумного
в высоковакуумный насос.
На рис. 10.27, б показана схема высоковакуумного многосту-
пенчатого пароструйного насоса с двумя диффузионными 1 и 2
и эжекторной 3 ступенями откачки. Все ступени питаются от од-
ного кипятильника 4. У диффузионных насосов /Си 0,5.
Такие насосы имеют низкое рабочее давление, а также, вслед-
ствие наличия эжекторной ступени, более высокое давление за-
пуска.
Основные характеристики диффузионных насосов приведены
на рис. 10.28, а их характеристики — в табл. 10.6.
Для получения требуемого давления запуска высоковакуум-
ного насоса, которое ниже атмосферного, требуется насос предва-
255
Таблиц? i 0 ft
Те х н и че с к а я х ар а ктер и пика и ар ом асл иных н асосо г-
j X	]• КГ1- 2-10	У	II о	Я 2 о	„	Ю	о to- й	о ‘о	О"’	CD 2	2	сс <О		 QT, С*>	X W <
					 	 W 1 - 	чг V4	С”4 о	м *• 'Г	2	2	го	О	Ю О	и? j	О	i	о со о	<х J	‘g	"7	0	JO	<С	СЧ 1	'с	ч 2	V3 *7	ос	
Г о“’Н	•	ю о	£ •	*	Ч и?	Я	о СО	о о со Я	S	•	о lO со	g J	^2	CD	04	U0 •	—	X S	to Ю .	uD	
« у г—’	V	° CD	i£i	1 «	y<	i 2	О	CD	СЧ	О СЧ	О	«ГМ о	5:	-	& co т*	gj J	IC	О	—	04 J	co	\	
Н-Ю 5	<л О	CD •	‘q 7	g	о	*	O	<-	g	о I	2	—	о	co	—	2	— T	co	у 2	о 1Л	
» ш о •J4 <	”	c ь	S д	Г	X U5	—	7"	g 71	*“4 о	X	j to	
» зраитеристика	Рабочий диапазон давлений, Ня Производительность в рабо- чем диапазоне давлений, 10":< м3/с Предельное давление, Па Наибольшее давление за- пуска, Па Диаметр патрубка, мм: впускного выпускного Габаритные размеры, мм Масса, кг	
256
Рис. 10.28. Характеристики
диффузионных насосов
(----------лабораторные об-
разцы)
рительного разрежения. При выборе параметров такого насоса
нужно основываться на том, что поток откачиваемых газов дол-
жен быть одинаковым в любом сечении вакуумной системы, т. е.
в фиксированный момент времени для основного высоковакуум-
ного насоса и насоса предварительного разрежения, соединенных
последовательно, должно выполняться равенство
Sa. осн Pi	SH. всп р2>
где SH. осн — быстрота действия основного насоса при давлении
на входе рг; 5н.Всп —быстрота действия вспомогательного на-
соса при давлении на входе р2.
Давление р2 на входе во вспомогательный насос должно быть
не больше наибольшего выпускного давления основного насоса,
обычно р2 = (0,7(Н-0,75)рв.
Таким образом, вспомогательный насос должен не только уда-
лять определенное количество газов в единицу времени, но и
поддерживать выпускное давление не выше давления на выходе
основного насоса.
Быстрота действия вспомогательного насоса
SB. всп “ Q,msxjp29
где Qmax — наибольший поток газов, который может быть удален
основным насосом (находится по характеристике насоса).
Диаметр трубопровода, соединяющего насосы, выбирают не
меньше диаметра выпускного патрубка основного насоса. Затем
определяют режим течения газа в соединительном трубопроводе
и находят его проводимость. После определения проводимости
соединительного трубопровода проверяют выполнение неравенства
п	_ Qmax _. Qmax (U + псп)
Л'ВЫП. ОСН г»	пп
° эф	вен
где рвып. осн — выпускное давление основного насоса; U — про-
водимость; SH. всп — быстрота действия вспомогательного насоса.
Если неравенство не выполняется, то следует выбрать вспомо-
гательный насос с большей быстротой действия или увеличить
п роводимость соединительного трубопровода.
9 В. А. Бачин
257
Таблица 10*7
Зависимость степени вакуума от критерия Кнудсена
Критерий Кнудсена	Диапазон давлений, Па	Степень вакуума
«1	1,3’ 104—1,3- 10е	Низкий вакуум
^1	1,3-102—1,3- Ю’1	Средний вакуум
>1	1,3-КГ2—1,3-10-*	Высокий вакуум
>1	<1,3*10-6	Сверхвысокий вакуум
При эксплуатации вакуумных систем часто требуется исклю-
чить проникание масла из вспомогательного механического насоса
в кипятильник основного диффузионного насоса. Эту проблему
можно решить двумя путями. Во-первых, между основным и вспо-
могательным насосами установить ловушку; во-вторых, межцу
насосами установить промежуточный, так называемый бустерный
насос (как правило, тоже диффузионный) с большим запасом по
производительности. Второй путь более эффективный, но и более
дорогой.
Расчет вакуумных систем. Целью расчета вакуумных систем
установок для диффузионной сварки является выбор средств от-
качки (насосов предварительного и окончательного разрежения),
коммутационной аппаратуры, определение времени предваритель-
ного разрежения и времени достижения рабочего вакуума.
Вид зависимостей, используемых при расчете вакуумных си-
стем, определяется глубиной вакуума и режимами течения газа
по элементам системы. Степень вакуума и границы режимов тече-
ния газа определяются безразмерным критерием Кнудсена
(табл. 10.7):
Kn = UdQ^	(Ю .1)
где L — средняя длина свободного пути молекулы; — эф-
фективный размер вакуумной камеры, = 4V,'f; здесь V—-
объем вакуумной камеры; F — площадь внутренней поверхности
камеры.
При низком вакууме частота соударений молекул газа друг
с другом преобладает над частотой соударений молекул газа со
стенками сосуда, при среднем вакууме частоты соударений при-
близительно равны, при высоком вакууме частота соударений мо-
лекул газа со стенками сосуда преобладает над частотой соуда-
рений молекул газа друг с другом.
В табл. 10.8 приведены режимы течения газа по элементам
вакуумной системы в зависимости от значения критерия Кнудсена.
Для воздуха при нормальной температуре L = 6,2-10‘s/p,
тогда
Кп — 6,2-10~3/(рБйнф),	(10.2)
где — давление воздуха
258
1 fl 6 'i и о I0.fi
Режимы течения газа в в&куумных системах
Значение
»ежын ¥еч£Е1£п ?илг.
ва ранее
BPf&BEC
Вязкостным
Ч элекулярно-пя; костный
Молекулярный
Атмосферное давление
В низком вату уме преобладает вязкостный режим течения газа
Три этом режиме характер распределения скорости газа в по-
перечном сечении вакуумпровода определяется силами впутрен-
его трения. В момент пуска вакуумного насоса наблюдается инер-
ционный (или турбулентный) режим течения газа, при котором
актерно образование вихрей. Поскольку инерционный нежим
уществует короткий промежуток времени, в дальнейшем его
рассматривать не будем.
При молекулярном режиме течения газа, который характерен
оля высокого вакуума, происходит независимое перемещение
дехьных молекул.
В среднем вакууме преобладающее значение имеет молекупяр-
jo-вяз костный режим течения газа.
Стационарный газовый поток по элементам вакуумной системы
рассчитывается по формуле
<2=1/ (Р! — р2)
(10.3)
ie Ь коэффициент пропорциональности, называемый ирово-
'?шгтт.,ю эл^лшнта вакуумной системы; р: и р{ — давление на
юннах элемента вакуумной системы.
Проводимость элемента вакуумной системы численно равна
бъему газа, протекающего чепез элемент в единицу времени при
мзвости давлений на концах элемента, равной единице
Для параллельно соединенных /V элементов вакуумной системы
пая нрогэдимоегь равна сумме проводимостей отдельных эле-
мен гав:
Для последовательно соединенных N элементов
Проводимость элементов вакуумной системы зависит от степени
•акуу’иа и режимов течения газа
259
Формулы для расчета проводимости различных элементов при-
ведены в табл. 10.9—10 12.
В области среднего вакуума при молекулярно-вязкостном ре-
жиме течения газа проводимость элемента определяется по полу-
змпирическсй формуле
U*D = Ub + С'в<	(10.6)
где L/MB и 47в — проводимости в молекулярно-вязкостном и вяз-
костном режимах; b — коэффициент, равный 0,8 на границе с вяз-
костным течением газа и равный 1.0 на границе с молекулярным
течением: в технических расчетах можно принимать о - 0,9.
Проводимость элементов вакуумной системы зависит также
от вида газа и его температуры.
Зависимость проводимости системы от вида используемого
газа приведена ниже (в числителе значение U при вязкостном ре-
жиме, в знаменателе при молекулярном):
Газ .	Воздух На Не2 Аг Водяной
чар
О	1/1	2,1/378 0.98/2,67 0,82/0,85 1,9/1,26
Для учета температуры газа необходимо ввести поправку
где [79.,3 — проводимость элемента вакуумной системы при
Г - 293 К.
Эффективная быстрота действия вакуумного насоса, быстрота
действия насоса и проводимость связаны основным уравнением
вакуумной техники
!/ХЛф - 1/S„ = 1/СЛ	(10.8)
Эго уравнение можно записать в виде
5эф S(//(SH + UY
(10.9)
Для расчета вакуумной системы необходимо знать существую-
щий баланс газовых потоков*. Газовый поток, откачиваемый на-
сосом, определяется по формуле
Ql’ — Quan ”h Qa + Qp “Г Сн*
(10.10)
где QHa4 — поток газа в начальный момент откачки из вакуумной
камеры; QT — поток газов, выделяющихся из свариваемых де-
талей, нагревателей, экранов (технологическое газовыделение);
Qr — поток газов, выделяющихся из конструкционных материалов
вакуумной камеры; — поток газа, натекшего в камеру через
разъемные соединения.	I
Поток QHa4 существует в начальный период неустановивше-
гося режима работы и определяет время предварительного раз-
режения Технологическое газовыделение определяется материа-
Таблица 10.9
Формулы для расчета проводимости элементов вакуумной системы при прохождении
воздуха (Т — 293 К)
Элемент системы
Вязкостный ргжиы
Мо окулярный режим
Отверстие
щадью /1^
ВЛО-
_ 116 A KL
1 — Л/Л/
где Kj — коэффициент (см
табл. 10.10)
где А—площадь сечения сосу-
да, из которого истекает газ.
п Р1 ^ЛСОО it 200А
При — С 0,528 U—---------
Ра	f Pi
Р2
Трубопровод дли-
ной I и диамет-
ром d
d4
U = L:36-108
При l/d < 100
680J4 (Р14- р2)
<р
12i	К2,
где Ай — коэффициент (см
табл. 10.11)
Трубопровод пря-
моугольного сече-
ния а X b (d^b)
и = 865 Л8 —	, V	с.2Ь2 и~Ж8КЧ(а^Ьу
где Кя — коэффициент (см. табл. 10.12)	где К4 — коэффициент (см табл. 10.12)
Трубопровод с
равносторонним
треугольным сече-
нием
Pl+P-2
U = 48 1
где а —сторона треугольника
U ~ 299
2
Трубопровод эл-
липтического сече-
дня
где а и b — большая и ма-
лая оси
261
Продолжение 10,9
ЗлеъшнФ сяетрьш •	йчзкосуннй рк-зкя?
Мо^екулярнгаА режим
Трубопровод диа-
метром d с коач-
сиально располо-
женным стеганем
диаметром 1е
(d - dc)s (o' - dc)
г
Кран с проходным
гверстием диа-
метром d
kf — (J,5-5-0,71 С о< и»
где I/. . в - проводимость
отверстия в вязкостном ре-
жиме
(0,06 -0,15)
| где Uо. м — проводи Л1 -„ть
| отверстия молекулярном
режиме
П р и м е ч в и е. При рас* t проводимости трубопровода изгибами
вместо I поставляют Г, ог*речеяяемое по формул? ' I 2,6.9 '. - гдё <р
угол отклонения ipyбодро* да от прямой: п — число изгиоов.
Т абл ица IOJO
Значения коэффициента Ку
» dLid	« 1	1 к	< 1 1	dl/u 1 1	!	J Id	к
—' CN СО о сое <	1,000 : ,оо2 1,007 1.017 .. . .. . -	1 0 1'- > '» 0,0 0,6 0J	1 ,пзэ ’ ,04< 1,07 4 L107	0.8 0.9 0.9 1.0 1		1.32 ,216 1,21b 1.333 1
Таблица 10.11
Значения коэффициенте Я. ?
С fh I 1	^4	1 prf 1	1 К 1 с	г/<г	и <• 1 }[		к.
0,05	0,036	0,6	0,28	6,0	0,77	60,0	0,97
0,06	0.055	0,8	0,30	8.0	0,81	80,0	0,98
0,10	0,0Ь8	I 1,0	0.38	10,0	0,84	100,0	1.00
0,20	0,130	2,0	0,54	20,0	0,91	100,0	1,00
0,40	0,210 1	]	4,0 3	0,70 >	40.0	0,95 I		1
лами свариваемых деталей, их
массой, а также температурой
нагрева деталей под сварку:
к п
—	(10.11)
где К — коэффициент, учитыва-
ющий неравномерность процесса
газовыделен ин но времени
(К = 1,5ч-3,0); тв—общее время
нахождения свариваемых дета-
лей в вакууме; Gt — масса г-го
Таблица 10.12
Значения коэффициентов Кя и
a/f)	К.	к*
I	2,3	и
2	3,7	1,2
5	4.7	1,3
10	5,0	1,4
100	5,3	м
газовыделение из
1-ГО
нагреваемого элемента;
Qi — удельное
нагреваемого элемента при данной температуре; п — число на-
греваемых элементов (деталей, нагревателей, экранов).
При расчете времени предварительной откачки в первом при-
ближении можно принять, что происходит только газовыделение
с поверхностей заготовок. Величина газового потока, поступаю-
щего в вакуумную камеру в результате газовыделения с поверх-
ностей заготовок и элементов конструкции, обращенных в ва-
куум, находится по формуле
(10.12)
где — скорость удельного газовыделения г-го материала, об-
ращенного в вакуум; 171 — площадь поверхности Z-го материала;
п — число материалов, обращенных в вакуум.
Скорости удельного газовыделения с поверхностей некоторых
материалов при нормальной температуре приведены на рис. 10.29.
Натекающий в вакуумную камеру поток газа определяется по
формуле
(10.13)
где т — число последовательно проверенных соединений, в слу-
чае проверки сразу всей вакуумной системы m — 1;	— ве-
роятность существования течи, которую нельзя определить с по-
мощью течемскателя, Кв = 0,14-0.3; QTe4— наименьший поток,
регистрируемый течеискателем.
При испытаниях установок для диффузионной сварки обычно
применяют гелиевые масс-спектрометрические течеискатели типа
ПТ14; при этом испытывается, как правило, сразу вся вакуумная
система установки. Для течеискателя типа ПТИ QTe4 6,7 X
X Ю^11 м3 Па/с. Для систем установок для диффузионной сварки
= 0,3.
Эксплуатация вакуумных систем установок для диффузионной
сварки имеет ряд особенностей по сравнению с эксплуатацией ана-
логичных систем другого термовакуумного оборудования. Время
нагрева деталей под сварку и изотермической выдержки, как пра-
263
Рис. 10.29. Скорости удельных
газовыделений с поверхностей
различных материалов:
1—алюминий; 2 — сталь; 3 —
латунь; 4—коррозионно-стойкая
сталь; 5 — медь; 6 — прот-
равленная медь
вило, не превышает 1,5 я,
за исключением диффузи-
онной сварки деталей из
стекол, керамики и неко-
торых подобных материа-
лов. При высоких скорос-
тях нагрева с поверхностей
свариваемых деталей про-
исходит интенсивное газо-
выделение, что может при-
вести не к уменьшению,
а к росту газового потока
во времени. Это, естествен-
но, приводит к росту дав-
ления остаточных газов в
вакуумной рабочей камере. Данное обстоятельство необходимо учи-
тывать при проектировании вакуумных систем специализирован-
ных установок для диффузионной сварки. В универсальных уста-
новках для поддержания заданного давления остаточных газов
приходится уменьшать скорость нагрева свариваемых деталей.
В процессе охлаждения сваренных деталей, газовыделение
с их поверхностей резко уменьшается и обеспечение требуемой
степени вакуума не вызывает осложнений.
Расчет вакуумных систем проводят в два этапа: сначала де-
лают проектный расчет, затем поверочный. Исходными данными
для проектного расчета являются:
полное (иногда и парциальное) давление остаточных газов в ра-
бочей камере р;
давление газов после предварительного разрежения рпр;
размеры вакуумной камеры, ее материалы, а также материалы
технологической оснастки;
материал и размеры свариваемых деталей;
закон изменения во времени температуры сварки;
время предварительного разрежения /пр;
время достижения заданного рабочего давления /8ад.
Проектный расчет выполняют в следующей последователь-
ности:
1.	По заданным значениям полного и парциального давлений
газов выбирают типы вакуумных насосов, обеспечивающих необ-
ходимую откачку (см. табл. 10.3).
2.	Определяют суммарный газовый поток до начала нагрева
деталей по формулам (10.10)—(10.13).
264
3.	Принимая газовый поток постоянным во времени, рассчи-
тывают	необходимую быстроту откачки рабочей	камеры по формуле
59ф = Qz/p.	(10.14)
4.	Вычисляют	необходимую номинальную	быстроту	действия
основного насоса
Sb = S^/Kh,	(10.15)
где Sh и 5эф — расчетные значения номинальной и эффективной
быстроты действия насосов.
5.	По найденному значению быстроты откачки выбирают основ-
ной насос (см. табл. 10.5 и 10.6).
6.	Выбирают или разрабатывают принципиальную схему ва-
куумной системы установки.
7.	По паспортным данным выбирают вспомогательные насосы
и насосы предварительного разрежения. В зависимости от выбран-
ной схемы вакуумной системы вспомогательный насос и насос
предварительного разрежения могут быть самостоятельными либо
один форвакуумный насос может поочередно выполнять функции
как вспомогательного насоса, так и насоса предварительного раз-
режения.
8.	Назначают предварительные размеры вакуумных трубопро-
водов, выбирают коммутационную аппаратуру и средства изме-
нения давлений.
9.	Находят быстроту откачки вакуумной рабочей камеры на-
сосом предварительного разрежения
ВСП ~ ВСП^И. всп»
где 5эф, всп и SH. всп — эффективная и номинальная быстрота
действия вспомогательного насоса.
10.	Определяют свободный объем вакуумной камеры и объем
части трубопроводов от камеры до кранов.
11,	Вычисляют время предварительного разрежения по фор-
муле
у_______V I Рнач
*пр — о	111 п ’
°эф. всп А'пр
где рнач — начальное давление; рпр — давление предваритель-
ного разрежения.
Исходными данными для поверочного расчета являются сле-
дующие:
назначенные при выполнении проектного расчета типоразмеры
насосов;
назначенные размеры вакуумных трубопроводов и коммута-
ционное оборудование.
Поверочный расчет выполняют в следующем порядке.
1.	Уточняют величину потока газа с учетом изменения его
во времени. Время нагрева и изотермической выдержки разбивают
265
на участки, на которых поток газов считается постоянным. Для
каждой точки но формулам (10.10)—(10.13) находят суммарный
газовый поток
2.	Согласно критерию Кнудсена определяют режимы течения
газа по элементам вакуумной системы.
3.	В зависимости от режимов течения газа находят проводи-
мость отдельных элементов и общую проводимость участков ва-
куумной системы [см. табл. 10.10 и формулы (10.4), (10.6)1
4.	По основному уравнению вакуумной техники рассчитывают
быстроту откачки газа из рабочей камеры
5.	Уточняют время предварительной откачки и проверяют
его соответствие заданному значению.
6.	Находят давление остаточных газов в камере для каждого
выделенного участка по формуле
Р - Qs/S^.	(10.16)
Строят зависимость р = р (f), по которой проверяют соответствие
давления газов в рабочей камере во время нагрева и изотермиче-
ской выдержки заданному давлению, а также находят время
достижения заданного давления.
7.	Проверяют возможность совместной работы основного и
вспомогательного насосов.
Пример. Рассчитать параметры вакуумной системы, используя следующие
исходные данные:
свариваемые детали—цилиндры диаметром dn — 0,05 м и высотой Лд =
0.04 м из стали Ст10;
режим диффузионной сварки: полное давление остаточных газов во время
изотермической выдержки р3 1,3-10~2 Па, время достижения заданного дав-
ления т3 = 10 мин, температура сварки Тсв = 1373 К, время нагрева деталей
ти = 40 мин, время изотермической выдержки тв = 20 мип;
время тПр предварительного разрежения до давления рпр = 6,5 Па пс должно
превышать 9 мин;
материал вакуумной рабочей камеры—сталь 12Х18Н10Т, материал нагре-
вательного элемент'! индуктора — протравленная мель;
вакуумная камера выполнена в виде куба (рис. 10.30) с ребром 0.4 м,
диаметр Рпр и высота Нлр прижима — соответственно 0,06 и 0,05 м; диаметр
штока Пшт= 0,04 м, высота штока в камере Ншт = 0,1 м; диаметр Dcr и высота
Нст стола — соответственно 0,1 и 0,05 м; диаметр индуктора [)„ — 0,07 м, диа-
метр индуктирующего провода с!я 0.01 м, шаг провода индуктора Нл ~
— 0,012 м; длина провода индуктора до ввода в камеру Ьл 0,165 м;
размеры трубопроводов и коммутационной аппаратуры следующие, м:
Zn 0,2: /12 = 0,2; lls = 0,05; 1и = 6,1; Z21 = 0,6; /й2 = 0,2; /2Я = 0J2; Z81 =
- /33 = 0,08; /зг= 0,12.
Проектный расчет. 1. Исходя из заданного давления остаточных газов в ва-
куумной рабочей камере, по данным табл. 10.3 выбираем в качестве основного
насоса диффузионный паромасляный насос, в качестве вспомогательного — ме-
ханический объемный ротационный насос.
2. Определяем суммарный газовый поток, поступающий в вакуумную ка-
меру до начала нагрева свариваемых деталей. На этой стадии расчета принимаем,
что газовый поток не изменяется во времени. Предварительно принимаем, что
диаметры трубопроводов dj == 0,1 м; = 0,05 м. Площадь поверхности сваривае
мых деталей, обращенная в вакуум,
/7Д = эт</п-2Дп = 3114>0,05-2-U.04	0,0126 м*
266
Pvr 10,30. К p.«счесу вакуумной системы
Площадь мл реи ней поверхности вачухмнсш <зтнерга
л . «- _	_ ill-«££. SKA».
ь к 4	4	4	4
Площадь поверх ногти прижй*.
0.052)
“F Л^чр^пр
3.14 (0,062
4
ЗП4(0Д)6л -0,04а)
+ 3,14-0,06-0,0b
= 0,0113 м®.
Площадь поверх пости штока
ЛШ1 Я1)шт«шт - 3.14-0 04-0,1 - = 0 0126 №
Плошать поверхности стола
,7 я (Х-г - -л) L ^Х-Т „ „	3,U (0..'-0.053) . 3,14-0,Г
пс . _--------------р	-п уст/7ст ——~ 4	4	4 " ”
+ 3.14-0,1-0,05	0,0294 ?ла,
ft.iwi ль поверхности инчукпн
'г г if Я 4*"
" 1 г?т-
/ 9Л) 04	\
з • J.0 01 ( +±_2з.н-о.пг 4 ?>0J65 ‘ -0.050»
V 0 0; 2	/
?К<
Плотадь поверхности трубопровода от камеры до затвора
/7TpJ - nd1(Z12+ /12) = 3,14-0,1 0,2 4- 0,2	0,1256 мЕ,
Ппощадь поверхности трубопровода до клапана
/7тр2 = nd2 (/214- /22) = 3,14-0,05 (0,4 4- 0,1) = 0,0785 №.
Определяем величину газового потока по формуле (10.12)
“ Рд *г пр "Ь ^шт "Ь Лет ^тр + ^трз) Н~
"Ь ^К-С ~Ь 4~ Фв
(0,0126 + 0,0118 + 0,0125 + 0,0294 + 0,1256 + 0,0785). 7-10”4 +
t- 0,941 • 1,0-10~4 + 0,0564’2.10"Б + 2,01 • 10“и - 3,3163* 10"* чЧ1а/с,
где </с, g ,	— скорости удельных газовыделений соответственно из конструк-
ционной и коррозионно-стойкой стали, меди.
Находим эффективную быстроту откачки вакуумной рабочей камеры
4.	Определяем номинальную быстроту действия основного насоса
' _эф
н к
ли
о,06102 0 }02 м3/с
0,5
5.	В качестве основного насоса выбираем диффузионный паромасляный
насос мод. Н-5С-М, имеющий номинальную быстроту действия S’H —. 0.5 м3/с;
диаметр впускного патрубка dBn=- ОД 6 м. выпускного 4ып = 0,032 м. Давле-
ние запуска насоса р3 — 26 Па.
Необходимая быстрота действия вспомогательного насоса
Sb. всп = 2-Ю“3 м*/с.
6.	Выбираем типовую схему вакуумной системы, в которой форвакуум-
ный насос выполняет функции вспомогательного насоса и насоса предваритель-
ного разрежеп и я.
7.	Выбираем форвакуумный механический ротационный насос мод. РВН-20,
имеющий номинальную быстроту действия всП ~ 2,6-10"3 м‘/с и обеспечиваю-
щий остаточное давление рпр — 3,9 Па.
8.	Назначаем диаметры вакуумных трубопроводов: dj -= 0.16 м: d2
0,032 м. Выбираем вакуумный затвор, отсекающий камеру от основного на-
соса, с условным проходным отверстием диаметром 0,16 м, вакуумные краны
с условными отверстиями диаметром 0,032 м.
9.	Находим предварительно быстроту откачки вакуумной рабочей камеры
вспомогательным насосом
$эф. вси - 5К. ВСПКИ, всП - 2,6-10”3>0.8 = 2,08.10-з м»/с.
10	Определяем свободный объем вакуумной камеры я трубопроводов
V ~ V к 4“ V,r р —	— Удр “ ^пгг — ^ст	У я
। j-—- зъПи 4 2Ln
-- 0,43 4- 3,14 : 4-0,16а-0>2 4-0,2 4>0,032а-0,б4’
-и 0,2 - 0.05а-2-0,04 — 0,062-0,05 ™0,04а 0,1 —
2Ь8
Таблица 10-13
Результаты расчета газового потока, поступающего в вакуумную камеру,
и давления в вакуумной камере
Длитель- ность откачки, с	Поток газов из деталей	Поток газов с поверхности холодных эле- ментов	Поток г? зов за счет нате- кания	Суммарный ПОТОК тазов
	ма. Пп/с			
334		3.3163-10-4	2,01-10-»	3,3163-10-4
600	1,0505-10-л	3,1946-10-а	2.01-10“»	3,2051 НО-4
1200	5,7130-10“ь	2,8565-10"4	2 01-10”11	3.4278-10"4
1800	5,1732-!0~4	2,6266’10~*	2,01-Ю"»	7,7998-10~* 12,3397-10~4
2400	9,8965-10'4	2,4432-10~4	2,01-10-»	
3600	1.8333-10“*	2,1110-10“4	2,01-10“»	3,9443-10~4
— 0,12-0,05 — 0,012’2-0,04 : 0,012-3,14-0.07 4- 2-0,165 == 0.072 м*.
1L Находим время предварительного разрежения
0,072	1,01-10*
ыр 2,08-10“3 П 6,5
~ 334 с —- 5,6 мин.
Время предварительного разрежения меньше 8 мин.
Поверочный расчет. I. Уточняем значение суммарного потока газов, посту-
пающих в вакуумную камеру с учетом изменения его во времени.
Принимаем, что скорость нагрева деталей под сварку постоянна во времени,
тогда температуру деталей для данного момента времени можно определить по
формуле
Т ____9Q3
 ti + 293.
‘н
Газовыделение из деталей находим по формуле (10.11), принимая коэффициент
К = 2,0- Скорости удельных газовыделений с поверхностей камеры трубопро-
водов и оснастки для данного момента времени находим по т рафикам на рис. 10.35.
Результаты расчета значений газового потока, поступающего в вакуумную
камеру, в зависимости от времени откачки приведены в табл, 10.13.
2. Определяем режимы течения газа. Граница между молекулярно-вязкост-
ным и молекулярным режимами течения газа в высоковакуумном трубопроводе
диаметром d3
6,2-10~3 о _	„
₽МВ-М - 1 с A tf = 2'°8‘ 10 Па-
мв м 1,5-0,16
Таким образом, в процессе диффузионной сварки при рабочем давлены’
р ==• 6,5-10-"3 Па имеет место молекулярный режим течения газа.
Граница между вязкостным и молекулярно-вязкостным режимами течения
газа в трубопроводе предварительного разрежения и в трубопроводе, соединяю
щем основной и вспомогательный насосы,
6 2-10”3
- Жи 38л п>
Граница между молекулярно-вязкостным я молекулярным режимами
^МЙ-М
6,2-10“*
1.5-0,032
-- 0,129 Па.
Следовательно. нрн создании предварите »ьаого разрежет*4- в труби провода
имеют месте вязкостный и молекулярно-вязкостный режиыы те -ения rasa
3. Определяем проводимость высоковакуумной системы предварительного
ргзрех<ечвя.
Проводимость трубок -эвода от рабочей камеры до вакуумного ва*ворз
df	0 16*
L . - 121 ~ Я, - 121	0.70 - 0,570
4р	0,608
фи /л - /п 4- къ I- 1Д43 - 0,2 4- 0,2 + 1,3-0/i5 = 0,608 м;
- 0,60*8/0/6 - 3,8.
Проводимость вакуумного затвора
Ь1. -0/5(4;
IUV 0,12:0/6	0,75,
* ' -i
U. = 0,15.121 4- К-1 = 0,15.121	0.30 -.- 0,446 мв/с
/ J JJ	01 xJuJ
Проводимость участка трубопровода от вакуумного т >твора диффузион-
чиго часоса
С) 16s
Ut = 121 -1 Kt - 121 — 0,28 == 1.388 y»/c
ирг lii'd] --0/0i0/(	0,625.
Общая проводимость ъысоковакуумной системы
1
d>'n ’ 1ft/, + 1/£/, + 1/£А ~
I  07570+ । . 0,446 + 1 4-	“ 2!2m ,v
Привеченная длина трубопровода предварительного разрежения от ка-
меры до клапана
'р An J- 'tt ! I34-- 0,6 + 0,2+ 1,3 0,032	0,84
ZD/d, = 0.84 : 0,032 -= 26,3.
Проводимость гр«: молекулярном режиме
гЙ	0 032 я
и,.	12! ~ К, = 121 ++-- 0,93 =- 0,0044 м3/с.
г	/р	0,0*
Для расчета проводимости в вязкостном режиме разобьем диапазон дав иеняй
38,75 до 6,5 Ня на участки: I - - ог 38,75 до 20 Па: П — от 20 до 10 Па; 1Р —
10 до 6,5 Па. На участке I Pi /- Рз 38,75 -4- 20 ~ 58,75 Па, на участк< II
1 р р2 _=20 4-	:	*^а’ нй Учасгке Pi+Ps“ Ю 4’^,5--- 16,5 Па.
’ Входящую в формулу для определения проводимости трубонровс|да вели-
чину газового потока можно приближенно найти по формуле
/	^>фр,
где З’эф Ки^н (р)‘ Р — среднее давление,
Величина SH (р) определяется по характеристике вакуумного насоса
Для участка 1 р — (Pi + pJ/2 — 58,73 : 2 29,375 Па; $н (29,375) ~
- 5-10“s м3/с, 5ГН]) - 0,8'5-10^ --- 4-Ю-* м*/с; Q - 4-10-а-29,375 0/17:: м*Х
X Па/с.
Для vqacrKfi II р 30 : 2	15 Па; 5>н (to) ~ 3-Ю"4	5Э>Д. -	?**
XW“S -- 2,4•l0~‘5 м^/с, Q 2/ I0-? 15 -- 0,36 м3-Па/
Для участка III р -= (6,5 : 2 ~ 8,25 Па, Sn (8,25) — 2-10"® м3 * * * */с. 5„
0,8-2-10-* = 1,6-10-® м®/с, <3 = 1,6-10-*-8,25 = 0,013 м® Па/с.
Для вязкостного режима проводимость участка I
=	680^ (р, 4- р2)	__
в1 7Р(1+2,15-1O-3Q//P) “
_	680-0,032*-58,75
0,84 (1 4- 2,15-10-’-0,1175 ; 0,84) - °’0499 М /с;
участка II
680-0,032*-30
вП ~ 0.84 (1 4- 2,15-10-*-0,036 : 0,84)
= 0,0255 м®/с,
участка III
680-0,032*-16,5
п1П 0,84 (I 4-2,15-10“«-0.013 : 0,84) = °>0140мЯ/с
Для молекулярно-вязкостного режима проводимость участка 1
= OW 4-	- 0.0044'0,9 4- 0,0499	0,0539 мя/с;
участка Н
/7ВМ 0,0044*0,9 + 0,0255 = 0,0295 ма/с,
участка Ill
0вм Ш~ 0,0044-0,9 -J- 0,0140	0,0180 м8/с.
Аналогично находим проводимость вакуумного клапана и части трубопровода
от клапана до форвакуумного насоса. Затем определяем проводимость системы
предварительного разрежения: для участка I Ui = 0,0384 мя/с, для участка II
Uи ~ 0,0212 м8/с, для участка Ш С/щ—0,0129 м3/с.
Проводимость трубопровода, соединяющего основной и вспомогательный
насосы, определяют с учетом того, что давление запуска диффузионного насоса
Рз — 26 Па, давление на входе во вспомогательный насос р — (0,7-4-0,75) р3 —
— 0,7-26 — 18,2 Па. Следовательно, в соединительном трубопроводе имеет место
молекулярно-вязкостный режим.
Найденная проводимость соединительного трубопровода Uc 0,1203 м^/с.
4.	Определяем быстроту откачки рабочей камеры для высоковакуумной
системы
, _ SUU св _	0,5-0,212
>эф ~ SH 4- £/вв ~ 0.5 4- 0,212
= 0,1489 м«/с;
для системы предварительного разрежения
о 5-10‘3-0,0384	_	,,
5;)ф 1	5-10”3 4- 0,038-1	4,424' ° м /с;
„	3-10~3-0,0212
Лэф1Г =
3- IO-3 4 0,0212	2,628‘10 3 m3jZc;
Q	2-10-*-0,0129
эфш ~ 2-Ю-34-0,0129
= 1,732-10-* м3/с;
для соединительного трубопровода
° нв
НЕ
3-10-3-0,1203	2927.1()-8 м,,с
(-17,. _ 3-Ю-8 -4-0.1203	‘° /С
271
5« Уточняем время предварительной откачки вакуумной камеры. Время
откачки от атмосферного давления до давления 38,75 Па
< - - V . . |п - -°’-0?? - In	272 с
$эф. «СП 38,75	2,08-10“8	38,75
Время откачки по участкам:
. _ V . 38’75 ~ ^z/^аф I
5эф J 20 — <22/58ф г
0,072	38,75 —3,316-Ю~4/(4,424-10’8)
4,424-10-» °	20 —3,316-10-«/(4,424-10-») — 1
t = —— In 20 ~	II
11 5эеи 10 ~W®n
0,072	20 —3,316-10“4/(2,628-10“»)
“ 2,628-10-» П 10 — 3,316-Ю“4/(2,628-10“») ‘У С
.	__ V in 10 ~ ^з/^эф Ш _
111 ^эф ш 6,5 ^г/^эфш
0,072	10 — 3,316-10-4/(1,732-Ю-8)
~ 1,732-10-» П6,5 — 3,316-10“4/(1,732-Ю-8) ~	С
I = t + 1т 4-	+ fTTT = 272 + 11 4-19 + 29 = 331 с = 5,5 мин.
пр 1 I 1 II 1 III	J 1	1
Время предварительного разрежения меньше 8 мин.
6. По формуле (10.16) с учетом значений потока газа (см. табл. 10.14) нахо-
дим давление остаточных газов в рабочей камере установки. Расчетные значе-
ния давлений представлены в виде графика на рис. 10.31. Из графика видно,
что во время проведения диффузионной сварки давление остаточных газов не
превышает заданного, т. е. 1,3-10~2 Па. Время достижения заданного давления
составляет приблизительно 400 с, т. е. меньше заданного, которое равно 600 с.
7. Проверяем выполнение условия совместности работы основного и вспомо-
гательного насосов.
Давление на входе во вспомогательный насос р2 — 3,9 Па, выпускное дав-
ление основного насоса ръ ~ 26 Па. Условие р2п Ps выполняется, так как
3,9 <0,7*26 = 18,2 Па.
Из характеристики основного насоса следует, что он обладает быстротой
действия 5И. осн = 0,5 м®/с при давлении pj = 5*10-2 Па; таким образом, макси-
мальное значение потока газа Qmax = 0,5-5-10~? = 2,5* 10“3 м8-Па/с. Тогда
__Стах (^с Ч~ $в. вон)
Рвып. осй ~~ ' lT~Q
и с°н. всп
2,5-10“2 (0,1203 + 2,6-10-*)
0,1203-2,6-10^
= 9,8 Па < Рв»
где рв =зе 26 Па.
Элементы вакуумных систем. К конструкционным материалам,
используемым для изготовления элементов и узлов вакуумных
систем, предъявляют ряд специфических требований: высокая
вакуумная плотность при минимальной толщине материала;
272
Рис. 10.31. Зависимость давления оста-
точных газов в камере от времени от-
качки
низкое давление насыщенных
паров материала при рабочей
температуре; минимальное га-
зовыделение из объема и в по-
верхности в вакууме.
Как отмечалось в п. 10.5, ос-
новным материалом для изго-
товления вакуумных камер слу-
жит коррозионно-стойкая сталь,
в частности сталь 12Х18Н10Т.
При производстве высоковаку-
умных систем из этой стали
целесообразно изготовлять ва-
куумные трубопроводы, соеди-
нительные сильфоны и т. д.
В системах с давлением не
ниже 1 • 10"4 Па элементы и уз-
лы вакуумных систем можно де-
лать из конструкционных ста-
лей. В целях исключения коррозии поверхности стальных из-
делий хромируются или никелируются.
Токовводы, индукторы, а также уплотнительные элементы
коммутационной аппаратуры изготовляют из меди, которая обла-
дает высокой вакуумной плотностью.
Алюминий и его сплавы используют для изготовления вну-
тренних элементов пароструйных насосов.
Для предотвращения попадания обратного потока масла из
основного насоса в вакуумную рабочую камеру или из вспомога-
тельного насоса в основной применяют водоохлаждаемые ловушки
и ловушки, охлаждаемые жидким азотом.
На рис. 10.32, а показана механическая водоохлаждаемая
от системы 1 ловушка. Ловушка выполнена в виде металличе-
ского водоохлаждаемого корпуса с защитными элементами 2,
расположенными с некоторым зазором относительно друг друга,
но таким образом, чтобы создавалась оптически плотная кон-
струкция. Защитный элемент выполнен в форме уголка-шеврон а.
Ловушка проста в изготовлении и имеет сравнительно большую
удельную проводимость.
Охлаждаемая жалюзная азотная ловушка показана на
рив. 10.32, б.
Низкотемпературные ловушки не только более надежно пред-
отвращают попадание паров рабочей жидкости в рабочую камеру,
по сравнению с водоохлаждаемыми ловушками, но и улавливают
пары и газы, имеющиеся в самой камере, снижая тем самым давле-
ние в рабочем пространстве.
Для уменьшения потока паров масла из форвакуумного насоса
в систему часто используют маслоулавливающие фильтры. В кор-
пусе 3 фильтра (рис. 10.33) через прокладку 2 установлены пори-
273
Рис. 10.32 Водоохлаждаемая (а) и азогная (б) ловушки
стые проницаемые перегородки I из порошковой коррозионно-
стойкой стали. Так как наличие перегородок значительно снижает
проводимость, диаметр перегородок выбирают приблизительно
вдвое большим диаметра впускного патрубка форвакуумного на-
соса
Как и к конструкционным материалам, к вакуумной коммута-
ционной аппаратуре предъявляют ряд требований: высокая гер-
метичность (особо жесткие требования по герметичности предъ-
являют к аппаратуре, применяемой в системах высокого и сверх-
высокого вакуума), максимальная проводимость в открытом
положении (для молекулярного режима течения газа большое
значение имеет прямоточпость конструкций), минимальное газо-
выделение с внутренних поверхностей коммутационной аппара-
туры, незначительная адсорбция газов внутренними поверхни-
тями аппаратуры.
г 4
Pi. , 10.35, Маслоу < 1д4ваюв|.яЙ фильтр
Аппаратура» предназначенная для работы в условиях сверх-
еысосог ваку-.ж » должна дон-.. кат» возможность многократного
Ф< грев., до температуры 1000 К Она должнг иметь да^ики,
Hie за ле ^стоянием (Мкр’ко закрыто). гарантированное
пи ло рг ЗочиХ циклов (открытия — закрьп ш) должна быть не
менее Л РОС
Соединение вакуумных трубопроводов в установках для диф-
фузионной сварки осуществляется через металлические сильфоны
(ри 10 34), что по? гуляет компен'ировать погрешности монтажа
и обеспечив .ш надежную сер шштзакню
При ра( оте систем откачки установок »ля диффузионной
сварки в вакууме не должно ^опускаться загрязнения рабочих
ка% р .арами и продуктами крекинга масла, снижения давления
ктаточпых *т*зов. минимизации времени предварительной откачки
Вакуумное 1 гемы должны работать в автоматическом
режим * и иметь высокую надежность.
В настоящее время у нас в стране и за рубежом ведутся работы
по повышению быстроты дгзетвия форвакуумных механических
ротационных насосов, что позволит значительно снизить время
предварительной откачки а также обеспечить высокую произ-
ВОДИТС..1 *•! сть высоковакуумных насосов.
РазрзОс аны высоковаку; we диффузионные насосы с произ-
водительностью до 5 м*/с при величине обратного потока масла
из насоса менее ЫСг-‘
мг/(ч • см2). I у рбомоле-
кулярные насосы поз
волмю. практически ус^
гранить попадание уг-
леводородов в рабочее,
простра нство вакуу м -
вой камеры; опи имеют
широкий диапазон ра-
бочих давлений при вы-
1‘окой быстроте дейст-
Ряс, 10.34. Сильфопиог-
€дияенио тпубоп роводоа;
I -	61М!Ьф'|	3 ф. jHCiy.-J
.	..	. .	. W	ь
вия- Создан турбомолекулярный насос с ротором на магнитной
подвеске, что значительно повысило его надежность и долговеч-
ность.
Ведутся работы по совершенствованию как форвакуумных,
так и высоковакуумных ловушек, которые должны надежно за-
щищать высоковакуумные средства откачки и вакуумные рабочие
камеры сварочных установок от загрязнения парами и продуктами
крекинга масла. Разрабатываются вакуумные системы, встраива-
емые в автоматизированные вакуумно-технологические комплексы
диффузионной сварки. Созданы сварочные установки с высоко-
вакуумными системами, позволяющими контролировать парциаль-
ный состав газовой среды рабочей камеры.
§ 7. СИСТЕМЫ НАГРЕВА
В установках для диффузионной сварки наиболее
широкое распространение получили индукционные, радиационные
и электроконтактные системы нагрева. В ряде случаев исполь-
зуют нагрев электронным пучком, а также нагрев в поле тлеющего
разряда.
При диффузионной сварке неоднородных материалов нагрева-
емое тело не является изотропным, т. е. его физические свойства
зависят от направления. Температурное поле в теле в процессе
нагрева будет нестационарным, т. е. зависящим от времени.
Аналитический расчет температурного поля в общем виде пред-
ставляет большие трудности,, поэтому при расчете систем нагрева
установок для диффузионной сварки обычно принимаются допу-
щения о том, что нагреваемое тело изотропно.
Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид
дТ	/д2Т , д2Т . д*Т\ } qv	/1П
dt	\дх2 1 di/2 dz2/ ср ’
в цилиндрических координатах
5.,®+1«+4"|<Т) + Ь, (10.18)
d/ \ dr3 1 г dr rz dtp2 dz2 / ср ’
где Т — температура нагрева; t — время нагрева; а — коэффи-
циент температуропроводности; х, у, z и г, ф, г — соответственно
прямоугольные и цилиндрические координаты; Цу — количество
теплоты2 выделяемой в единице объема вещества в единицу вре-
мени; с — массовая теплоемкость тела; р — плотность тела.
Последнее слагаемое в уравнениях (10.17) и (10.18) определяет
количество теплоты, выделяемой источниками внутри нагрева-
емого тела. При индукционном нагреве тепло внутри тела выде-
ляется в результате возникновения под действием переменного
магнитного поля вихревых токов (токов Фуко), при электро-
контактном нагреве теплота выделяется вследствие прохождения
276
электрического тока через зону контакта деталей, имеющую
большое сопротивление. При радиационном нагреве внутренние
источники теплоты, как правило, отсутствуют» т. е. qv/(cp) •- О
В инженерных расчетах в первом приближении можно прини-
мать» что температурное поле стационарно по высоте свариваемых
деталей, но при этом необходимо учитывать теплоотвод в техно-
логическую оснастку через поверхности деталей, контактирующие
с рабочим телом и верхним прижимом. С учетом этих потерь
найденную мощность исгочника нагрева обычно увеличивают на
35—50%. При нагреве цилиндрических заготовок с учетом сде-
ланного допущения в уравнении теплопроводности д'2Т/дц? =
= dzT/dz- = 0.
Индукционные системы нагрева. Системы индукционного на-
грева состоят из технологических устройств (нагревателей), источ-
ников питания, линий передачи и средств управления.
Нагреватель представляет собой изготовленный из меди ин-
дуктор с внутренним водяным охлаждением. Для уменьшения
потерь и повышения равномерности нагревг! форма индуктора
соответствует форме свариваемых деталей. При высокочастотном
нагреве индуктирующий провод представляет собой трубку круг-
лого или прямоугольного сечения, так как возникающие в нем
токи относительно малы. При нагреве током промышленной ча-
стоты (50 Гц) применяют индуктирующий провод специальной
формы (рис. 10.35) или на трубку со стороны нагреваемых заго-
товок наваривают медную шипу.
Системы нагрева на часто в 50 Гц применяют при диффузион-
ной сварке крупногабаритных массивных деталей Установки
проектируются обычно на стандартное напряжение (127, 220
и 380 В), подключаются непосредственно к промышленной сети
и комплектуются элементами общего электротехнического назна-
чения (за исключением индуктора И). Мощность при нагреве
токами промышленной частоты регулируется с помощью тири-
сторных преобразователей или
du
Рис. *6.35.. ’• «гьгние» индуктирующего
'ровода
изменением соотношения конден-
саторов С?! и С2 (рис. 10.36).
При высокочастотном индук-
ционном нагреве в качестве ис-
гочни ков питан и я при меня ют
электромашинные или тиристор-
Рис 10.36. Схема последовятельно-
гаралле.тьногп включения ко^енса-
торов
чые преобразователи, а	ламповые генераторы Электромашин-
Hoie преобразователи применяют в системах индукционного на’
грева на средних частотах. Серийно выпускаются преобразователи
ча 1; 2,5; 4; 8 и 10 кГц при мощностях от 12 до 2500 кВт- Достоин-
ствами электромашипных преобразователей являются высокая
надежность, простота и большая глубина регулирования мощ-
ности. К не достаткам относятся невысокий коэффициент полез-
ного действия (КПД), а также большое время разгона и остановки.
Достоинствами тиристорных преобразователей являютс высо-
кий КПД (90—94%), возможность изменения частоты, малая
инерционность Однако эти преобразователи могут работать
в узком диапазоне нагрузок, их стоимость выше, чем машинных
Тиристорные преобразователи работают на частотах 0,5—8 кГц,
при частотах 0,5—2,5 кГц мощность достигает 800 кВт.
Ламповые генераторы используют в системах индукционного
нагрева в диапазоне радиочастот. Серийно выпускаются генера-
торы в основном с частотами 0,066 и 0,44 мГц. Мощность ламповых
генераторов составляет от 10 до 160 кВт.
Режим нагрева деталей при диффузионной сварке прибли-
жается к режиму, когда гемлература существенно изменяется
во времени, а тепловой поток можно считать приблизительно
постоянным. Рассмотрим нагрев цилиндрических заготовок из
однородного материала. Исходными данными для расчета яв-
ляются:
диаметр D и суммарная высота Н цилиндра;
материал заготовок:
температура нагрева поверхности цилин ipa Tv и
цилиндра 7’к на расстоянии х„ от поверхности:
частота гока
Решением уравнения теплопроводности (10.18) будет
BHVTpH
7 -£оР
л “ X
[Fo -р S (а, р, Fo)L
(10.19)
Fo
тепло п ровсди ость;
где р0 — удельная мощность; %
= bat/D* — критерий Фурье; здесь а — температуропроводность;
I — время нагрева; а = I — 2 Д/D — относительная глубина
активного слоя; здесь А — глубина активного слоя; (3 — I —
— 2x/D — относительная координата.
1, По заданной частоте определяют по таблицам или рассчи-
тывают по формулам электротехники значение А, после чего
находим аир
2. Но формуле
к
(10.20)
определяем критерий Фурье, а из него — время нагрева,
формуле S (a, i, Fo) — значение функции S при р  1
6К, Fol - значение функции S при х 0 (Р - рк*.
В этой
: 3 (п
Задаваясь последовательно рядом значений Fo, по таблицам
находим значение функции 5 и строим зависимость Т0/7'к — f (t).
Затем по заданному значению Тс/Тк находят время нагрева.
При Fo > 0 можно считать, что функция S (а, [3, Fo) не зави-
сит от Fo, т. е. S (а, р, Fo) S (а, р). Функцию S (а, р) при
Р > а можно найти по формуле
гуЗ
S(a, ₽) = -	(2₽а 4-а’- 3 - 41п₽);	(10.21)
Oil - - • Cv J
при р < а по формуле
о / я\ ₽’ । сс* । а2 In а
S (а, Р) - 4 4- 8 4- 2 (] _
(10.22)
Время нагрева при Fo > 0,2 можно рассчитать аналитически:
4а
(сс, ]) «S (а, Рд) Тп/Тц
о/7 к 1
(10.23)
3 Удельную мощность находим по формуле
*1 'Т'
* и
Ро “ Щро+'3(а, 1. Fo)J ’
(10.24)
4 Рассчитываем термический КПД »|т< Если необходимо на-
греть не весь цилиндр, а только часть, прилегающую к поверх-
ности, то
г /у
Чт = Via,
где г]1 — КПД, учитывающий затраты теплоты на неконтролир>
7’к г, . \ I 1 . *(*> 1- Н) j,
смыи нагрев центра цилиндра, туг -= ~ (1 — рк) 1	----р----- ,
J о	1_	ГО „
щ — КПД, учитывающий потери теплоты в результате излучения
боковой поверхностью цилиндра и теплоотвод через торны; при-
менительно к системам нагрева установок для диффузионной
сварки Tfr 0,65-^0,75.
5. Мощность, передаваемая в нагреваемое тело,
р = л£)й>0/т].г.
(10.25)
Пример. Выполнить тепловой расчет индукционной системы нагрева. Исход-
ные данные: нагреваемое тело — стальной цилиндр диаметром D = 0,4 м и высо-
той Я — 0,7 м, температура нагрева поверхности То 1273 К, на расстоянии
хи — 0,15 м от поверхности допускается Тк = 1223 К, а - 6,4-1 О’4* м2/с, X =
- 33,5 Вт/(м -К).
1.	Так как диаметр цилиндра велик, выбираем промышленную частоту тока
f = 50 Гц, тогда для стали можно принять Л — 0,078 м.
2.	Вспомогательные функции и время нагрева определяем ю Формулам
(10.21)—(10.22)*
1	°’078	я »	°»15
1 ' 0 2 °tb :	“(УТ ~~ °‘25;
279
S (a. 1) = - —(21 + 0,61» - 3 - 4 In 1) = 0,0465;
0,25»	0,61»	0,61» in 0,61
5(a, P)- 4 + 8	2(1—0,61»)
= — 0.084;
TH = 1273—2 (1273—1233) = 1173 K;
To 1273-273	,
TK 1173 — 273	’	’
0,2»	0,0465 + 1,111-0,084	,я„
1.111 — 1
3.	Рассчитав значение Fo — 6,4-10^*7873 : 0,2a = 1,26, определяем удель-
ную мощность по формуле (10.24):
РВ = 33.5 О273 -f2g = 6>41.10< Вт/м8.
™	0,4 (1,26 + 0,046ь)	1
4.	Находим величину термического КПД
= -1— (1 — 0,25») (1 + 0.0465 : 1,26) = 0,88;
1 В I h 1
л? 0,65 ~ 0,75;
ПТ = 0,88-0,7 = 0,62.
5.	Мощность, передаваемая в нагреваемое тело,
р = 3,14-0,4 *0,7-6,41 *104 : 0,62 == 91 кВт.
Радиационные системы нагрева. Эти системы нашли широкое
применение в установках для диффузионной сварки вследствие
ряда преимуществ перед другими системами. Данные системы
нагрева позволяют обеспечивать равномерность нагрева деталей»
удобство и простоту ручного и автома-
тического регулирования температу-
ры, возможность нагрева нетокопро-
водящих материалов, возможность
Рис. 10.37. Радиационная система на
грева
Рис. 10.38. Электроконтактная
система нагрева
280
одновременного нагрева нескольких свариваемых деталей. Кро-
ме того, источники радиационного нагрева имеют относительно
низкую стоимость и достаточно компактны.
К недостаткам следует отнести низкий КПД, длительное время
нагрева и охлаждения изделий.
Система радиационного нагрева (рис. 10.37) включает силовой
одно- или трехфазный трансформатор 2, токоподводы У, нагре-
вательные элементы 3, экраны 4. Нагревательные элементы
и экраны расположены внутри вакуумной рабочей камеры 5.
Напряжение от вторичной обмотки трансформатора 2 подается
на нагревательные элементы 3, которые выполнены из материала
с большим электрическим сопротивлением. При прохождении
тока через нагревательные элементы выделяется теплота согласно
закону Джоуля — Ленца, их температура повышается и за счет
излучения тепловой поток передается на свариваемые детали.
Для защиты стенок вакуумной камеры от теплового излучения,
а также для повышения КПД системы нагрева между нагрева-
тельными элементами и стенкой камеры устанавливают тепловые
экраны.
Нагревательные элементы изготовляют из карборцида, гра-
фита, металлов (молибдена, вольфрама, тантала, ниобита). Тепло-
защитные экраны делают из тонколистовой жаростойкой стали
или молибдена.
При тепловом расчете радиационных систем нагрева приме-
няют обычные методики теплопередачи, принимая при этом, как
и в случае индукционного нагрева, что температура поверхности
нагреваемого тела изменяется во времени, а тепловой поток
остается приблизительно постоянным.
В основе расчета лежит уравнение
= f (Fo, Bi, ,
(10.26)
где Т, То — соответственно текущая и начальная температура;
Fo = ах/12 — критерий Фурье; здесь I — характерный размер
нагревателя; Bi = а/Д — критерий Био, здесь а — коэффи-
циент теплоотдачи между средой и поверхностью тела.
Значения функций (10.26) приводятся в таблицах справочной
литературы.
В основе расчета нагревательных элементов и источника тока
лежит уравнение Стефана — Больцмана
Е. - 5.7£, [(Ь)'- (
(10.27)
где Ei — приведенная степень черноты; Тв, Т — температуры
нагревательного элемента и нагреваемого тела; Ег — геометри-
ческий фактор (для концентрически расположенных цилиндров
Е, - 1).
281
Значение Et определяют по формуле
где kEi k — коэффициенты излучения нагревательного элемента
и нагреваемого тела; SH, S — площади поверхностей нагрева-
тельного элемента и нагреваемого тела.
При установке N экранов приведенная степень черноты умень-
шается в (N + 1) раз, т. е. EeN — Ei/(N +1).
Электрокантактные системы нагрева. Данные системы приме-
няют для диффузионной сварки токопроводящих материалов.
Система включает силовой однофазный трансформатор /
(рис. 10.38), ко вторичной обмотке которого подсоединены токо-
прозоды. Внутри вакуумной рабочей камеры 4 токопроводы
подсоединены к специальной технологической оснастке <9, с кото-
рой контактируют свариваемые детали 2.
При пропускании тока через соединяемые заготовки в них
выделяется теплота согласно закону Джоуля — Ленца
Q = I*Rt,
(10 28)
где / — сила тока; R — сопротивление; t — время.
Из формулы (1С.28) следует, что количество выделяемой
теплоты пропорционально сопротивлению, а поскольку сопро-
т изделие зоны контакта намного больше сопротивления самого
материала деталей, то основная часть теплоты выделяется в кон-
тактной зоне.
Преимуществом данных систем является быстрый и равномер-
ный нагрев свариваемых деталей, высокий КПД и компактность.
К недостаткам следует отнести то, что заготовки должны быть
одинакового сечения по длине, так как элементы с меньшим сече-
нием будут нагреваться более интенсивно. Необходим хороший
контакт заготовки с оснасткой, через которую подводится ток
для уменьшения электрического сопротивления и, следовательно,
уменьшения количества теплоты, выделяемой в этом месте.
Электроконтактные системы нагрева применяют в установках
для диффузионной сварки заготовок сверл, метчиков, перьевых
фрез и других изделий, имеющих простую форму и небольшое
поперечное сечение.
§ 8, СИСТЕМЫ СЖАТИЯ
Системы сжатия установок для диффузионной сварки
предназначены для пластического деформирования микронеров-
ностей на поверхностях соединяемых деталей или самих деталей,
а в ряде случаев для предотвращения упругого последействия
с целью уменьшения деформаций сваренных деталей. Системы
сжатия располагают вне рабочих камер, усилие на детали пере-
282
чается с помощью промежуточного
штока. В тех случаях. когда для диф-
фузионной сварки используют газо-
стать?» термокомпрессионные устрой'
гва и грузы, усилие сжатия созда-
йся непосредственно в рабочей ка-
мере.
Электромеханические системы
сжатия. Электромеханическая сис-
тема сжатия установки для диффузи-
онной сварки (рис 10 39} состоит из
пектродвигателя /, редуктора <3,
л чиноременной передачи 2, винтовой
•тары 5 и подвижной траверсы 6. Элек-
тродвигатель и редуктор смонтиро-
ваны на верхней неподвижной тра
верее 4. гайка винтовой пары разме-
щена в подвижной траверсе или вы-
полнена с ней заодно.
Рис» 10.39. Электромеханическая
система сжатия
В системе могут использоваться как электродвигатели пере-
менного, гак и постоянного тока, В гюследне: случае имеется
возможность регулирования частоты вращения вала электродви-
гателя, а следовательно, линейного перемещение штока нагру-
зке н и я Од н а ко пр и вод с эл сктр одви»а гелем л. к о я н кого тока
имеет большие габариты и большую стоимость.
В электромеханических системах нагружения, как правило,
т спо л v. у ют червячные редукторы типа P4S» у которых выходной
вал дополнительно фиксируют упорным подшипником, воспри-
нимающим усилие сжатия свариваемых деталей. Для передачи
крутящего момента от двигателя к редуктору кроме клиноремен-
:ой можно использовать цепную передачу или применять
муфты.
В сварочных установках с небольшими усилиями сжатия
применяют винтовые пары метрической резьбой, а при на-
грузках выше 100 кН — с трапецеидальной или упорной резь-
бой. Для изготовления винтов используют сталь; марку стали
и вид термообработки выбирают в зависимости от величины на-
грузки. Съемные гайки изготовляют либо из с/али, либо из бронзы
для уменьшения грения в винтовой паре. Подвижные траверсы
делают из стали.
Электромеханические системы сжатия в установках диффу
знойной сварки имеют простую и надежную конструкцию, просты
в эксплуатации, потребляют1 мало энергии. Однако при нагрузках
выше 100 кН существенно возрастают1 габариты и металлоемкость,
снижается их КПД.
Исходными данными для расчета электромеханических систем
сжатия являются усилие Р, II и скорость перемещения штока v
Расчет ведут в следующей последовательное ги: расчет винтовой
2ЙЗ
пары, расчет мощности электродвигателя, выбор электродвига-
теля, редуктора и средств передачи крутящего момента.
I.	Расчет винтовой пары С учетом заданного усилия Р пред-
варительно назначают материалы, из которых должны быть
изготовлены винт и гайка. Затем определяют внутренний диаметр
чинта из расчета на сжатие
d1== 1/ П7Г--Т>	(10.29)
1 р л0,7 [осж]
еде Р~ — расчетное усилие с учетом сопротивления вакуумного
уплотнения штока и трения в подшипниках скольжения,
~ 1,1 Р; 1ос J — допускаемые напряжения на сжатие.
Для самоторможения винта угол подъема резьбы р должен
быть меньше угла тления р:
(ю.30)
tg р = f, I
где W.3 — шаг резьбы винта; d2 — средний диаметр резьбы винта;
 — коэффициент грен и я резьбы в винте.
Винт проверяют на совместное действие сжатия и кручения.
В электромеханических системах нагружения установок для диф-
фузионной сварки винты имеют небольшую длину, поэтому на
устойчивость г.х, как правило, не проверяют.
Крутящий момент, передаваемый винтом,
Мир = Рг-у-tg ф ~ Р).	(10.31)
Эквивалентное напряжение оЭ1П от действия нормальных
и касательных напряжений должно быть не более допускаемого
напряжения на растяжение:
(10.32)
где тк — касательное напряжение, wK — Л4кр/(0,2йЭ
Высоту гайки определяют из расчета на допускаемое удельное
давление [<?! между витками винта и гайки. Чисто витков Z
определяют из соотношения
(10.33)
где d — наружный диамегр резьбы гайки.
Допускаемые удельные давления для пар сталь — сталь и
сталь — бронза равны 7—13 МПа. Число витков должно быть не
более 10, так как остальные витки нагрузку практически не
воспринимают. Если по расчету Z 10, то переходят на другие
материалы либо увеличивают диаметр винта.
Найденное значение Z применительно к винтовым парам
электромеханических систем нагружения установок для диффу-
284
знойной сварки представляет собой необходимое число витков
резьбы гайки при полностью опущенном штоке. С учетом этого
высоту гайки рассчитывают по формуле
Н - ZHR + Яш,
(10.34)
где Нш — максимальный ход штока.
Необходимая частота вращения винта (выходного вала ре-
дуктора)
(ов = 2га</ Нв.	(10.35)
2.	Расчет мощности электродвигателя. Необходимый крутящий
момент на валу электродвигателя применительно к системам
сжатия установок для диффузионной сварки находят из условия
статической нагрузки
Мдв ~ AdKp/(ir|),	(10.36)
где i — передаточное число привода от двигателя до винта, i =
~ <одв/(йв, здесь юлп —частота вращения вала двигателя; —
частота вращения винта; rj — КПД привода, tj ~ ЛнрЧрПлЛу»
здесь т)Пр = 0,96-4-0,99 — КПД передаточного устройства от
двигателя к редуктору; t]p = 0,504-0,90 — КПД червячного
редуктора; Т||( — 0,96-4-0,98 — КПД подшипников скольжения
подвижной траверсы и штока; % = 0,904-0,95 — КПД вакуум-
ного уплотнения штока.
Мощность двигателя
Л/дВ Л4дВ(1)дВ.	(10.37)
3.	Редуктор выбирают с учетом передаточного числа, частоты
вращения входного вала (червяка), мощности на входном валу
и крутящего момента на выходном валу (червячном колесе).
Электродвигатель выбирают по мощности и частоте вращения
вала.
Средства передачи крутящего момента от двигателя к редук-
тору выбирают с учетом общего передаточного числа привода
и из конструктивных соображений.
Пример. Рассчитать электромеханическую систему сжатия. Исходные дан-
ные: Р — 50 кН, v — 5-10”4 м/с, наибольший ход штока Нш — 3-10“2 м.
1. В качестве материала для винтовой пары предварительно выбираем сталь
35 (|ор 1 = 180 МПа, [асЖ] 190 Mila, KJ - 13 МПа).
По форму ле (10.29) находим внутренний диаметр резьбы винта
.	! f 4-1,1 «5-10*~~ _ _ _ 1Л_Й
’Г 3,14-0,7-19-10’ — 2,t'В * 10 м-
В системах сжатия установок диффузионной сварки необходимо плавное
регулирование перемещения штока, поэтому выбираем метрическую резьбу
с мелким шагом Нъ — 2-10~3 м, а диаметр резьбы выбираем с запасом:
d = 125-10-’ м; di = 122,835-10-’ м;
d, = 123,701-10-’ м; tg ₽ = 2-10-® : (3,14-123,701 •10“’) =
-- 5,15 -Ю-3; Р =г 0,3°.
285
При f =- 0,12 tg p = 0,12, p - ф <" Углювь canOTOpv ажелия ’пита
выполняется. По формуле (10.31) олре.стяем величину круттщегс moil кта
Мк?) = I : ИО1-1 >53.701 - 10"3 : 2	(0,3°	6 85е) -
--- 426 7 Н’М.
t'’."холим нормаль» • и ежкм^юп не, . . »т : чп?е и йв*вал» инь- 1 : .же-
ни я:
•FI> 4 -1.1 -5-’О4 _	. КЧПа
’?' “ ” .J?	3,14 (122.836-10 V ’ ‘
I
'I z _', /	ТО дД ГТ п.
’«* С,2 (122,835-'0-?)3 “ I,“ mi,a’
. i[1B = V? I 0- 1б«)я j^ToT-IW -= 26,! V.na < [aBJ.
По {•'пмулс i. 0.33) определяем чеоб’.  । >j и i витков рсз. *>ы
____	i-M-5-lu	0
= ... М (7125-10 -«У- ' 122*835-10 s' ‘ 13-Н 1
Рассчитываем высоту гайки
Н 10 2 НГ -4-3*10^	0?Е ы.
Частота врашения винт? i авна
е1й 2.3,14-5-10^ : (2-W‘«) - 1.5-/ Г
Общий КПД привод- системы сжатия, принимая средние значения КПД
.."'"ельных устройств»
•I 0,97 0.7 .97* 0,92 -= 0.59.
Наиболее р.-хпоос’1 раненными и ^плевыми электродвигателям и обшего
применение являются трехфазчы^ асинхронною коротка. лкнутыс .игатели
«сони 4 А с синхрон ней ч^стоюй вращения 157 v .
Ot.’i* юрц т'‘чнсг 4Hvjju привела . этом с луч
I - 157	57 -= ].00е
\ля м ре чачу крутящего момента т	к редуктс ру выбир^ клино-
ременнуи несдачу с гиргдгточш м чи< лом .Е - ^,5. Пн >. nvpe птсн -юе число
гед\ к'гор? цс [жно быть равно	. 2,5	40.
Он редел чем вращай •< щй момент в мош-нк^* дни г* "ел я
426,7 г (100‘0,59}	7,2 Б - .а.
(у^ =^у£2-1500 -== 1,13 кВ г
Выбираем электродвигатель мод. 4A9-B4V3, мощность которого 1,5 кВт,
редуктор РЧУ-125-40-2-4-2 ? передаточным числом 4G, доп тыкаема -яощноетью
на т одно? алу 1,9 кВт при стоть- вращения 78,5 (Г1, допуск..Mt- моментом
н* выходном валу 730 Н-м.
Гидравлические системы сжатия. Такие системы применяют
в установках для диффузионной сварки, когда требуется при-
ложение к соединяемым деталям больших нагрузок. Эги системы
отличаются компактностью и широким диапазоном регулирования
давлений, легко поддаются авто гатизации. Однако гидравличе-
ские системы более "Орогг , чем элоктром. , с и пнев^а-
ГИЧ1счи_
В гех случаях, когда на од-
ном участке планируется уста-
новить несколько установок
для диффузионной сварки, в
них также целесообразно ис-
пользовать гидравлические си-
стемы сжатия, поскольку все
установки можно запитывать от
централизованной насосной
станции.
Принципиальная схема гид-
равлической системы сжатия
приведена на рис. 10.40. Она
состоит из маслобака /, фильт-
ра очистки рабочей жидкости 2,
насоса 4 с. приводом от элект-
родвигателя 3, предохранитель-
ного клапана 8, манометра 5,
поршневого гидроцилиндра 7 и
трех пози цион но го золоти и ко во -
го электромагнитного распре*
Рис. 10.40. Схема гидравлической си-
стемы сжатия
делителя 6.
Для создания усилия сжатия золотниковый распределитель
переключают в положение, при котором соединены магистрали
верхней рабочей полости гидроцилиндра и насоса. После включе-
ния насоса масло из бака подается в рабочую полость цилиндра,
поршень перемещается вниз, при этом происходит перемещение
промежуточного штока рабочей камеры По достижении задан-
ного давления масла в гидросистеме, которое контролируется
манометром 5, золотник переключают в положение, при котором
обе магистрали гидроцилиндра перекрыты. Включают насос 4.
Поскольку в процессе диффузионной сварки происходит пласти-
ческая деформация соединяемых деталей, шток гидроцилиндра
постепенно перемещается вниз; при этом происходит падение
давления масла в верхней полости цилиндра. Падение давления
происходит также вследствие утечек масла через уплотнения.
Для поддержания заданного давления масла проводится повторное
переключение золотника и включение насоса. Для снятия на-
грузки с соединяемых деталей золотник переключают в положение
на слив масла из верхней полости и подачи его в нижнюю полость.
Возможно использование гидравлических систем сжатия с на-
сосом переменной производительности. В этом случае не тре-
буется многократного переключения золотника, так как давление
масла в рабочей полости цилиндра поддерживают при непрерыв-
ной работе насоса, изменяя его производительность. Однако
такие системы более дорогие и требуют больших затрат энергии.
Применение насосов постоянной производительности с использо-
ванием в гидросистеме перепускных клапанов для регулирования
?87
Т а б л и ц я 10J4
Стандартный ряд рабочих, условных и пробных давлений масла, МПа
Рабочее	Условное	Пробное	Рабочее	Условное	Пробное
1.3	1.6	2,4	8,0	10,0	15,0
2,0	2,5	3,8	12,5	16,0	24,0
3,2	4,0	6,0	16,0	20,0	30,0
5,0	6,4	9,6	20,0	25,0	35,0
давления масла также требует больших затрат энергии, а кроме
того, приводит к значительному разогреву масла.
Наиболее ответственным узлом гидравлических систем сжатия
является поршневой цилиндр. Корпуса гидроцилиндров изго-
товляют преимущественно из сталей.
Внутренний радиус гидроцилиндра определяют исходя из
заданного усилия, которое должен развивать шток цилиндра,
и выбранного давления масла в системе (табл. 10.14).
Наружный радиус цилиндра находят из условия прочности
по формуле
где R и г — наружный и внутренний радиусы гидроцилиндра;
[ор| — допускаемое напряжение растяжения материала ци-
линдра; ру — условное давление масла.
Затем определяют напряжение внутреннего волокна стенки
цилиндра
__ 0,4га+ 1,ЗЯ8
&	_га Ру
и сравнивают его с пределом текучести материала. Запас проч-
ности, равный отношению предела текучести к найденному зна-
чению о, должен быть не менее трех.
Рассмотрим расчет термокомпреесионного устройства на при-
мере диффузионной сварки двух деталей из разных материалов,
имеющих разные геометрические размеры.
Исходными данными для расчета являются:
физико-механические характеристики свариваемых деталей
и технологической оснастки (аь а£, а — коэффициенты линейного
термического расширения соответственно деталей и оснастки
при данной температуре; Ей Ez, Е — модули упругости первого
рода соответственно деталей и оснастки при данной температуре;
£{, £2 — модули пластичности деталей при данной температуре;
сгг — предел текучести материала оснастки при данной темпе-
ратуре);
288
геометрические характеристики деталей и оснастки: (ZJr /2, I —
длины деталей и оснастки; F2y F — площади их поперечных
сечений; Rzit /?z2y Rzi, Rz% — высоты микронеровностей на по-
верхностях деталей соответственно в месте соединения и в месте
контакта с оснасткой);
технологические параметры диффузионной сварки (темпера-
тура Т, давление сжатия р, время /).
Искомыми параметрами являются материал и геометрические
характеристики технологической оснастки.
В процессе нагрева собранных в оснастке деталей происходит
их удлинение, а также удлинение оснастки. При отсутствии
механической связи между деталями и оснасткой абсолютные
величины удлинений были бы равны:
ДГ1г = ДТ;	(10.38)
Л/2Т = аа/а Л Л	(10.39)
Д/ = al Д7\	(10.40)
где ДТ = Т — здесь Гн — температура в вакуумной печи
до нагрева, равная нормальной температуре. Длина свариваемых
деталей I — /г + /2.
Необходимым условием создания давления сжатия между
деталями и, следовательно, условием их диффузионного соедине-
ния является выполнение неравенства
I А/
или с учетом формул (10.38)
(10.41)
В случае сварки одинаковых деталей == а2 = ад; /1 = Za =
“А (^д — длина одной детали) неравенство (10.41) принимает
вид ад > а.
Вследствие наличия механической связи в процессе различного
расширения деталей и оснастки возникают силы, вызывающие
упругие деформации, которые можно найти по закону Гука:
Л/ —
Ч 1
Л/ —	.
(10.42)
А/я =
(А 4~
EF
(10.43)
где Р12, Pls2 — силы, действующие между свариваемыми
деталями, а также между деталями и оснасткой
Из условия равновесия следует, что
10 В. А« Бачин
289
Под действием напряжения сжатия происходят смятие микро-
неровностей и пластическая деформация деталей вследствие крат-
ковременной ползучести.
В первом приближении можно принять, что форма поперечных
сечений микронеровностей представляет собой равносторонний
треугольник. Из этого следует, что суммарное уменьшение длин
соединяемых деталей вследствие смятия микронеровностей
Лиым 4~ Д^2мй — (j&i 4_ Л22 + Rzi ~t~ ^2г)/2<
(10.44)
Пластическая деформация деталей в процессе диффузионной
сварки зависит от материалов, из которых они изготовлены,
а также технологических параметров сварки, т, е.
^2 = ft (£ь Р, ®, Т);
L1
4е = Ь (Ei р, «г, Т),
где и f2 — функции, которые выбирают из справочной лите-
ратуры или находят экспериментально.
Условие совместимости деформаций свариваемых деталей и
технологической оснастки имеет вид
Д/1Т -j-
ZkZgy	Д/2у
AZj(MH
- Д/ямн — А/1П — А/2п =- А/т 4“ А/у. (10.45)
Положим для определенности, что £2 > Fx. Тогда pcw = PIF
или Р = рс»Л- После подстановки в уравнение (10.45) выраже-
ний (10.38)—(10.40), (10 41)—(10.43) и преобразований получаем
формулу для расчета площади поперечного сечения технологи-
ческой оснастки:
(10 46)
При сварке одинаковых деталей Fx = F2 = Fnt Ел ~ £.,	£д,
fl — fv—fz и выражение (10.46) принимает вид
1дРсж^д
Ед 1(ад — а) U — ЛЛ — 1дРсж/Ед, ~ Уд!
(10.47)
В процессе диффузионной сварки материал технологической
оснастки должен находиться в упругом состоянии, т. е. должно
выполняться условие
4 <от ИЛИ	(10.48)
Подставив выражение (10.47) в неравенство (10.48), получим
[014 + а2/в - а (V-Д)! (Т - Гп) - > а? •	(Ю.49)
— ( 7^	7?) Pcw
Таким образом, расчет термо компрессной но го устройства вклю-
чает в себя следующие этапы:
выбор группы материалов для изготовления оснастки, удовлет-
воряющих неравенству а <
выбор из найденной группы материалов, удовлетворяющих
неравенству (10.41);
выбор конкретного материала, например, из экономических
соображений;
определение геометрических характеристик оснастки (длины
и площади поперечного сечения).
При диффузионной сварке деталей из некоторых материалов
не удается подобрать материал для технологической оснастки,
коэффициент линейного термического расширения которого удо-
влетворял бы неравенству (10.41). Иногда в таких случаях можно
осуществить диффузионную сварку в термокомпрессионном уст-
ройстве путем размещения между деталями и опорными плитами
проставки из материала с коэффициентом линейного термического
расширения ацр > а.
В этом случае неравенство (10.41) принимает вид
ai ГТ7Г+Т~' Ь “2 ГТТТТ“ + а“Р	<1 °-50)
*1 I *3 Т” *ир	ЧТ{2Т*пр	*1 “Г *3 Т ‘пр
где /пр — длина проставки.
Из этого выражения можно определить минимальную высоту
проставки, при которой выполняется неравенство (10.50):
/	® (*1 ^з) * «1^1 ^2^2
*“₽ > •
Контактные напряжения в проставках должны быть меньше
предела текучести проставки при данной температуре.
Приведенную методику расчета термокомпрессионного устрой-
ства следует рассматривать как приближенную, так как в процессе
нагрева устройства в вакуумной печи от нормальной температуры
до температуры изотермической выдержки происходит изменение
всех параметров, входящих в приведенные выше соотношения
Однако данный метод расчета дает практически приемлемые
результаты.
§ 8. НЕСУЩИЕ РАМЫ СВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК
Несущие рамы являются ответственными узлами уста-
новок для диффузионной сварки, поскольку ими воспринимаются
10*
291
Рв(\ 10.41. Гама сварочной уста-
новей
Таблица 10.15
Допускаемые напряжения для
углеродистых конструкционных сталей
(ГОСТ 1050—74) при статической
нагрузке
Марка стали	Допускаемые напряжения, МПа	
	прн растяжений	при нагибе
08	110	130
Ю	110	145
15	125	150
20	140	170
25	150	180
30	165	200
35	180	210
40	190	230
45	200	240
50	210	250
Примечание. Термообработка
стали — нормализация.
усилия сжатия соединяемых деталей. Рама состоит из верхней 5
и нижней 2 поперечин и боковых стоек 3 (рис. 10.41). Скрепление
поперечин и стоек осуществляется специальными высокими гай-
ками 4. Сама несущая рама является составной частью опорной
рамы 1 или крепится на ней.
При разработке несущих рам проводят их расчет на прочность
и жесткость. Сначала делают проектный расчет, затем поверочный.
Стойки рамы, как правило, выполняют с круглым или трубча-
тым поперечным сечением, а поперечины — с сечением в виде
прямоугольников, возможно также использование швеллеров
и уголков. Поперечины и стойки изготовляют из углеродистых
конструкционных сталей (табл. 10.15). Нагрузка при сжатии
соединяемых деталей имеет статический характер.
Для обеспечения фиксации взаимного положения соединяемых
деталей во время диффузионной сварки, а также для точного
замера усилия сжатия необходимо, чтобы жесткость поперечин
была много больше жесткости боковых стоек. Другими словами,
при заданной нагрузке прогиб поперечин должен быть намного
меньше, чем растяжение боковых стоек, т. е.
с>
(10.51)
(10.52)
где /п. в> ft,. н —соответственно прогибы верхней и нижней
поперечин; ft — удлинение стойки.
2-да
Ррс. 10.42. К расчету несущей рамы
При соблюдении условий (10.51) и (10.52) эпюра изгибающих
моментов будет иметь вид, показанный на рис. 10.42. Можно
считать, что стойки рамы подвергаются только растяжению.
Удлинение стойки
/с - Qtc/(2EFc)f
(10.53)
где Q — усилие; lc, Fc — длина и площадь поперечного сечения
.гонки; Е—модуль упругости первого рода, Е~210пПа.
Прогиб поперечин равен сумме прогибов от действия изгиба-
ющего момента и перерезывающей силы:
In. в — /п.ei /и. в*
I F®
И. Я - /П. Н т~ /в, в»
(10.54)
(10.55)
дс /в. н, /п. в — прогиб поперечин под действием изгибающего
момента; в, в — прогиб поперечин под действием пере-
резывающей силы.
Из сопротивления материалов известно, что прогибы при
сзгибе можно найти путем решения дифференциальных урав-
нений
М = Е/Л/;	(10.56)
Q = (EWY,	(10.57)
где 1Я — момент инерции поперечного сечения бруса относи-
гельно оси х; у — перемещение в брусе вдоль оси z.
Для бруса с постоянной жесткостью поперечного сечения вид
уравнения (10.56) сохраняется, но IK = const, а уравнение (10.57)
преобразуется к виду
Q ---- El^y”	(10.58)
293
Решением уравнений (10.56) и (10.58) будут формулы для
расчета прогибов поперечин:
М
"• в“48£/яП.в
(10.59)
fM _ QP (3Z„ - 40.
Га 12 Е1хи.в ’
(10.60)
Q - К	.
°- в “ Л 467%. в ’
(10-61)
___ iz QZ
m я А 26/%. Я ’
(10.62)
где Zn— длина поперечины; /ЛП. в, /жП. в —моменты инерции
верхней и нижней поперечин относительно оси; для прямоуголь-
ного сечения шириной b и высотой h — bhs/V2; 7%.в, /%.н —
площади поперечных сечений верхней и нижней поперечин; К —
коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения, для
прямоугольного сечения К = 1,2; G — модуль упругости второго
рода, для сталей G = ЗЕ/8.
Напряжения растяжения в стойках под действием силы на-
ходят по формуле
<%.с = Q/(2Fc).	(10 63)
Напряжения изгиба в поперечинах рамы, возникающие в ре-
зультате действия изгибающего момента,
___ 4%. в ___________ Q%
и- u- В	и. в 4 X II. В
(10.64)
__ Л%. в
<%. пн----W7
QI
х и. в 2U* х и, в
(10-65)
где D, $^п.н	'—моменты сопротивления поперечных се-
чений, для прямоугольного сечения IF* = ЬНЧЬ.
Напряжения сдвига в поперечинах, возникающие в результате
действия перерезывающих сил, можно не учитывать, так как
в данном случае они меньше изгибающих напряжений, а главное,
в месте действия максимальных напряжений сдвига (центр попе-
речного сечения) напряжения изгиба равны нулю и, наоборот,
в месте действия максимальных изгибающих напряжений (пери-
ферийные точки поперечного сечения) напряжения сдвига равны
нулю.
Проектный расчет. Исходными данными для проектного рас-
чета являются усилие сжатия Р (Р = Q) и геометрические раз-
меры рамы длины стоек /с, поперечин расстояния I от опоры
камеры до центра стойки.
Проектный расчет выполняют в следующей последователь-
ности:
294
L В зависимости от значения силы Q назначают материалы
для изготовления стоек и поперечин. По табл. 10.16 с учетом
статического характера нагрузки устанавливают допускаемые
напряжения выбранного материала на растяжение и изгиб.
Выбирают формы поперечных сечений стоек и поперечин.
2.	Из условия, что напряжения растяжения в стойках рамы
не должны превышать допускаемого значения, площадь попереч-
ного сечения стойки находят по формуле
Fc - Q/(2 [ор]).	(10.66)
С учетом выбранной формы определяют геометрические раз-
меры поперечного сечения стоек. При круглом поперечном сечении
или сечении в виде трубы найденный из условия прочности диа-
метр увеличивают приблизительно на 8—12 мм для выполнения
посадочного места поперечин и крепежной резьбы.
3.	По формуле (10.53) находят удлинения стоек под действием
растягивающей силы.
4.	Из условий (10.51) и (10.52) вычисляют допустимый прогиб
верхней и нижней поперечин.
При этом, как правило, полагают, что
/п. В - к В = (0,1 4-0,3)/.	(10.67)
5.	Находят геометрические размеры сечений поперечин, ис-
пользуя зависимости (10.54) и (10.60).
Задаваясь одним из размеров поперечного сечения, по зависи-
мостям (10.54) и (10.60) находят другие размеры. Для прямоуголь-
ного сечения проще задать высоту сечения и рассчитать ширину
прямоугольника.
6.	На основании выполненных расчетов назначают геометри-
ческие размеры силовых рам установок диффузионной сварки.
Поверочный расчет. Исходными данными для поверочного
расчета являются назначенные материалы и геометрические раз-
меры несущих рам.
Поверочные расчеты выполняют в следующей последователь-
ности:
1. По формулам (10.63)—(10.65) находят напряжения в стой-
ках и поперечинах рам. Найденные величины напряжений не
должны превышать допустимые.
2. По формулам (10.53)—(10.55) и (10.60) определяют пере-
мещения в стойках и поперечинах. Проверяют выполнение соот-
ношений (10.51) и (10.52).
Часто для снижения металлоемкости поперечины рам выпол-
няют с переменным сечением. В этом случае устанавливают ана-
литические зависимости — Д (г), /хПН = f2 (z) и с учетом
граничных условий проводят интегрирование дифференциальных
уравнений (10.56) и (10.57), после чего находят прогибы поперечин
рамы Формулы для расчета удлинения стоек рамы. напряжений
295
в стойках и поперечинах при этом не изменяется, если выпол-
няются условия (10.51) и (10.52).	|
Пример. Рассчитать несущую раму. Исходные данные: Q — 100 кН, ?с=
= 1,0 м, /п = 0,6 м, I ~ 0,15 м.
Сначала проводим проектный расчет.
I.	С учетом заданной нагрузки в качестве материала для изготовления стоек
и поперечин несущей рамы выбираем сталь 10. Поперечное сечение стоек прини-
маем в виде круга диаметром dc, поперечное сечение верхней поперечины — в виде
прямоугольника размером £п. bX/id. е» нижней — в виде двух прямоугольников
&п. в X Лп. н-
2.	Определяем площадь поперечного сечения и диаметр стойки:
р =	— IQ6 — 4 545,10-< ма.
0 ~ 2!аР1	2 110-10° ~	*
* г *

4,545-10~4
3,14
2,41-10“' м.
3 14 <2 5- 1ГГаР
Назначаем dc= 3,5-10“? м, тогда Fc = —-—----------L 9,616-10~* ма.
Назначаем внутренний диаметр d резьбы под гайки на концах стоек: d
— 2,5-10“а м. Тогда
F = 3,14-2,5-10~* = 4 до5 10_4 м,
4
3.	Находим удлинение стоек под действием растягивающей силы
= А = 1ОМ.О = 2 6.10_ м
/с 2EFC 2-2-10п-9,616-10~4	’
4.	Принимаем, что допускаемый прогиб поперечин
/п. в =/п. н = 0,3/с = 0,3-2,6-10“' = 7,8-10“® м.
5.	Назначаем высоты прямоугольников поперечных сечений верхней и ниж
ней поперечин: Яп. в— 0,25 м, н — 0,15 м.
С учетом выражений (10.54) и (10.59)—(10.62) находим Ьп. в и Ьп, в-
А	10®-0,6
п’в" 2-10*»-0,25-7,8-10’®
/ 12.0,6* ,
\48-0,252 ’
= 3,45-10“а м;
10®-0,15
Z>nB	2-2-10xi-0,15-7,8-10“’
12-0,15-3-0,6-4-0,15
12-0,15а
=3,07-10“’ м.
Ct • О /
Назначаем	в—3,5 J0“8 м, 6П н3,5-10“а м.
Затем проводим поверочный расчет.
1. Определяем напряжения в стойках и поперечинах рамы:
О	10®
°ро “	= ГОоб-id-* = 10!’9 МПа f°pJ = 110 МПа;
<?/п	~	10®-0,6-6
иавГО 4^а,6	4-3,5-10 «>0,25*
= 41,1 МПа с JOesJ 130 МПа;
296
°’в ~ 4В7х п. в ~4-3.5-10"’-0,15» = 28,6 МПа < |Ои81 J 130 МПа'
2. Находим прогибы поперечин и проверяем выполнение неравенств (10.51)
и (10.52):
fM _	10»-0,6»-12	х
п ®	48£/яп.в	48-2-10п-3,5-10-»-0,25»	’
,м Ql (3Z° ~ 4Z)
Zn- в“ 12£/яп.в =
_ 10в-0,15а (3-0,6 — 4-0,15) 12	Ч71П_, .
12-2-10u-2-3,5- 10~a-0,15*	’	’
fQ _ к ____________________1,2-10-в-0,6.8	_
»-Л в ~~ 4-3-2-10и-3,5-10-а-0,25	'	’
fQ -К &	1,2-10*-0,15-8	_
'п-в-Л 2G£„.B	2-3-2-10u-2-3,5-10-a-0,15 “ ’
/и. в = в + & в = <4’9 + 2-7) 10~б = 7>6‘ 10~‘ < °’3Ze = 7,8‘ 10“6
fn. в = /в. В + /п. в = (V + Ь2) 10-6 = 6,9-10-5 < 0,3/в = 7.8- 10~Б м.
Таким образом, назначенные размеры несущих рам удовлетворяют условиям
прочности и жесткости.
ГЛАВА 11. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ
И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОЙ
СВАРКИ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Для замера температуры соединяемых деталей в уста-
новках диффузионной сварки наиболее широкое распространение
получили термоэлектрические и пирометрические датчики.
Термоэлектрический датчик (термопара) состоит из двух разно-
родных термоэлектродов (табл. 11.1), одни концы которых соеди-
нены между собой (как правило, сваркой), а другие включены
в электрическую цепь, как показано на рис. 11.1. Один конец
термопары с соединенными термоэлектродами называют горячим
спаем, а другой — холодным спаем. Горячий спай приводят в кон-
такт с деталями или оснасткой, температуры которых необходимо
измерить, а холодный находится при нормальной температуре.
Для уменьшения влияния внешних воздействий термоэлектроды
помешают в керамические изоляторы
297
Рис.. 11.1. Термопара
Принцип действия термопары основан
на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект
Томсона заключается в том, что если про-
водник, обладающий электронной прово-
димостью, нагрет по своей длине нерав-
номерно, то на его конце с большей
т емпер ату рой повышается ко нцентра ция
свободных электронов, которые диф-
фундируют к холодному спаю. При этом нагретый конец заря-
жается положительно, а холодный — отрицательно. Эффект
Зеебека проявляется в том. что в спаях различных проводников
возникают контактные разности потенциалов, вызванные диф-
фузией свободных электронов из проводника, в котором их больше,
в проводник, где их концентрация меньше.
При включении термопары в электрическую цепь вследствие
суммарного действия эффектов Томсона и Зеебека в цепи соз-
дается термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), возникает элек.
Таблица 11Л
Технические характеристики термопар
Гии	Обоза а» чение 1 i	Материал термозлектродн		Предельная темпера* тура измерения, К	
		положительного	отрицатель- ного	при длитель- а о w приме- нении	при крат- ковремен- ном ПрИМС- ненни
Медь-ко- пеленая	МК (Л4)	Медь Ml	Копель МНМц 43-0,5	73—373	373
Хромель- копелевая	ХК(£)	Хромель ТНХ9,5	То же	73—873	1073
Хромель- алюмелевая	ХА (X)	То же	Алюмель НМц АК2-2-1	73—1273	1573
Платинороди й- платиновая	ПП (S)	Платинородий ПР-10	Платина ПлТ	273-1573	1873
Платинородий- платшюро- диевая	ПР (В)	Платинородий ПР-30	Платиноро- дий ПР-6	573—1873	2073
Вольфрам- рениевая	вр И)	Вольфрам — рений ВР-5	Вольфрам- рений ВР-20	273—2073	2773
1 В скобках указан класс термопары*
298
о
Рис. 11.2. Схемн соединения термо-
пар:
а — последовательное; 6 — последова-
тельное с встречной полярностью;
в — параллельное
трический ток и, следовательно, на сопротивлении нагрузки /?н
появляется выходное напряжение.
Напряжение в статическом режиме пропорционально разности
температур горячего и холодного спаев:
f/вых -	7\),	(11-1)
где К — коэффициент пропорциональности, определяющий чув-
ствительность термопары.
Для повышения чувствительности при измерении температуры
применяют схему последовательного включения термопар
(рис. 11.2, а). Такое соединение называют термобатареей. В этом
случае общая термоЭДС батареи равна сумме термоЭДС отдельных
термопар. В случае, когда требуется определить разность темпе-
ратур в двух точках, например при определении градиента темпе-
ратур в разных частях соединяемых деталей, используют встреч-
ное последовательное включение термопар (рис. 11.2,6). Такая
система называется дифференциальной термопарой. Общая термо-
ЭДС дифференциальной термопары равна разности термоЭДС
отдельных термопар. Для определения средней температуры по
нескольким измеряемым точкам применяют параллельное вклю-
чение термопар (рис. 11.2, в).
Термопары являются датчиками генераторного типа, т. е.
для их работы не требуется подвода энергии. Вследствие этого
назначение вторичных приборов заключается в замере термоЭДС,
записи, если требуется, изменения термоЭДС во времени и управ-
лении источником нагрева через реле печи с помощью ЭВМ.
В качестве вторичных приборов применяют автоматические элек-
тронные потенциометры типа КСП-4.
299
Рис. 1L3. Статические характеристики
термопар
Статические характеристики
термопар приведены па рис.
11.3.
В тех случаях, когда вто-
ричные приборы для замера
температуры сварки находятся
на большом расстоянии от ра-
бочей камеры установки, для
соединения их с термопарой ис-
пользуют специальные, выпус-
каемые промышленностью ком-
пенсационные провода, включе-
ние в цепь которых не оказы-
вает влияния на термоЭДС тер-
мопары.
Термопары имеют простое устройство, относительно неболь-
шую стоимость и надежны в эксплуатации.
В тех случаях, когда по каким-либо причинам нельзя исполь-
зовать контактный способ замера температуры, а также когда
температура соединяемых деталей выше верхнего предела темпе-
ратуры, измеряемой термопарами, применяют пирометрические
датчики излучения. Тепловой поток от нагретых тел образуется
совокупностью элементарных монохроматических излучений с раз-
личной длиной волн. Сюда входит видимый человеческим глазом
диапазон длин волн от 0,4 до 0,76 мкм и невидимая инфракрасная
область, на которую приходится наибольшая доля энергии тепло-
вого излучения. Измеряя энергию излучения нагретого тела,
можно определить его температуру.
Для определения температуры соединяемых деталей по изме-
ряемой энергии излучения используют три основных метода.
1.	Измерение интенсивности монохроматического излучения
с помощью оптических и фотоэлектрических пирометров частич-
ного излучения.
Из спектра излучения тела g помощью специального свето-
фильтра выбирается узкий интервал с заданной длиной волны.
Интенсивность излучения в эгом интервале служит мерой темпе-
ратуры тела. Замеренная температура тела является не истинной,
а так называемой яркостной температурой, которая всегда меньше
истинной. Истинная температура тела определяется по формуле
где TR — яркостная температура; X — длина волны, са — по-
стоянная излучения, = 1,438* 1СГ2 м-К; —излучательная
способность или монохроматическая степень черноты.
2.	Измерение полной мощности излучения с помощью ради-
ационных пирометров (пирометров полного излучения).
300
Рис. 11.4. Схема оптического пирометра мод. ОППИР-017
В этом случае проводится замер радиационной температуры,
которая также меньше истинной. Истинная температура тела
определяется по радиационной температуре Тр по формуле
т-т,У ф.
где е — интегральная излучательная способность «ли степень
черноты нагретого тела.
3.	Измерение отношения интенсивностей монохроматиче-
ского излучения на двух длинах волн с помощью цветового пиро-
метра.
Температура, замеренная таким методом, называется цветовой
температурой. Истинная температура нагретого тела находится
по формуле
где Тц — цветовая температура; Х15 Х2 — длины волн;	—
излучательная способность при данных длинах волн.
Сравнивая перечисленные выше три метода замера темпера-
туры, следует отметить, что при использовании цветовых пиро*
метров погрешность замера минимальна, так как отношение моно-
хроматических степеней черноты при различных длинах волн
в меньшей степени зависит от состояния источника излучения.
На рис. 11.4 приведена схема оптического пирометра
мод. ОППИР-017, используемого для замера температуры по
первому методу. Он состоит из объектива /, визирной трубки 2,
пирометрической лампы 3 с нитыо накала, окуляра 4, красного
светофильтра 5, реостата 6, затемняющего светофильтра 9, изме-
рительного милливольтметра 7 и источника тока 8,
301
Рис. IL5. Схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП
С помощью объектива 1 и окуляра 4 получают изображение
нити накала на фоне объекта, затем путем изменения силы тока
в лампе 5 с помощью реостата добиваются совпадения интенсив-
ностей излучения нагретого тела и нити накала, при этом изобра-
жение нити на фоне объекта исчезает. Температуру определяют
по шкале милливольтметра 7, которая проградуирована.
Схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП, работающего
по такому же методу, приведена на рис. 11.5.
Световой поток от нагретого тела собирается объективом Л
диафрагмируется диафрагмой 2 и через верхнее отверстие диаф-
рагмы 4 и светофильтр 5 попадает на фотоэлемент 6. В противо-
фазе со световым потоком, что обеспечивается вибрирующей
заслонкой 3, приводимой в движение от электрома1ъитного вибра-
тора 7, на фотоэлемент 6 попадает световой поток от эталонной
лампы накаливания S, который проходит через нижнее отверстие
диафрагмы 4 и светофильтр 5. Через лампу накаливания при этом
протекает ток выходного каскада электронного усилителя ЭУ,
что обеспечивает отрицательную обратную связь по световому
потоку.
При равенстве световых потоков, поступающих на фотоэлемент
от излучателя и эталонной лампы, суммарный поток не содержит
переменной составляющей. Если величины потоков отличаются
друг от друга, в цепи фотоэлемента возникает переменная состав-
ляющая, на усилитель ЭУ подается переменное напряжение,
амплитуда и фаза которого зависят от разности световых потоков.
Усиленный по мощности выходной сигнал фазочувствительного
усилителя подается на лампу, включенную в анодную цепь вы-
ходного каскада усилителя. Ток накала лампы изменяется,до тех
пор, пока ее интенсивность излучения не сравняется с интенсив-
ностью излучения нагретого тела и переменная составляющая
не станет равной нулю.
Последовательно в цепь лампы включен резистор R, прдение
напряжения на котором пропорционально силе тока ла^иы и,
302
. И.6. Термобатарея радиацион-
d пирометра типа РАПИР
следовательно, измеряемой темпе-
ратуре нагретого тела. Это напря-
жение измеряется быстродейству-
ющим автоматическим потенцио-
метром Б АП,
На рис. 11.6 приведена схема
термобатареи радиационного пи- 2
рометра типа РАПИР. Термобата-
рея представляет собой слюдяное
кольцо /, на котором закреплены 7
металлические пластины 2, внут-
ри термобатареи размещены по-
следовательно соединенные тер-
мопары 3. Горячие спаи термопар
находятся в центре термобатареи
пирометра, а холодные спаи при- *
варены к металлическим пласти- 1
нам 2. Световой поток от нагретого тела с помощью спе-
циального телескопа фокусируется на горячих спаях. Возника-
ющая вследствие разности температур горячих и холодных спаев
термопар термоЭДС подается на измерительный прибор.
Блок-схема цветового пирометра приведена на рис. 11.7.
Излучение от нагретого тела с помощью оптической системы
направляется на фотоэлемент 1. В фокусе объектива установлен
диск с двумя отверстиями, в которых размещены красный и синий
светофильтры. Диск вращается от электропривода (частота 50 Гц)
При вращении диска на фотоэлемент поочередно попадают крас-
ный и синий участки спектра излучения. Под действием световых
импульсов в фотоэлементе формируются импульсы напряжения,
пропорциональные интенсивности излучения в красном и синем
участках спектра. Импульсы усиливаются электронным усили-
телем 2 и подаются в измерительную схему 3. С помощью комму-
татора 4 прямоугольные импульсы, соответствующие интенсив-
ностям излучения, через красный и синий светофильтры подаются
в противофазе на фильтр 5, а затем на потенциометр 6.
В релейных системах автоматического управления применяют
датчики-реле температуры (рис. 11.8) Датчик-реле состоит из
Рис. 11.7, Блок-схема цветового
пирометра
Рис. 11.8. Биметаллический датчик
температуры
303
биметаллической полосы Д несущей подвижный контакт 2, и
монометаллической полосы 4 с неподвижным контактом 3. Поло-
жение полосы 4 устанавливается регулировочным винтом 5.
Действие датчика основано на различии коэффициентов линей-
ного термического расширения материалов, из которых изготов-
лена полоса 1. Верхний слой биметаллической полосы изготовлен
из железа, а нижний — из сплава железа с никелем (инвара),
который имеет коэффициент линейного термического расширения
на порядок меньший, чем у железа.
При нагреве биметаллическая полоса вследствие разницы
в значениях КЛТР верхнего и нижнего слоев изгибается и при
определенной температуре происходит замыкание контакта.
§ 2. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
УСИЛИЯ СЖАТИЯ
Для замера усилия в системах нагружения широкое
распространение нашел косвенный тензометрический метод, суть
которого заключается в измерении перемещения упругого эле-
мента под действием приложенного усилия с пересчетом на давле-
ние по закону Гука.
Тензометрический датчик (рис, 11.9) представляет собой за-
крепленную на токонепроводящей подложке 1 проволочную или
фольговую спираль 2 с базовой длиной /б. Датчик 2 наклеивают на
упругий элемент /, выполненный в виде сплошного (рис, 11.10, а)
или полого (рис. 11.10, б) цилиндра при больших нагрузках
и в виде балки (рис. 11.10, в) при меньших нагрузках.
Под действием нагрузки Р тензодатчик в зависимости от
направления действия нагрузки удлиняется или сжимаегся на
величину Д/, т, е. претерпевает деформацию M/lG. При изменении
длины проволоки или фольги
изменяется их сопротивление.
Таким образом, при включении
тензодатчика в электрическую
Рис. 11.9. Схемы тензометрических
датчиков с проволочной (а) и фольго-
вой (б) спиралями
Рис. 11.10. Схемы установки тензо-
метрических датчиков ।
304
Рис. 11.11. Статически я характеристика
тензодатчика
Рис. 11.12. Электрическая схема вклю-
чения тензодатчиков
схему изменяется параметр электрической цепи. Статическая
характеристика тензодатчика, представляющая собой зависимость
относительного изменения сопротивления спирали от ее деформа-
ции, приведена на рис. 11.11.
Усилие сжатия соединяемых деталей находят по закону Гука:
п	ГГ	'	П А	С
для цилиндра Р = — EF, яля балки Р- 4 —-у-, где ’
модуль упругости материала элемента, на который наклеен датчик;
F и W — соответственно площадь поперечного сечения и момент
сопротивления поперечного сечения упругого элемента; L —
расстояние между опорами балки.
К основным характеристикам тензодатчиков сопротивления
относятся.
1.	Максимальная измеряемая деформация
е0 max ~ 0,003.
2.	Чувствительность к продольной деформации
= bR/(Rfa) = tg а,
где /?0 — начальное сопротивление; АТ? - абсолютное изменение
сопротивления тензодатчика в результате деформации; е0 — про-
дольная деформация; а — угол наклона статической характери-
стики к оси абсцисс
Для проволочных датчиков —	— 1,84-2,1; для фольговых —
Kq - 2,24-2,3.
3.	Чувствительность к поперечной деформации
К и — &Rl(RG&a)t
где ед — поперечная деформация.
Для датчиков с Z6 > 10 мм Кп?Кь 0,014-0,02. Так как
отношение Ka/KG мало, то можно принять, что AjR//?0 =
4.	Чувствительность датчика к изменению температуры
RvlRo — сч АТ,
305
где R-r — сопротивление спирали датчика после изменения темпе
ратуры; ад — ₽ + /Со (cuj — 04) — коэффициент, учитывающей
изменение температуры; ДТ —* изменение температуры; Р —
температурный коэффициент металла проволоки; ссь а2 — коэф-
фициенты линейного термического расширения материалов про-
волоки спирали и упругого элемента.
5.	Допустимая сила тока в тензодатчике
/д = VA^TNq/p,
где А — коэффициент теплоотдачи; q — периметр и площадь
поперечного сечения проволоки; р — удельное сопротивление
материала проволоки.
6.	Сопротивление тензодатчика. Сопротивление проволочного
тензодатчика Ro — 504-400 Ом; фольгового Ro = 304-200 Ом.
7.	Ползучесть тензодатчика
П = (А№), - (Д^0)г 1000% = 2	3%J
где (kR/R^ и (AJ?//?0)2 — изменения сопротивлений тензодатчика
в момент приложения нагрузки и через час после ее приложения.
8.	Интервал рабочих температур для проволочных датчиков
от 223 до 313 К, для фольговых от 223 до 363 К.
9.	Сопротивление изоляции между проволокой или фольгой
тензодатчика и упругим элементом должно составлять (0,5—
1,0) 10е Ом.
Тензодатчики сопротивления необходимо выбирать с учетом
их характеристик для того, чтобы свести к минимуму возника-
ющие погрешности измерений. Данный тип датчиков включают
в мостовые электрические схемы (рис. 11.12); при этом в качестве
выходного сигнала используют напряжение, возникающее на
сопротивлении нагрузки при разбалансе моста.
Из электротехники известно, что иъъгх — 0, если выполняется
равенство
R-J\2 - RORS.	(Н-2)
где /?! — jR8 — постоянные сопротивления плеч моста.
В этом случае имеет место баланс моста. Поскольку сопротив-
ления резисторов имеют разброс, баланс моста устанавливают
путем подключения добавочных сопротивлений ЯД1 и /?д2- Соотно-
шения между добавочными сопротивлениями подбирают с по-
мощью реостата.
При нагружении упругого элемента сопротивление наклеен-
ного на него тензодатчика изменяется, что приводит к нарушению
равенства (11.2), происходит разбаланс моста и появляется вы-
ходной сигнал в виде напряжения С помощью усилителя
^выг усиливается и подается на блок индикации или в систему
автоматизированного управления установкой диффузионной
сварки.
306
В установке с гидравлической системой нэгружех^ия усилие
сжатия деталей может контролироваться косвенно с использова-
нием измерительного преобразователя типа «Сапфир». В коя
струкциях таких преобразователей тензодатчики устанавливаются
на упругих элементах типа мембран. Под действием давления
жидкости мембрана прогибается, происходит изменение базовой
длины тензодатчика ир следовательно, изменение его электриче-
ского сопротивления.
Во встроенном электронном устройстве преобразователя форми-
руется электрический сигнал, пропорциональный дав дению рабо-
чей жидкости в гидравлической системе сжатие Из первичного
преобразователя сигнал поступает в блок вторичных приборов,
где он преобразуется в унифицированный аналоговый сигнал.
§ 3.	ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Процесс диффузионной сварки сопровождается пла
стической деформацией соединяемых деталей. В технических
требованиях, предъявляемых к изделиям, полученным с исполь-
зованием диффузионной сварки, как правило, оговаривается
предельно допустимая пластическая деформация. В связи с этим
в процессе диффузионной сварки необходимо контролировать
и управлять перемещением штока механизма нагружения, которое
при заданной геометрии соединяемых деталей определяет пла-
стическую деформацию. Кроме того, перемещение штока необ-
ходимо ограничивать для предотвращения поломки узла гермети-
зации ввода штока в камеру и механизма нагружения.
В качестве датчиков линейных перемещений, имеющих на
выходе аналоговый сигнал, наибольшее распространение полу-
чили потенциометрический и индуктивный датчики.
Потенциометрический датчик (рис. 11.13) представляет собой
реостат с сопротивлением /?г и подвижным контактом (щеткой),
включенный по схеме потенциометра и запитываемый подачей
напряжения (7ПИТ. Подвижный контакт механически связан со
штоком механизма нагружения установки.
Перемещение S щетки преобразуется в выходное напряжение
Ь'выхэ снимаемое на нагрузке /?н с подвижного контакта и одной
клеммы обмотки потенциометра. Датчик относится к параметри-
ческим, так как изменяет параметр электрической цепи (напря-
жение) и для функционирования требует подвода энергии.
Чувствительность датчика, определяемая как отношение при-
ращения выходной величины (напряжения) к приращению вход-
ной величины (перемещения), составляет 3- -5 В/мм. Ступенчатый
вид статической характеристики Ur. f (S) объясняется тем,
что щетка дискретно переходит с одной проволоки реостата ш
другую. Потенциометрический датчик имеет простые конструкцию
и электрическую схему, малые габариты и массу, одкакг вслед-
Рис. ПЛЗ. Схемы датчиков и их характеристики:
а —. потенциометрическса о; б — индуктивного; в — электроконтактного
ствие наличия подвижного контакта имеет ограниченный срок
службы.
На рис. 11.13, б приведена принципиальная схема дифферен-
циального индуктивного датчика перемещения. Перемещение
штока 1 вызывает перемещение подвижной части магнитопро-
вода 2; при этом происходит изменение зазоров 6г и б2 между
подвижной и неподвижными частями магнитопровода 4. Это,
в свою очередь, изменяет индуктивность катушек 3. Катушки
датчика включаются в мостовую схему переменного тока; при этом
выходной сигнал (разбаланс моста) пропорционален входному
сигналу (перемещению). Чувствительность индуктивного датчика
достигает 10 В/мм.
Вследствие отсутствия подвижного контакта индуктивные дат-
чики имеют большой срок службы и высокую надежность. К не-
достаткам следует отнести ограниченную область линейной зави-
симости выходного и входного сигналов. Как и потенциометри-
ческие, индуктивные датчики относятся к параметрическим
и требуют подвода энергии.
Вторичные приборы таких датчиков имеют блоки индикации
перемещений, блоки записи изменения перемещений во времени
и блоки питания датчиков. При использовании рассмотренных
выше датчиков перемещения в системах автоматического управле-
ния установками диффузионной сварки необходимо производить
преобразование естественного выходного сигнала датчиков в уни-
фицированный аналоговый сигнал. Для этой цели применяют
усилители или нормирующие преобразователи.
Для ограничения перемещения штока при нагружении и раз-
грузке используют электроконтактный датчик (рис. 11.13, в),
имеющий релейную характеристику.
308
При предельно допустимом перемещении шток г 7 гчоивхо^.я*
замыкание подвижного и неподвижного контактов ( сркнего 3
или нижнего 4 в зависимости от направлени г перемещения)
о подвижным контактом 2, выходной дискретный сигнал подается
на реле, отключающее механизм нагружения.
§ 4.	ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВРЕМЕНИ
НАГРЕВА ДЕТАЛЕЙ И ДАВЛЕНИЯ
ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ
При ручном управлении установками диффузионной
сварки время нагрева деталей, изотермической выдержки и охла-
ждения можно контролировать о помощью механических или
электронных часов.
В системах автоматического управления используют реле
времени или «Таймер».
Схема простейшего биметаллического реле времени приведена
на рис. 11.14. При включении нагревающей обмотки 1 верхняя
биметаллическая пластина 2 прогибается вниз (нижний слой
пластины по сравнению с верхним сделай из материала с меньшим
коэффициентом линейного термического расширения) и по исте-
чении заданного времени замыкает электрическую цепь. Время
срабатывания реле регулируется путем изменения расстояния
между контактами с помощью винта 5.
Для контроля давления остаточных газов в вакуумной рабочей
камере при низком и среднем вакууме широкое распространение
получили тепловые преобразователи Тепловые преобразователи
з зависимости от способа измерения температуры делятся на
термопарные преобразователи и преобразователи сопротивления.
Термопарные преобразователи (рис 11.15, а) состоят из стек-
лянного или металлического баллона 3, который подсоединяется
к вакуумной системе В баллоне размещены нить накала / и
присоединенная к ней термопара 2. Сила тока накала нити
регулируется реостатом, а термо-
ЭДС термопары измеряется мил-
9ремени
309
л и вольтметром. В зависимости
от давления остаточных газов
в баллоне 3 изменяется теп-
лопроводность газа от нити на-
кала на стенку баллона и, сле-
довательно, изменяется раз-
ность температур между нитью
накала и баллоном. Это изме-
нение фиксируется термопа-
рой. В зависимости от величи-
ны термоЭДС термопары по гра-
дуировочной кривой находят
давление остаточных газов.
В преобразователе сопротивления (рис. 11.15, б) для измере-
ния температуры используется зависимость сопротивления нити /,
расположенной в баллоне 2 от температуры. Преобразователь
встроен в мостовую схему. Силу тока накала нити измеряют мил-
лиамперметром, включенным в то же плечо моста, что и преобра-
зователь, а температуру нити — по силе тока гальванометра
в измерительной диагонали моста. Сила тока накала регулируется
реостатом.
Оба преобразователя могут работать как в режиме постоян-
ного тока накала, так и в режиме с постоянной температурой нити.
Принцип действия электронных преобразователей основан на
законе пропорциональности давления остаточных газов и ионного
тока, образовавшегося в результате ионизации молекул газа
электронами. Сами электроны появляются в баллоне преобразо-
вателя вследствие эмиссии из термокатода.
Существуют два типа электронных преобразователей. Схема
электронного преобразователя с внутренним коллектором
(рис. 11.16, а) аналогична триоду. Электроны на своем пути от
катода К к аноду А соударяются с молекулами остаточных газов,
при этом молекулы ионизируются и образовавшиеся положитель-
ные ионы попадают на сетку С, создавая ионный ток 7И, который
измеряют гальванометром. Чем выше давление остаточных газов,
тем больше сила ионного тока. В данной схеме коллектором ионов
является сетка.
В схеме с внешним коллектором (рис. 11.16,6), которым
является анод Л, электроны, летящие от катода К, совершают
ряд колебаний вокруг витков сетки С, что увеличивает длину
траектории электронов и повышает вероятность ионизации моле-
кул газов. В результате этого электронный преобразователь
с внешним коллектором более чувствителен.
§ 5.	АВТОМАТИЗАЦИЯ СВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК
Для автоматизации сварочных установок разработаны
релейная система управления и система управления с по-
мощью мини-ЭВМ.
310
ЗЮ %
Рис. 11.17. Релейная схема автоматического управления сварочной установкой

Релейная система (рис. 11.17) позволяет осуществлять авто-
матическое управление установками для диффузионной сварки
в вакууме по жесткой программе. Установка имеет высоковакуум-
ную систему откачки воздуха из рабочей камеры, индукционную
систему нагрева соединяемых деталей токами высокой частоты
и гидравлическую системы сжатия
ЗП
i ' кия остаточных Гизов в камере используются
•чики: » хО • чя низкого вакуума и ионизационный
, я высоко о вякуу j Злмер температуры сварки осуществляется
 рмоп ;рой, г: шмср усилия сжатия деталей проводится косвенным
юрапом пут~> i ' .zcf уния давления масла в гидросистеме.
Пр —.<? <}’’ йог.. из варки при использовании релейной
:хемы автс нчеслсго управления осуществляется в следующей
•оследовате.-г но ти
।	гг],| -	it " г.ачи охлаждающей воды в узлы
г’^гочн^и . ли г з । л-’очастотного генератора. Давление
♦	%тм(- . г • манометром, а контроль давления осу-
меегыямся -п-.лъц н’п помощью реле давления 16, Свари-
 1?мые • 1 усланнализают 1 вакуумную рабочую камеру 7
.< гермети.. руют ка'»ср Цвключения установки все вакуумные
• эагы ’олжн! - я» =• крытом положении.
2 При ’ гин -	yciu на пульте управления 15
• . .V ре г* 6 лро l  •• нт мхлючедие форвакуумного механи-
ческс н ’  • П; < отсутстЕи: .еосходимого давления (0,15—
п 20 ЧП охл<пн г ‘ •иш_. -од., г системе включение установки
Гло:	1 * ссги _льлеиие води пвдает ниже заданного уровня
• рцес -	1 пои™» • □аркп, то от реле давления 16 через
плох ре . । \ ( • .»••:. 1 выключение всех агрегатов установки,
у роме ':.ни и ского • ак yv юго насоса 1.
}, О, .» 1 ’ 1 ’	.* / .зкуулным насосом через блок реле 26
.|рмизво.ог«^ ’ '	.. н^грсь^гсля высоковакуумного диффу-
:нюни но я	' • 30 .и ггрьва-*-ся вакуумный вентиль 3/. Нагрев
v а ъ д|.	, 1онн* - я сосс прел згюдится в течение 40—45 мин.
Ло1 т»? псы;•: ’ - • \ работе Илсо» а 30 с помощью реле времени,
гов -'.ног- л	р' 26, включается первая ступень
зысокпчи* г ттн л • источник* нагрева 27. Через определенное
jpeu > (-3	•	• г репен и, vc.TaHOB.4eHHoro в генераторе 27,
гглк ж ।	. d£ :т; иснь источника нагрева. Таким образом
суш^ 1 ь пи; тговка к работе установки диффузионной
варкл
4. От  згежни генератора 27 через блок реле 26 произ-
ычдит -	г:	. Eahj	Mioro	. лтичя 31 и открытие вентиля 2
предвар* •	и ; з	л;ения	Одновременно от блока реле 26
1.*р • , д .[> 4гн»	прибор	4. вкл1	>ч<1гтся ;агчик низкого вакуума 22,
плектрti и •	-	игна	г которого - процессе предварительной
откачки П г -1ы»' на втсоччныи прибор 23. После достижения
заданной > . • . >	•	। <пых газов в вакуумной камере
• ‘3,3 Па) с вгор	пр inopa _• подается релейный сигнал
гл блок 26, 1 .т:. закрывается и открывается вентиль 3/,
с черел н ко.чг . 1	— \ г открывается вакуумный затвор 29.
<j* ^временно этим .т. г.-тсгвсн! через вторичные приборы 23
г: 21 v ои =1. ;г:	тгк • чегие дат 1чкз низкого вакуума 22 и
- 1х м ;	<	-4» ок »г rwiKyyua 3.
5.	По достижении требуемо^ степени -?к <а в • мой
технологией диффузионной сварки, мере, т । и реле 26 включает!,
система нагрева, т. е. подаеюя н_ ряженке на надуктор б и сва-
риваемые детали нагреваются В проы i;i р. ни г- ей or
термопарного датчика температуры ?	. . ।। ? 1
вторичный прибор 28 и от него ил Сих pej? П *с . юсгижег; у.
заданной технологией температуры, которой бул - i г* -,i •. ।-пвоьз-»
определенная термоЭДС термопары 5 производятся в^. печение
гидронасоса переменной произго*п _ чости 13, •« тник 14
переключается в положение подачи м в рабочую и листь 11
гидроцилиндра 10, через втс 'чный 11] .i‘	18 ьк ikh.	датчик
давления 17, Требуемое у<ил»е сж"1к	1 ?пс^. .	'Таись
устанавливается путем изменения •» > _? .' ...ль-	• дро-
насоса 13.
6.	Одновременно с включен ем . нстемн жг' > втоок*-
ный прибор 20 включает. за^чи». пг. 1 - . t •
цилиндра 19 В случае достижен: я штт г. г*адъ . .
мого перемещения от прибора н^ст вег рг .синь	н*
блок 26 и переключается электромаг ьл иый золотник It ни лив
масла из рабочей полости гидроцил л.др. в ма< <• -ik 12.
7.	После проведения требуемо, i ю^ерми<к*ской । ржки
под давлением соединяемых деталей систег . грева отключают
и сваренные детали охлаждаются в акуv	до зад той темпе-
ратуры. Затем от реле времени в блок 26 пс i тся ни ы на снятие
с деталей сжимающей нагрузки путем перс лючени i i гтнгка 1-
на слив масла из рабочей полости 11 гидроцил га • •. качу
масла в полость 9. При этом hitok т и 1 нлпнд] игр» г’щзегся
вверх до предельно допустимой ичины, ••тор.\ • ; । ир :
датчиком перемещения 19, госле чего чей ♦тсричный прибор ,'1
подается релейный сигнал на блок рс ?(« >	• ; юч^гь - ’ । : »
насос 13. В ряде случаев определяйчьиг лю it •. снятие
нагрузки со сваренных деталей пров .пи сг •« г. леи: • i о
ключением системы нагрета.
8.	После охлаждения дета.тей д/j тр<“» ем 	' мпер т. ды
воздух напускается в ваю /мнув рабочую ej% пу ак^ .
затвора 29 и открытия натекателя 3 Камер-’ ча-герм! .изир.ч,
и сваренные детали выгружают. При огкг - ’ гру» ног
люка рабочей камеры от сигнал он^актг’^го Датчи . :-г Лирич-
ный прибор 25 подает релейный сигнал на блок рече J6: при эг<лл
блокируется включение агрегатов сварочной rraiiui
9.	После замены деталей закрывают загр.* личный герме-
тизируя вакуумную камеру, при этом после сигнала датчику 24
прибор 25 подает сигнал на блок реле 26 и опять начинается сва-
рочный цикл:
^Система автоматического управления установками дифф /зион
ной сварки на базе мини-ЭВМ позволяет осуществлять гибкую
перестройку программы в зависимост пт гребуемых законов
изменения технологических панамец	-у , ущ i
ния значительно дороже релейных, поэтому их целесообразно
применять в универсальных сварочных установках при единичном
и мелкосерийном производстве широкой номенклатуры ответ-
ственных изделий, а также в исследовательском оборудовании.
Схема системы автоматического управления сварочной уста-
новкой на базе мини-ЭВМ типа ДВК приведена на рис. 11.18.
Установка имеет вакуумную рабочую камеру, систему предвари-
тельной и окончательной откачки воздуха» электромеханическую
систему сжатия соединяемых деталей, систему нагрева, состо-
ящую из модулей радиационного нагрева от ленточных или про-
волочных нагревателей и светового излучения, модуля нагрева
проходящим током. Управление установкой осуществляется
с пульта ручного управления или от мини-ЭВМ через блок автома-
тического управления.
Порядох работы отдельных узлов сварочной установки та-
кой же, что и узлов установки, описанной выше, однако все
команды подаются по программе от мини-ЭВМ, с помощью которой
также осуществляется контроль за их выполнением и за состоя-
нием самой установки.
Информация о давлении остаточных газов в вакуумной ра-
бочей камере поступает от датчиков низкого вакуума ВЛ1 и
гы о кого в куума ВЛ2 в виде аналогового электрического сигнала
на соответствующие вторичные приборы ВИ и ВВ. Со вторичных
приборов преобразованные сигналы поступают на коммутатор,
аналого-цифровой преобразователь АЦП. где непрерывные ана-
логовые сигналы преобразуются в цифровой код. Затем информа-
ции поступает на шифратор ШФ и в виде специального кода по
ичтер рей пой св<гзи адает на субблок связи СС схемы автомати-
ческого ул явления и мини-ЭВМ.
Согласи поступающей ст вакуумных датчиков информации
мини-ЭВМ вышлет управляющие команды через блоки СС и ШФ
на блок реле, с помощью которого происходит управление при-
водом насосов откачки.
Датчиком температуры свариваемых деталей служит термо-
пара ТП. Ai алоговый электрический сигнал с термопары усили-
вается и преобразуется с помощью усилителя в унифицированный
аналоговый сигнал, который поступает на коммутатор АЦП,
после чего в виде цифрового кода — на ШФ, СС и мини-ЭВМ.
Управление системами светового радиационного нагрева и нагрева
проходящим током (электроконтактного) осуществляется от мини-
ЭВМ через блоки СС, ШФ и ЦА III (цифроаналоговый преобразо-
ватель, осуществляющий преобразование цифрового кода в не-
прерывный аналоговый сигнал). Аналоговый сигнал с ЦАП1
подается на регулятор напряжения PH-160, с помощью которого
осуществляется управление мощностями нагревателей в зависи-
мости от требуемой температуры. Регулятор напряжения включен
в первичную обмотку трансформатора, а со вторичной обмотки
напряжение подается на световые лампы НС или на токовводы

электроконтактной системы НТ Управление ленточным нагрева-
телем <НЛ) осуществляется с помощью тиристорного регулятора,
при этом управляющий аналоговый сигнал на регулятор посту-
пает с ЦАП1 через усилитель
Усилие сжатия деталей замеряется с помощью тензорезистор-
ною датчика ДС, аналоговый сигнал с которого поступает на
усилитель У и далее последовательно на коммутатор, АЦП, ШФ,
ОС, мини-ЭВМ Включение и выключение электродвигателя меха-
низма нагружения осуществляют от мини-ЭВМ через блоки СС,
1ЦФ реле и привод ЭТА-6. Управление частотой вращения вала
двигателя осуществляется аналоговым сигналом с ЦАП На ЦАЛ
управляющий сигнал поступает в виде цифрового кода с ЭВМ
через блоки СС и ШФ.
3 схеме предусмотрена система замера .перемещения штока
м^хаягэма натруженин Сдатчика перемещевль ДП импульсный
сигнал поступав' на счетчик импульсов, по числу импульсов
к предали егсч перемещение штока. Регулирование работой злею
-.родви зтеля по времени осуществляется блоком «Таймер».
диалоговый вт числитеньный комплекс ДБ К имеет в своем
□став । .ноль с клавиатурой и дисплей для набора программы,
а ,гакжс алфави чю-цифровое печатающее устройство АЦПУ для
вывода информ ; ции на бумагу. В системе автоматизированного
управления пр дусмотрен графопостроитель, с помощью которого
можно осущес Гять запись в виде графиков изменения техноло
гических параметров процесса диффузионной сварки во времени.
ГЛАВА .2. КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОТДИНРНИЙ
Система контроля сварных соединений, выполненных
диффузионной сваркой, включает методы, технические средства,
методики и орттехмероцриятия, предназначенные для обеспечения
требуемого качества и надежности соединений, выполненных
диффузионной .варкой, а также i. пределецие степени пригодности
этих соединений к эксплуатации. При разработке контроля ка-
честве сварных соединений, выполненных диффузионной сваркой,
следует руководство .аться прежде всего требованиями, предъяв-
ляемыми к сварному соединению, а также существующими стан-
дартами. Для контроля сварных соединений в процессе диффу-
зионной сварки разработаны специальные методы и аппаратура.
Контроль готовых сварных соединений в некоторых случаях
осуществляется стандартными методами и средствами контроля.
Во многих практически важных случаях используют методы и
аппаратуру с учетом специфики диффузионной сварки, поэтому
основное внимание в этой главе уделено вопросам контроля,
неразрывно связанным с особенностями сварных соединений,
получаемых диффузионной t, ркс»
316
§ 1.	ДЕФЕКТЫ И ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ
При выборе методов и средств контроля соединений,
выполненных диффузионной сваркой, необходимо иметь четкое
представление о характере дефектов и причинах их появления.
Наиболее характерными дефектами, возникающими при диффу-
зионной сварке, являются непровары, трещины, новые фазы,
высокие остаточные напряжения, большая остаточная дефор-
мация.
Непровары могут иметь раскрытие (размер дефекта в направ-
лении, перпендикулярном к поверхности соединения) от десятых
долей микрометра до десятков микрометров, а их площадь может
составлять от десятых долей квадратного миллиметра до не-
скольких квадратных миллиметров. В отдельных случаях раз-
меры непровара соизмеримы с размером зерен. Непровар может
быть заполнен проникшим в него воздухом, инертным газом (при
сварке в среде нейтрального газа), оксидами или загрязнениями,
не успевшими продиффундировать в свариваемые материалы.
Вообще, для непроваров, образовавшихся при диффузионной
сварке, характерны малое раскрытие, рассеянность по площади
соединения и отсутствие выхода на наружную поверхность свар-
ного изделия. Встречаются так называемые строчечные или
прерывистые непровары, которые на микро шлифе имеют вид
прерывистой линии, идущей вдоль поверхности стыка. Наблю-
даются также скопления непроваров, например, в виде сетки
микро непроваров, каждый из которых имеет длину до 10 мкм.
Причинами непровара могут быть неправильная конструкция
сварных деталей или неправильная их установка в сварочной ка-
мере, а также неправильная конструкция сборочного приспособ-
ления; некачественная подготовка свариваемых поверхностей;
нарушения режима сварки — недостаточные температура нагрева,
сжимающее усилие, время сварки, нарушения состава газовой
среды сварочной камеры. Например, строчные непровары в свар-
ном соединении сталь 35ХГСА — сталь 35ХГСА образуются при
недостаточной температуре сварки или недостаточном усилии
сжатия, или плохой подготовке поверхности под сварку. При
увеличении времени сварки непровары исчезают.
Как известно, при диффузионной сварке меааллов и их сплавов
возможно образование трех основных типов микроструктур зоны
соединения: первый — с двумя границами раздела зоны соедине-
ния, причем структура материала между этими границами явно
отлична от таковой для соединяемых материалов; второй — с ли-
нией контакта между соединяемыми материалами, ширина кото-
рой соответствует границам зерен; третий — с полным исчезно-
вением границы раздела. Рассмотрим характер дефектов для
этих типов соединений на примере пары СтЗ—СтЗ. Сварное соеди-
нение первого типа наряду с непроварами, раскрытие которых
составляет десятки микрометров, имеет линию раздела шириной
317
ю одного микрометра или соизмеримую с границами зерна
L’ случае образования ос динения второго типа» когда в зоне
контакта появляются участки с рекристаллизацией, наблюдается
строчка непроваров раскрытием i—2 мкм и диаметром до 15 мкм.
При получении соединения третьего типа почти но всей зоне соеди-
1ения происходит взаимная диффузия соединяемых металлов;
в остальных участках находится линия раздела, почти оди-
наковая с межзеренными границами, и непровары с раскрытием
2 мкм и диаметром 6 мкм. Как показывают металлографические
исследования, размеры непроваров явно меньше размеров зерен,
а число микронепроваров довольно большое.
Непровары площадью более 0,5 мм2 и с раскрытием более 1 мкм
существенно снижают прочность и особенно усталостные харак-
теристики сварных соединений и динамическую прочность. В про-
цессе исследований было установлено, что прочность сварного
соединения зависит о г площади непроваров, их раскрытия и числа
в зоне стыка. Например, ври сварке образцов из стали 20ХГСА
временное сопротивление разрыву уменьшилось примерно в 9 раз
мосле уменьшения при прочих равных условиях давления сжатия
в 5 раз, что обусловлено значительным увеличением размеров
непроваров. Другой пример; рост числа непроваров в зоне свар-
ного соединения образцов из стали 45 в 2,5 раза привел к умень-
шению временною сопротивления примерно вдвое. Недопусти-
мость нахож (ения непроваров ь зоне соединения связана также
г тем, что ши могут стать зародышами трещин, развивающихся
при приложении нагрузки.
Очень опасны дефекты, выходящие на наружную поверхность
изделия, например сквозные трещины (течи). В дефекты такого
рода могут переходить макро- и микротрещины. Появление таких
дефектов приводит к попаданию внутрь зоны соединения загряз-
нений, созданию разрушающих напряжений. Трещины вызы-
ваются чрезмерно высокими скоростями нагрева и охлаждения,
большим сжимающим усилием и температурой нагрева, нетех-
нологичвостью свариваемых деталей и конфигурацией свариьае
мых поверхностей. Трещины возникают также вследствие рез-
кого различия температурных коэффициентов линейного расши-
; ения соединяемых материалов.
Остаточная деформация вызывается значительным усилием
сжатия, при котором превышается предел текучести свариваемых
материалов.
При сварке титана и его сплавов, в случае отклонения от
оптимальных условий сварки, могут наблюдаться дефекты, пред-
ставляющие собой поры или остатки оксидной или жировой
пленки которые ориентированы вдоль исходной границы раз-
дела. Дефекты в виде оксидных пленок толщиной несколько ми-
крометров наблюдались при диффузионной сварке стали
Г2Х18Й1О1 Оксидные пленки в зоне раздела свариваемых дета-
лей чоз]|ик?ь:л- ш причине недостято ,?о хорошей очистки соеди-
няемых поверхностей перед сваркой. Так, по этой причине на ми-
крошлифе соединения молибден—молибден, полученного при тем-
пературе 1373 К, давлении 15 МПа, времени сварки 20 мин в ва-
кууме 6,5-10“2 Па, наблюдались оксидные пленки темного цвета.
В ряде случаев удаление оксидных пленок с соединяемых поверх-
ностей необязательно для получения качественного соединения.
Например, при диффузионной сварке металлов со стеклом и не-
которыми керамическими материалами более эффективна сварка
через тонкий слой оксида металла.
Дефект, называемый слипанием, проявляется при соединении
деталей без достаточно глубокого взаимного проникания свари-
ваемых металлов. Он образуется вследствие грубых отклонений от
режима сварки. Например, после сварки пакета медных пластин
(толщина пакета 12 мм, толщина каждой пластины 0,2 мм) образо-
валось слипание из-за недостаточной температуры сварки. При
этом, как показал микрошлиф, лист от листа был отделен полоской
оксидов толщиной 2 мкм. При слипании детали, в данном случае
медные листы, легко отделяются друг от друга, в то время как
при качесгвенной сварке для разрушения сварного соединения
необходимо приложить усилие, соизмеримое с прочностью сва-
риваемых материалов.
К числу дефектов можно отнести также значительное измене-
ние структуры материала зоны соединения по сравнению с исход-
ными металлами. Например, при сварке пары титан—-титан
наблюдалось укрупнение зерен.
Дефект оплавление обусловливается нагревом до температуры,
близкой к температуре плавления свариваемых деталей. Это
может быть вызвано неправильной конструкцией нагревательного
устройства или его неточной установкой относительно сваривае-
мых деталей, например недопустимым приближением витков ин-
дуктора к поверхности сварного изделия.
Дефект, называемый смещением, обычно возникает из-за не-
правильной конструкции сборочного приспособления или неточ'
ной установки свариваемых деталей в этом приспособлении.
Таким образом, одни и те же причины могут вызвать образо-
вание различных по характеру дефектов или даже появление не-
скольких видов дефектов сразу. При этом существенно снижается
качество соединения и сварного изделия в целом. К каждому из-
делию предъявляются ряд эксплуатационных требований в от-
ношении качества сварного соединения, и наличие небольших
дефектов в общем случае недостаточно для браковки изделия.
Вместе с тем выявление дефектов соединения позволяет более
качественно о {работать режим сварки.
§ 2.	МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Система контроля должна обеспечивать своевременное
выявление всех дефектов и вызывающих их причин с целью бы-
319
320
Рис< 12.1. Программа контроля
при диффузионной сварке
стрейшей ликвидации недопустимых отклонений от заданною
режима сварки. Для этого контроль осуществляется па всех
этапах, начиная от поступления на сварку материалов и кончая
выпуском готового сварного изделия. В зависимости от казначе
ния изделия, степени его ответственности, а также сис!емы орга-
низации производства существуют различные варианты про-
граммы контроля. На рис. 12.1 представлена программа кон-
троля которая предусматривает условия, максимально исклю-
чающие образование дефектов сварного соединения, а также кон-
троль самого сварного соединения. Она рассчитана на изготовле-
ние конструкций ответственного назначения. В ряде случаев
сдельные позиции этой программы можно исключи<ь в хг-иск-
мости от эксплуатационных требований к сварному еоедчве/ыю.
Например, при сварке малогабаритных турбин основными тре-
бованиями к соединению являются прочность, отсутствие трещин
и непроваров, поэтому программа контроля должна тредусма
тривать проведение механических испытаний, улы развунового
и люминесцентного контроля. Поскольку требования по герметич-
пости в данном случае отсутствуют, то этот вид испытаний должен
быть исключен из программы контроля. В другом случае, на-
пример при сварке теплообменников, основным требованием яв-
ляется их герметичность, поэтому здесь этот вид контроля яв-
ляется основным.
Для обеспечения высокого качества сварных изделий кон-
структор должен обеспечить дефектоскопическую технологич-
ность, поэтому технологический контроль чертежей и другой про-
ектной документации необходимо проводить на стадии проекти-
рования с участием квалифицированных специалистов 1 области
диффузионной сварки. Качество материалов проверяют но дан-
ным маркировки и сертификатов в соответствии с существующими
требованиями Установленный режим сварки для материалов
определенного химического состава может оказаться ьепригод
ным при изменении этого состава. Например, при сварке алюми-
ниевого сплава АЛ9 с титаном ВТ1—0 была получена хорошая
свариваемость материалов при определенном режиме сварки
При аналогичном режиме сварка сплава АЛ26 с титаном ВТ 1—0
не дала положительных результатов. Это обусловлено различным
содержанием кремния в указанных выше сплавах алюминия.
Несоблюдение геометрических размеров свариваемых деталей
может привести к появлению в сварном соединении недопустимых
дефектов. Так. нарушение плоскопараллелэностн нагружаемы?: и
свариваемых поверхностей хрупких материалов (керамика, стекло
и др.) приводит к неравномерности распределения давления в зоне
соединения и как следствие, к трещинам в свариваемых дета-
лях, а при сварке деталей из пластичных материалов — к неран-
но?лерной объемной деформации. Контроль геометрических раз-
меров проводят с помощью калибров, штангенциркулей.,
микрометрических инструментов, инструмент аль ьп/кроско-

пов и др. Увеличение микронеровностей приводит к снижению
прочности диффузионных соединений Создание оптимальной и
контролируемой микрогеометрии соединяемых поверхностей рас-
ширяет конструкторско-технологические возможности диффузион-
ной сварки. При оптимизации режимов параметры шероховатости
задают исходя из гарантированного обеспечения качества соеди-
нения. Шероховатость согласно ГОСТ 2789—73 (СТ СЭВ 638—77)
оценивается количественно одним или несколькими параметрами:
Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;
Rz — высота неровностей профиля;
R max — наибольшая высота неровностей профиля;
Sm — средний шаг неровностей;
S — средний шаг местных выступов профиля;
tp — относительная опорная длина профиля.
При выборе оптимальных режимов диффузионной сварки в ос-
новном учитываются параметры Ra, Rz и R шах, в практических
условиях параметр Ra. Несоблюдение необходимой микрогео-
метрии приводит к недостаточному фактическому контакту сва-
риваемых поверхностей, поэтому предварительно необходимо
устанавливать параметр шероховатости свариваемых поверхно-
стей, обеспечивающий получение качественного сварного соеди-
нения. Например, обработка поверхности многих металлов и их
сплавов с Ra 2,5 мкм достаточна для получения прочного
сварного соединения; при более грубой обработке прочность
сварного соединения существенно снижается.
Для контроля микрогеометрии поверхностей. поступающих на
диффузионную сварку, используют профилометры и профило-
графы, например профилометры-профилографы завода «Калибр»
мод. 252, 283. Перед сваркой проверяют приспособления, служа-
щие для передачи усилия сжатия на свариваемые детали и фикса-
ции их правильного положения. При этом в первую очередь
должны быть проверены материалы, из которых изготовлены
приспособления. Если температура сварки не превышает 1050 К,
то допустимо использовать коррозионно-стойкую сталь
12Х18Н10Т, а при более высокой температуре — молибден или
другие тугоплавкие металлы и их сплавы.
Далее проверяют геометрические размеры и наличие защитного
от приваривания слоя на нагружаемых поверхностях. При от-
слоении защитного слоя осуществляют отжиг приспособления,
например, в среде водорода при 1200—1250 К в течение 2—3 ч.
Перед сваркой необходимо проверить также наличие в приспособ-
лении отверстая или паза, предназначенного для крепления
термопары В процессе сборки проверяют соответствие сопря-
гаемых поверхностей приспособления и свариваемых деталей,
смещение свариваемых поверхностей относительно друг друга,
наличие компенсаторов давления (например, прокладок из пла-
стичного материала), размеры зазоров между прижимными эле-
ментами для ограничения деформации свариваемых деталей.
Равномерность прилегания сложных по форме поверхностей
можно проверить с помощью специальных красок, наносимых
на эти поверхности
Важную роль в технологическом цикле диффузионной сварки
играет надежность и достоверность работы отдельных узлов сва-
рочной установки. Контроль сварочного оборудования имеет
целью обеспечение стабильной работы установок диффузионной
сварки, так как только при этом возможно воспроизводить с опре-
деленной точностью заданные параметры режима диффузионной
сварки. Для достижения этой цели проводятся периодические кон-
трольные проверки исправности всех систем установки диффузион-
ной сварки (нагрева, сжатия, вакуумирования, охлаждения и др.),
а также планово-предупредительный ремонт и аттестацию уста-
новки, в процессе которой определяют параметры и характери-
стики установки и их соответствие технической документации.
Смонтированные на сварочной установке приборы (вакуумметры,
динамометры, потенциометры, амперметры и др.) периодически
проходят метрологическую поверку и при необходимости ремон-
тируются . Квалификация наладчиков установок диффузионной
сварки, а также сварщиков-операторов и дефектоскопистов может
оказать решающее влияние на качество сварных соединений,
в связи с чем к подготовке этих специалистов предъявляют опре-
деленные требования
§ 3.	МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
И ГОТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
Для контроля сварных соединений применяют кон-
трольные технологические образцы-свидетели, которые удобны для
проведения испытаний и измерений и которые легко изготовить.
При обеспечении одинаковых условий сварки образцов и изделий
(однородность материала, подготовка свариваемых поверхностей,
режим сварки и др.) можно по измеренным характеристикам
сварного соединения образцов судить о качестве сварного соеди-
нения готовых изделий. Качество сварных соединений контроль-
ных образцов оценивают по результатам испытаний и измерений,
проводимых в соответствия с требованиями, предъявляемыми
к сварным соединениям. Кроме механической прочности, нередко
предъявляются дополнительные требования. Например, сохране-
ние электрических свойств одного из металлов без изменения их
в зоне сварного соединения или сохранение оптических свойств
в сварной зоне и геометрических размеров изделий. получаемых
диффузионной сваркой кварцевых элементов. В ряде случаев
к сварным соединениям не предъявляют повышенных требований
по прочности. Например, для элементов электродов электроли-
зеров, изготовленных диффузионной сваркой из пористых и
сетчатых материалов, основной является электрохимическая ха-
рактеристика, полученная при различных плотностях тока.
И*
323
Имея указанные выше данные, необходимо провести стати-
стическую обработку результатов испытаний и измерений, исполь-
зуя математические методы. Основной задачей такой обработки
является оценка среднего значения характеристики того или
иного свойства и погрешности в определении этого среднего
значения, а также выбор минимально необходимого числа образ-
цов (или замеров) для оценки среднего значения с требуемой
точностью. Эта задача является стандартной для любых измере-
ниы и подробно рассматривается во многих руководствах. Сле-
дует иметь в виду, что, несмотря на одинаковые условия сварки
образцов и издечий. качество соединения может быть различным
по следующим причинам. При сварке деталей, имеющих значи-
тельно большие размеры по сравнению с контрольными образ-
цами, возможны неравномерность нагрева вдоль поверхности
соединения, а также неравномерность передачи давления. Об-
разцы и изделия, вообще, имеют различную кривизну сваривае-
мых поверхностей, что не обеспечивает идентичности условий
формирования соединения.
В ряде случаев, особенно для соединений ответственного на-
значения, перед разрушающими испытаниями образцов и изделий
целесообразно, если это возможно, проводить неразрушаюший
контроль сварного соединения, а также другие возможные иссле-
дования для установления корреляции между различными изме-
ряемыми характеристиками. Методы определения механических
свойств сварного соединения и его отдельных зон устанавливаются
ГОСТами и стандартами. Имеются стандарты для испытаний на
растяжение, ударную вязкость, коррозионную стойкость и т. д.
В этих ГОСТах даны определения характеристик, оцениваемых
в результате испытания, типовые формы и размеры образцов,
основные требования к испытательному оборудованию, методика
проведения испытания и подсчета результатов.
Механические испытания на растяжение, изгиб, на ударную
вязкость проводят для контроля качества соединений, оптимиза-
ции режимов диффузионной сварки и определения показателей
свариваемости материалов. Для определения истинного значения
прочности диффузионного соединения на стандартных образцах
по зоне стыка делается кольцевой или поперечный надрез. В этом
случае разрушение образцов происходит по стыку или переходной
зоне. Реальная прочность соединения определяется с помощью
коэффициента, учитывающего форму надреза. Для оценки ка-
чества соединения результаты испытаний сравнивают с аналогич-
ными характеристиками основного материала.
В зависимости от величины нагрузки и формы образцов испы-
тания на растяжение проводятся на машинах типа МР-100,
МР-500, 2038Р-05. Допустимая погрешность измерения силы
при прямом нагружении в каждом диапазоне измеряемой
силы. Допустимая погрешность записи силы в каждом диапазоне
измерения 2%.
324
Испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кратковременную
ползучесть, релаксацию и малоцикловую усталость в широком
диапазоне нагрузок, скоростей нагружения и температур прово-
дятся на универсальной машине типа 1958У-10-Г Диапазон тем-
ператур 80—1470 К.
Машина мод 1246-2;2300-1 предназначена для испытания на
растяжение при высоких температурах в вакууме, инертном газе
и на воздухе в широком интервале скоростей деформирования.
Испытания на кручение с электрическим моментоизмерителем
проводятся по ГОСТ 3565—80 на машинах типа 2014 /ЛК-50.
Универсальные машины для испытания на усталость образцов
растяжением-сжатием» изгибом типа УРС-20'6000 и УРС-50/50
позволяют проводить испытания при знакопеременном и знако-
постоянном направлении осевой или изгибающей нагрузки с любой
асимметрией при нормальной температуре.
Высокотемпературным испытаниям подвергаются сварные узлы
авиационной и ракетно-космической техники, химического ма
ши построения, работающие при повышенных температурах (ло-
патки турбин, узлы энергетических установок и т. д.).
Высокотемпературные испытания на длительную прочность
проводят в соответствии с ГОСТ 10145—81 на цилиндрических и
плоских образцах на машинах типа 1958У, 1246Р при нагреве
до 1443 К
Контроль диффузионных соединений из разнородных преци-
зионных материалов включает не только оценку свойств соедине-
ний, но и измерение регламентированных характеристик сваривае-
мых материалов узла в целом. К прецизионным материалам отно-
сятся пьезокерамическш\ магнитотвердые и магнитомягкие
сплавы, сплавы с заданным температурным коэффициентом линей-
ного расширения.
При создании сварных узлов из прецизионных материалов осу-
ществляется контроль соединений на прочность, изгиб, термоудар-
ную прочность, коррозионную стойкость, отсутствие трещин,
пористости и несплошности Сварные узлы проверяют на работо-
способность по пьезохарактеристикам и магнитным свойствам
с помощью специальных приборов, устройств и установок.
Особую сложность представляет проведение испытаний ме-
таллосгеклянных и металлокерамических конструкций на меха-
ническую прочность, поэтому на испытаниях этой группы мате-
риалов следует остановиться подробней.
Испытания мегаллсстекляиных и металлокерамических свар-
ных соединений на растяжение, кручение и срез проводят значи-
тельно реже, чем на изгиб Это объясняется в основном высокой
чувствительностью стекла и керамики к концентрации напряже-
ний что дает большой разброс результатов испытаний.
Испытание на растяжение. Основные трудности заключаются
в закреплении образца в зажимах испытательной машины без
опасных переносив и концентрации напряжений Испытания на
32b
Рис. 12.2. Приспособление
дли испытания сварных со-
единений на растяжение:
! — тяга; 2 — обий&са; 3 —
d — сварной обравец
растяжение следует лучше всего проводить в специализированном
приспособлении {рис. 12.2), конструкция которого позволяет
свести к минимуму отрицательное влияние перекосов зажимов
испытательной машины.
Ла сварной образец цилиндрической формы надевают и при-
клеивают по всей боковой поверхности металлические переход-
ники, имеющие резьбу по наружному диаметру Площадь боковой
поверхности склеивания в 5—6 раз превышает площадь попереч-
ного сечения. Прочность сцепления эпоксидных клеев составляет
:0—15 МПа, поэтому наиболее вероятное место разрушения при-
ходится на сварную зону. Посте приклеивания к испытуемому
образцу переходники вворачивают во втулки приспособления,
которые шарнирно связаны с держателями. Этими держателями
собранное приспособление крепится в зажимах испытательной
машины.
После испытаний переходные втулки можно повторно исполь-
зовать путем выжигание приклеенных образцов.. Недостатком
данного метода испытания является большая трудоемкость.
Иногда образцы изготовляют цилиндрической 4юрмы с шейкой
меньшего диаметра в центральной части. В этой зоне проводят
сварку Временно* сопротивление образцов вычисляется по
формуле
- 0/(ni?2),	(12.1)
где Q — разрушающая нагрузка; R — радиус сечения образца
в месте разрыва.
При статических испытаниях ^емп нагружения определяется
временем (20—40 с) с момента начала приложения нагрузки к об-
разцу до его разрушения.
Испытание на изгиб. Применение данного вида испытаний
обусловлено широким распространением этой схемы нагружения
в реальных условиях эксплуатации и ее большей мягкостью по
сравнению со схемой иегытяьчя на растяжение. Этот способ испы-
тания наиболее приемлем для стеклообразных и керамических
материалов, которые имеют малую пластичность при нормальной
температуре и при изгибе разрушаются хрупким сколом
При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения
образца, лежащего ча неподвижных опорах:
нагрузка Q прикладывается сосоеж гочевчт. силой между
опорам?? (риг	г>-
нагрузка Q прикладывается
в двух точках на одинаковом
расстоянии I от опор — чистый
изгиб (рис. 12,3. б).
В практических условиях
первую схему реализовать го
раздо проще, поэтому она и
нашла наибольшее распростра-
нение. При испытании сварных
образно в необходи мо следить,
чтобы нагрузка передавалась
строго по ценгру образца. В противном случае изгибающий мо-
мент в зоне соединения будет отличаться от расчетного и резу-
G)	б)
Рпс. 12.3. Cxevu испытаний сварных
соединений
льтаты испытания окажутся недостоверными.
Вторая схема испытания обеспечивает более надежные резуль-
таты. поскольку максимальный изгибающий момент возникает
на определенном участке длины образца, а не в одном сечении,
как при использовании первой схемы. В испытуемом образце
создается неоднородное напряженное состояние. Нижняя часть
образца оказывается растянутой, верхняя — сжатой Напря-
жения, связанные с величиной изгибающего момента, различны
по длине и сечению образца. Все это создает серьезные трудности
при оценке средних истинных напряжений и деформаций, строго
характеризующих механические свойства при изгибе.
Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Это еще
одно преимущество по сравнению с испытаниями на растяжение,
так как изготовление образцов с головками из стекла и керамики
представляет определенные технические сложности. Для изгиба
используют главным образом прямоугольные стержни. Цилиндри-
ческие стержни изготовлять из стекла и керамики тоже сложнее,
чем стержни прямоугольного профиля
Для испытаний металлов на изгиб при расстоянии между опо-
рами 300 мм используют образны длиной 340—350 мм. Однако для
сварных соединений из стекла и керамики экономически целе-
сообразнее использовать меньшую базу. Так, при расстоянии
между опорами 100 мм можно обойтись образцами, суммарная
длина которых составляет 120 мм. тогда образцы для сварки будут
иметь размер, равный 60 мм. Испытания лучше проводить на
плоских образцах высотой h > 10 мм и шириной Ь > 15 мм. До-
стоверность испытаний с увеличением сечения свариваемых об-
разцов увеличивается, поскольку уменьшается влияние краевого
эффекта сварного соединения.
Испытания ча изгиб можно проводить на любой универсальной
машине, используемой для испытаний на растяжение. Сварной
образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и
деформируют изгибающим ножом, который крепят в верхнем
захвате машины. Изгиб достигается путем опускания верхней
или подъема нижней траверсы
327
В местах контакта образца с опорой рекомендуется прокла-
дывать тонкие пластмассовые пленки толщиной 0,2—0,4 мкм.
Напряжения, возникающие при разрушении образцов, с не-
значительным допущением можно рассчитывать по обычным фор-
мулам сопротивления материалов. Так, рабочей формулой для
расчета упругих напряжений ври изгибе образцов прямоуголь-
ного сечения является
3 QI
Сп»“ 2 W
(12-2)
Если к моменту разрушения образец существенно деформи-
руется, то без поправки на пластическую деформацию условный
предел текучести при изгибе может быть на 15—20% выше пре-
дела текучести при растяжении. Однако этими погрешностями при
испытании керамических и стеклянных образцов, сваренных
через гонкую прокладку, пренебрегают, поскольку предел теку-
чести металла, как правило, выше, чем керамических материалов,
а чакже из-за того, что металлическая прокладка находится в зоне
сварки в сложнонапряженном состоянии, поэтому она не оказы-
вает влияния на пластические характеристики сварного узла.
Проведение различных видов контроля, рассмотренных выше,
гарантирует определенное требуемое качество сварных соединений
лишь при дифференцированной оценке, каждого из них примени-
тельно к конкретным изделиям, например, описанным при рас-
смотрении активных способов контроля. На выбор методе! кон-
троля качества готового соединения влияют следующие факторы:
вид конструкции сварного изделия; материалы соединяемых де-
талей. эксплуатационные требования к соединению и изделию;
характер дефектов сварного соединения; достоинства и недостатки
различных методов и средств контроля с точки зрения решения
конкретней задачи контроля полученного соединения.
Методы просве ивания сварных соединений рентгеновским и
гамма-излучением, широко применяемыми для контроля соеди-
нений, полученных сваркой плавлением, непригодны для выяв-
ления характерных дефектов, возникающих при диффузионной
сварке и имеющих малое раскрытие. Эго обусловлено тем. что
чувствительность указанных методов составляет 0,5—2,0%, в то
время как для обнаружения дефектов, возникающих при диффу-
зионной сварке, требуется чувствительность 0,0001—0,01 %.
Выявить такие дефекты можно методами ультразвукового кон-
троля (УЗ К). Этот метод используется для контроля сварных
изделий как простой, так и сложной конфигурации, например
биметаллических узлов сложной конструкции.
Методы УЗК. Они основаны на исследовании процесса распрост-
ранения упругих колебаний частотой 0,5—25 МГц в контролируе-
мых изделиях. Согласно общей схеме ультразвукового контроля
сварки акустическое поле источника распространяется в объеме
материала контролируемого изделия При наличии дефекта аку-
Рис. 12.4. Схемы методой ультразвукового контроля:
а — теневой; б -* ^еркалъно-тенлрсй; л—я	жсметсд о р&зчелшня» • г-ймс^чг ..^м
искателя*£я
стическое поле изменяет свою структуру. За дефектом образуется
тень и поверхность дефекта отражает ультразвуковые колебания.
Регистрируя с помощью приемника появление отраженной аку-
стической волны, можно судить о наличии дефектов в сварном шве.
Для анализа процесса распространения ультразвуковых коле-
баний в контролируемых изделиях и соединениях используют
три основных метода: теневой, зеркально-теневой и эхометод
(рис. 12.4).
При любом методе контроля возможно использование дг>у>
искателей, один из которых выполняет функции излучателя Я,
а другой приемника П. Такая схема включения искателей назы-
вается раздельной. В то же время при импульсном излучении для
зеркально-теневого и эхомстодов возможно применение одного
искателя ИП, включенного по совмещенной схеме, при котором
один и тот же искатель выполняет функции излучателя зондирую-
щих импульсов и приемника эхосигпалов.
При теневом методе признаком обнаружения дефекта служит
уменьшение интенсивности (амплитуда) прошедшей через изделие
ультразвуковой волны от излучателя к приемнику. Искатели
располагают на противоположных поверхностях из тения, что
позволяет применять этот метод только при наличии двусторон-
него доступа к изделию.
При зеркально-теневом методе дефект обнаруживают по умень-
шению интенсивности (амплитудь) отраженной от противополож-
ной поверхности изделия ультразвуковой волны. Противополож-
ную поверхность, зеркально отражающую ультразвуковые волны..
называют донной поверхностью^ а отражаемый ит нее импульс —
донным им пульсом.
При эхометоде признаком обнаружения дефекта является
прием искателем эхоимпульса, отраженного от самого дефекта.
Если о наличии дефекта судят по появлению эхоимпульса
от дефекта и по уменьшению данного импульса, то это значит, что
контроль ведут одновременно по двум методам: эхометоду и зер-
кально-теневому; такое сочетание методов при контроле сварных
соединений для краткости называют эхотеневым методом.
Выполненные в MATH им. Циолковского исследования по
контролю сварных соединений с помощью дефектоскопа мод.
ДУК-66 и анализатора спектра мод. СК4-59 показали, что ультра-
звуковой импульс при взаимодействии с зоной диффузионной
сварки изменяет свою форму. Поэтому оценка размеров дефектов
и качества соединения по амплитуде отраженного сигнала может
приводить к значительным погрешностям. Хорошую перспективу
в таких случаях представляет применение ультразвуковых спек-
тральных методов контроля, которые позволяют значительно
расширить чувствительность и достоверность обнаружения де
фектов.
Возможности УЗК пока ограничены верхним пределом частот-
ного диапазона серийных ультразвуковых дефектоскопов. Дефекты
соединений, полученных диффузионной сваркой, с точки зрения
их выявляемое™ методами УЗК можно условно разделить на три
типа: макродефекты с- площадью единичного дефекта S > 1 ммй
и с раскрытием 6 > 10 мкм; микродефекты площадью 1 мм2 _>
? S 0,5 мм2 и с раскрытием 6 >> 1 мкм; микродефекты пло-
щадью S < 0,5 мм'2 и с раскрытием 6 < 1 мкм (обычно располо-
женные в объеме зерен в результате миграции их границ). В на-
стоящее время надежно выявляются с помощью УЗК дефекты
двух первых типов, которые являются наиболее опасными с точки
зрения эксплуатационных требований к сварному соединению.
Для их выявления можно использовать серийный ультразвуковой
дефектоскоп типа ДУК-66 с рабочей частотой до 10 МГц и высоко-
частотные дефектоскопы типа {/S/P-11 (ФРГ), Nonaskop-lZ
(США), Unlpan-510 (ПНР) и макет аналогичного отечественного
прибора УД-10ИВ с рабочими частотами до 25 МГц (СССР).
Для контроля готовых изделий можно с успехом применять и
другие методы, например капиллярный, электроиндуктивный и
метод магнитного порошка, широко используемые для обнаруже-
ния наружных и подповерхностных дефектов магнитных, немаг-
нитных и других материалов.
Чувствительность описанных выше методов контроля и воз-
можности их применения приведены в табл. 12.Г
Как уже отмечалось, использование только одного метод?
контроля в ряде случаев недостаточно по разным причинам. Целе-
сообразно применение комплексного метода контроля, при кото-
ром отдельные методы дополняют друг друга.
Табл ипа 12.1
Чувствительность методов контроля
Метея контроля	Минимальные раз меры вы я пл я «< мой трещины, мкм		Область прныеневин
	Глубина	Раскры- тие	
Ультразвуковой	100	Х,0	Магнитные и немагнитные материалы
Замером электри-	200	10,0	(кроме мелких деталей сложней кон- фигурации и деталей с грубой обработ- кой поверхности); внутренние, подпо- верхностные и наружные дефекты Электропроводящие материалы; те-
веского сопроти- вления сварной зоны Электрон идук1ив-	100	2,0	фекты гила несплошностей, залегаю- щие на глубине до 4 мм Магнитные и немагнитные материалы
ный (метод вихре- вых токов) Метод магнитного	10	;,о	(кроме мелких деталей сложной кон- фигурации); подповерхностные и на- ружные дефекты Магнитные материалы; наружные и
порошка Люминесцентный	40	20,0	подилверхзост ные дефекты Магнитные и немагнитные материалы;
Магнитолюмине-	5	0,1	наружные и подповерхностные дефекты Магнитные материалы; наружные и
сцентный Метод красок	20	1,0	подповерхпостные дефекты Магнитные и немагнитные материалы;
Визуальный	——	100,0	поверхностные дефекты То же
В последние годы в НПО ЦНИИТмаш разработаны методы
распознавания формы дефекта на основе использования УЗК
и применения ЭВМ. Одним из перспективных гиетодов неразрушаю-
щего контроля готовых сварных соединений является метод аку-
стической эмиссии (АЭ), основанный на использовании явления
эмиссии упругих волн. Диффузионная сварка сопровождается
рядом динамических явлений (пластическое деформирование,
разрыв внутренних связей и др-), при которых происходит излу-
чение упругих волн, которые регистрируются акустическими
методами. При контроле диффузионной сварки методом АЭ про-
является активность дефекта: дефект как источник сигнала об-
наруживается в процессе сварки. Метод АЭ уже получил практи-
ческое применение при контроле процесса образования соединения
методом диффузионной сварки и оценки его качества. Перспектив-
ным методом контроля качества соединений, выполненных диф-
фузионной сваркой, является также голографическая дефекто-
скопия. Проведенные эксперименты дали положительные резуль-
таты при контроле тонкостенных конструкций.
Методы контроля герметичности. Сварные соединения замкну-
тых объемов в виде сосудов или переходников, труб, работающие
под давлением, подвергают гидравлическим или пневматическим
331
испытаниям. Основные методы контроля изложены в ГОСТ
3242— 79. ГОСТ 5197—85 и ГОСТ 18353—79. Сущность пневмо-
гидроиспытаний заключается в том. что в изделие подается вода
или газ под давлением и после определенной выдержки контроли-
руют наличие течи.
Испытания проводят на специальных стендах или па гидравли-
ческих прессах (П9225, 11921, ПА9229, I1A019, П923, ПБ9337,
П9240, П9347), которые позволяют создавать давление 2,0—
13,0 МПа. Диаметр выявляемых дефектов до 0,001 мм.
Широкое применение получил способ контроля герметичности
сварных соединений керосином. Наружную поверхность соедине-
ния покрывают меловой обмазкой (350—450 г мела или каолина
на 2 л воды), а внутреннюю заполняют керосином. Места утечки
обнаруживаются по пятнам керосина на меловой обмазке. Для
повышении чувствительности метода в керосине растворяют
краски ярких цветов, что позволяет выявлять дефекты диаметром
более 0,1 мм.
Более высокую чувствительность имеют методы, основанные
на использовании люминесцентных жидкостей (типа шу бекол,
ЛЖИ, ЛЖ-2 и др.) и ультрафиолетовых осветителей, с помощью
которых фиксируют проникание жидкостей через несплошность
сварного соединения. В качестве источников ультрафиолетового
излучения применяют лампы типа ПР К-2, ПР К-4. ДРШ-250.
При люминесцентном контроле могут быть выявлены дефекты диа-
метром до 5 мкм.
Кагарометрические течеискатели типа ТП7101. ТП7101М,
ТП7102 работают ио принципу измерения электрического сопро-
тивления нагретой прово юки, изменяющегося в присутствии
избирательного регистрируемого газа. В качестве газа исполь-
зуют водород, гелий, углекислый газ, азот, фреон и другие, тепло
проводностг) которых существенно отличается от теплопроводности
воздуха. Чувствительным элементом галогенных гечеискатепей
является платиновый диод, ионный ток которого значительно
возрастает при пропускании через зазор между анодом и коллек-
тором газов, содержащих галоиды (фреон, четыреххлористый уг-
лерод и др.).
rIувствитсльность галогенных течеискателей типа ГТИ-ЗА,
ГТИ-6, БГТИ-5 к утечкам фреона в атмосферу составляет 1,33 х
> Ю-7 м8-Па/с. Наиболее чувствительными являются масс-спек-
трометрические течеискатели типа ПТИ-7А, ПТИ-9, СТИ-11,
СТИ-1, СТИ-8, ПТИ-10. Чувствительность их к утечке гелия в ва-
куумируемых объектах достигает 6.65- Ю“13 м3-Па/с. Течеиска-
тели тина ИГТ-1, в которых в качестве измерительных преобразо-
вателей использую! инфракрасные абсорбционные газоанализа-
торы со средой закиси азота, имеют чувствительность 1,33 '<
Х10'8 м’-Па/с,
Для определения локальных утечек газа широко используют
метод контроля герметичности: пневматический, пневмогидрзвли-
332
ческий и вакуумный. При пневматическом методе контроля воз
дух с пенообразующими индикационными веществами на основе
мыла и глицерина под давлением, равным рабочему или превы-
шающем его в 1,2 раза, закачивают в испытуемую полость и по
истечению газа определяют течь. Вакуумный, метод основан на
применении переносных вакуумных камерных присосок, накла
дываемых на участок контролируемого сварного соединения.
В случае наличия нес плотности воздух за счет перепада давления
поступает в полость камеры: место утечки определяется по пу-
зырькам пенообразующего вещества.
Манометрический метод контроля основан на измерении давле-
ния газа или жидкости при наличии утечки» Чувствительность
течеискателей при этом методе составляет 6,65-1О'е м3«Па/с.
Высокую чувствительность, превышающую чувствительность
масс-спектрометрического метода, дает радиационный метод, осно-
ванный на регистрации малых количеств радиоактивных жидко-
стей и газов, проникающих через несплошность
Магнитографический метод. Этот метод основан на измерении
параметров магнитного поля рассеяния дефекта и позволяет
выявлять трещины, несплошности, слипание в соединениях фер
ромагнитных материалов при толщине стенок контролируемого
изделия до 20 мм. Этот метод обеспечивает достаточно надежное
выявление дефектов в соединениях из низкоуглеродистых сталей.
Дефектоскоп ЦУВУ-11 позволяет проводить неразрушающий
контроль сплошности диффузионных соединений магнитографи-
ческим и ультразвуковыми методами с получением цветного изо-
бражения на телевизионном экране. На контролируемое соеди-
нение накладывают магнитную ленту и получают снимок, харак-
теризующий сплошность металла в исследуемой зоне.
В магнитографическом режиме работы дефектоскоп воспроиз-
водит изображение магнитных отпечатков полей рассеяния or
дефектов, зафиксированных на магнитной ленте Снимок дефекта,
записанный на магнитной ленте, может храниться в качестве
контрольного документа. В режиме ультразвукового контроля
дефектоскоп ЦУВУ И отображает па цветном телевизионном
экране пространственное расположение дефектов в соединении.
В зависимости от интенсивности эхосигнала дефекты воспроиз-
водятся различными цветовыми гамма^ми. Дефектоскоп состоит из
цветного запоминающего витеоконтрольного устройства с ленто-
протяжным механизмом, базового ультразвукового дефектоскопа
сканирующего устройства и позволяет определить размер, форму
и координаты дефектов с выводом информации условными симво-
лами на печатающее устройство.
Метод контроля замером электрического сопротивления диф-
фузионных соединений. Суть метода заключается в следующем:
изготовляют эталонный образец, качество сварки которого соот-
ветствует техническим условиям; измеряют электросопротивление
сварной воны эталонного образца, определяют качество контро-
лируемого соединения сравнением электросопротивлений сварной
зоны изделия и эталонного образца. При сварке однородных ме-
таллов электросопротивление сварной зоны не должно превышать
электросопротивление основного металла. Установлено, что элек-
тросопротивление металла может измениться вследствие его обез-
гаживания и перераспределения примесей при нагреве в вакуум-
ной камере.
§ 4.	КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
Работоспособность сварных соединений в значительной
степени зависит о г конструкции металлостеклянного или металло-
керамического узла, т. е. от того, насколько точно учтены разли-
чия физических свойств соединенных материалов. Из всего много-
образия конструктивных форм следует выделить три основные
группы соединений:
охватывающие соединения, в которых металл охватывает стекло
или керамику, при этом температурный коэффициент линей-
ного расширения мегалла больше, чем неметалла;
плоские или торцовые. соединения, когда металлические детали
сочленяются с неметаллическими по плоскости торца;
внутренние соединения (спаи)» в которых керамика или стекло
охватывают металлические детали.
Одной из самых существенных проблем при разработке тех-
нологии получения надежного соединения является различие
температурных коэффициентов линейного расширения металлов
и соединяемых керамических и стеклянных материалов, Получе-
ние идеальных соединений с полным отсутствием остаточных тер-
мических напряжений в зоне соединения практически невоз-
можно. Однако соединения, в которых используются материалы
с близкими температурными коэффициентами линейного расшире-
ния, имеют хорошую работоспособность и называются согласован-
ными. Соединения, в которых температурные коэффициенты ли-
нейного расширения соединяемых материалов существенно paз-
л ича юте я, на зыв а ются несогласованними.
В несогласованных сварных соединениях в процессе охлажде-
ния в зоне сварки возникают термические напряжения, величина
которых определяется ходом кривой расширения металлической и
неметаллической деталей при нагреве и охлаждении.
Возникновение различных видов напряженного состояния
можно проследить, используя схему, представленную на рис. 12.5.
Когда сваривают детали из стекла и металла или керамики и ме-
талла при высокой температуре, они имеют одинаковые размеры
(рис. 12.5, а). Вели деталь из стекла или керамики расширялась
меньше детали из металла и если бы эти детали могли охлаждаться
до нормальной температуры в несцепленпом состоянии, то деталь
из стекла (керамики) стала бы длиннее детали из мегалла на
334
Растяжение
Рчс, 12Л. Схемы возникновения напряженного гос чаяния в сварных соедине-
ниях различного типа:
и—6 — ri осевом ваправлекия; в—в — а Яйдпслъяок направлении; гзп —* и тангенциаль-
ном направлении
d2 + dy (рис. 12.5, б). Но детали сварены Друг с другом. поэтому
при нормальной температуре имеют одинаковую длину, в резуль-
тате чего деталь из стекла (керамики) подвержена напряжению
сжатия, а деталь из металла — напряжению растяжения
(рис. 12, #). Если расширение детали из стекла (керамики) больше
расширения детали из металла, то происходит обратное явление.
В охватывающих и охватываемых соединениях (рис. 12,5, г—лс)
из-за разницы коэффициентов линейного термического расширения
стекла и металлов возникают осевые, тангенциальные и радиаль-
ные напряжения. Виды напряжений для разных соединений и
соотношений коэффициентов линейного термического расширения
приведены в табл. 12.2.
Необходимо отметить, что напряжение в радиальном направ-
лении имеет знак, противоположный знаку напряжений в двух
других направлениях.
При получении несогласованного соединения деталей из ке-
рамики и стекла с металлическими деталями используют компен-
саторы.
В зоне соединения следует непосредственно измерять напря-
жения, а не только определясь их по значениям температурных
коэффициентов линейного расширения. В области, не превышаю-
щей предела упругости стекла, напряжение пропорционально
Таблица 12.2
Зависимость характера на пряжей и А в сварных соединениях от соотношения
коэффициентов линейного термического расширения мегалла и стеклааст
Вид соединения	Соотношение ам и %т	Напряжения в стекле		
		осевое	тенге в ин алъ нос	радиялькое
Охватывающее Охватываемое Торцовое		 		 Г» R« F* Ь w □ Cj и с и 8 ее «ее AVAVAV Е S Е Е Е S’ 8 8 8 8 8 8	Растяжения Сжатия л Растяжения Изгиба >	Растяжения Сжатия » Растяжения Сжатия Расгяжения	Сжатия Растяжения » Сжатия Растяжения
335
деформации, так что я простых случаях напряжение можно узна-
вать из определения реформации путем измерения двойного лре-
юмлсния плоскополяризовяняого излучения при его прохожде-
нии через напряженное стекло. Эго? метод анализа внутренних
напряжений пригоден только для изотропных прозрачных'сред.
Так, Аля ачяяизг влияния толщины прокладки из алюминия
ча величину остаточных напряжений, возаикающ* х посте сварки
 кьат левом стекле, были выбраны плоские образцы размером
15 Г <10 мм. Образцы проходили одну и ту же подготовитель-
ную обработку и сваривались на одинаковом режиме {р = 8,0 МПа,
Г ~ 823 К, t — *Ю мин) на установке СДВУ-40.
После свар хи образцы исследовали на полярископе П КС-125,
с юмощью которого определяли величину остаточных напря-
жений. Результаты замеров приведены ниже:
Толщина алюминиевой прокладки,	мкм 0.1	0,3	0.5	-5,6	0,8
’ 1?г;ложечке сжатия, МП»	9.1	12 *	?4,2	15,1	29.4
Эти результаты свидетельствуют о прогрессирующем росте
напряжений >:ри увеличении толщины алюминиевой прокладки.
При се толщине L0 мм сварное соединение иногда самопроиз-
вольно разрушалось с вырывом сферической формы по кварце-
вому стеклу.
Широкие возможност': для анализа остаточных напряжений
и выявления скрытых дефектов в сварных соединениях открывает
использование метода гслогр; фической интерферометрия Он по
зво гнет измерять трехмерные диффузно отражающие объекты
? неялоской поверхностью. Этот метод аналогичен обычной голо-
графии с той лишь разницей, что две последовательные экспози-
ции фиксируются на одной и той же фотографической пластине.
Поэтому на пластине записываются две голограммы. В промежутке
между экспозициями объект деформируется в результате терми-
ческого или механического воздействия. После проявления фото-
пластины и восстановления голографического изображения объект
представляется в виде наложения двух голограмм Поскольку
? элпграммы получены • помощью когерентного излучения, го
они интерферируются друг с другом. На снимке после восста-
новления и совглещения дву} голограмм получают изображение
обьекта с серией темных и светлых полос (рис. 12.6. гё). Каждая
последующая лотоса отображает мещение, равное примерно по-
ловине длины волны 1 источника когерентного излучения.
Для контроля уровня остаточных напряжений используют
стати ст и чес к у ю двуэ кс поз инион ну ю го лографическу ю и нтерферо-
метрию. Вссстаног иная голограмма воспроизводит интерферен-
ционную картину, которая отражает смещение объекта в проме-
жутке между дв)гмя экспозициями. Смещения поверхностей ис-
следуемого объекта можно доб гп»ся либо путем механическото
нагружения (сжатия чли растяжения), либо в результате терми-
кого воздействия (охлаждения или нэгреча)
336
РиЦ i2.6. Голограммы груб
из kJ* фцепого стекла. спарен-
ных 4ерея алюминиевую про-
к лад А*:
а — 1^ь<чес?всякое еоедпнернс;
о « «>^<’дю некие л нейрона рои
IlpV нагреве объек-
та происходит смеще-
ние ЯбрРрХНОСТИ и в
зависимости от наличия
в зоне кварки остаточ-
ных напряжений» неп-
роваров \или трещин на
интерференционной ка-
ртине дефекты очерчи-
ваются в виде равно-
мерно смещенных тем-
ных и светлых полог
(рис. 12 6. 6У Суммар
ное смешение можно оп-
ределить ио фор?луле
#л (со> а -Г cos P)t
где N — число светлых полос от воны сварки до зоны без интер-
ференционных полос; а — угол между падающим излучением и
нормалью к поверхности объекта при записи; В — угол между
нормалью к поверхности объекта и излучением, воспроизводящим
голограммы.
Голографический метод является одним из самых перспектив-
ных методов неразрушяющего контроля, который позволяет оце-
нивать не только величину* нс и характер распределения напряже-
ний в изделии. В местах концентрации остаточных напряжений
могут также сосредоточиваться непровары, микротрещины, ино-
родные включения, происходить структурные превращения.
Для оценки внутренних напряжений можно использовать и
другие методы контроля, например метол с последовательным
снятием слоев и замером прогиба изделия. В ряде случаев исполь-
зуют радиоскопический метод контроля, основанный на замере
параметров решетки. По степени ее искажения определяют уро-
вень остаточных напряжений- Для контроля металлокерамиче-
ских узлов иногда применяют геизометрирование с разрезкой
сварного узла. По показаниям датчиков до и после разрезки узла
определяют упругую деформацию керамики и по ней рассчитывают
действующие в зоне соединения окружные и наиболее опасные
изгибающие напряжения
Фрактографический анализ. С помощью фрактографического
анализа можно получить объективное представление о развитии
Физического контакта в зоне соединения в зависимости от свойств
337
/
соединяемых материалов, характера их обработки и режимов
сварки.	'
Фрактограммы поверхности разрушения позволяют оценивать
площадь физического контакта в соединении. После разрушения
сварного соединения вдоль плоскости контакта в местах взаимо-
действия излом имеет вид, характерный для сплошного металла,
а в местах, где контакт еще не образовался, — вид, характер-
ный для свободной поверхности. Площадь контакта измеряют
обычно с помощью оптических (мод. МИМ-8, НЕОФОТ-2 и др.)
и электронных сканирующих микроскопов в зависимости от за-
дачи исследований.
Для увеличения точности и сокращения продолжительности
измерений площади физического контакта в соединениях одно-
родных металлов, полученных диффузионной сваркой, одна из
соединяемых поверхностей полируется таким образом, чтобы она
имела хорошую отражательную способность. Качество механиче-
ской обработки второй соединяемой поверхности выбирают исходя
чз конкретной задачи. Сварные образцы разрушают по зоне соеди-
нения и площадь образовавшегося контакта оценивают по отра-
жающей способности полированной поверхности. Отраженный
световой поток направляется в фотопрнемпик, в качестве кото-
рого может быть использована фотопластина. Этот поток прямо
пропорционален площади, занимаемой иссплошностями. Величина
фототока, измеряемого микрофотометром МФ-4, имеет линейную
зависимость от площади физического контакта, поэтому для по-
строения зависимости достаточно знания двух точек.
Исследование характера разрушения в плоскости соединения,
оценка образования физического контакта и испытания на проч-
ность показали линейную зависимость прочности сварных соеди-
нений от реальной площади физического контакта. На примере
изучения фрактограмм поверхности изломов соединения твердого
сплава ВК15 и стали 45. полученных диффузионной сваркой через
прокладку никеля, и сопоставления их с данными прочностных
испытаний было показано, что достаточно высокая прочность
соединения была достигнута лишь при площади физического кон-
такта. соизмеримой с площадью соединения.
В то же время при неудовлетворительной прочности соедине-
ния на поверхности твердого сплава после разрушения хорошо
сохранились следы шлифования исходной поверхности в виде
параллельных линий. На отдельных участках поверхности имеются
следы схватывания сплава со сталью, свидетельствующие о раз-
витии физического контакта. Так как поверхность стали имеет
характерный рельеф в виде концентрических окружностей с ми-
кровыступами высотой до 10 мкм, то можно полагать, что физиче-
ский контакт формируется, в первую очередь, в результате смя-
тия этих микровыступов. Фрактографические исследования об-
разцов, сваренных на различных режимах, показали, что раз-
витие физического контакта и повышение прочности соединения
338
зависят от температуры давления и време ни диффузионной
сварки.
Me галлографический анализ. Металлографический анализ яв-
ляется одним из методов контроля сварных соединений, с помощью
которого изучаются особенности формирования структуры диф-
фузионных соединений, оценивается характер, геометрия и раз-
меры дефектов в переходной зоне.
Различия механических и электрохимических свойств свари-
ваемых материалов, а также, малые размеры диффузионной зоны
(от нескольких микрон до нескольких десятков микрон) значи-
тельно затрудняют исследование диффузионных соединений. По-
этому наряду с оптической металлографией для получения досто-
верной картины и всестороннего изучения процессов, происходя-
щих при диффузионной сварке, целесообразно применять элек-
тронную микроскопию и микрорентгеноспектральный анализ.
При проведении комплексных исследований для получения сопо-
ставимых и воспроизводимых результатов необходимо изготов-
лять металлографические шлифы и темплеты для микрорентге-
носпектрального и других анализов из одного сварного образца.
При исследовании соединений обычно используют поперечные
шлифы. Место вырезки й число образцов, их размеры и форма
определяются целями и задачами исследования, габаритами и кон-
фигурацией изделия. Подготовку микрошлифов осуществляют
в два этапа: сначала их шлифуют на наждачных кругах или на-
ждачной бумагой, уложенной на жесткие основания, затем шлиф
полируют до зеркального блеска механическим и электрохими-
ческим способами.
Известно, что при обработке режущим инструментом следы
деформации распространяются на глубину от 250 до 2000 мкм.
Шлифование на станке искажает структуру на глубину до 75 мкм.
Эти слои при изготовлении шлифа должны быть полностью уда-
лены. Шлифование плоскости проводят с легким нажимом до пол-
ного снятия слоев, оставшихся после предыдущей механической
обработки. Затем повторяют операцию шлифования на бумаге
с меньшей зернистостью, изменяя в плоскости положение шлифа
на 90". Остатки абразива при замене шлифовальной бумаги уда-
ляют чистой мягкой тканью или ватным тампоном. Шлифование
завершается на бумаге с самым мелким зерном, после чего образец
промывается проточной водой и подвергается сушке.
Механическое полирование осуществляют на станках, которые
используют для шлифования. При этом вместо шлифовальной
бумаги применяют мягкие ткани (сукно, фетр, шелк и др ), смо-
ченные полировочной жидкостью. Микрошлифы, включающие
хрупкие фазы, которые могут выкрашиваться, необходимо поли-
ровать на тканях. В качестве полировочных жидкостей исполь-
зуют смесь абразивных материалов с водой. При подготовке
стальных микрошлифов обычно применяют оксиды хрома и алю-
миния, а шлифов из цветных металлов — оксид магния Полиро-
339
вечную жидкость готовят, размешивая в 1 л воды примерив 2 г
порошка оксида металла.
Частота вращения шлифовальных и полировальных кругов
обычно 20—140 с-1. Пластичные сплавы полируют при меньшей
частоте вращения круга. Для более равномерной полировки по-
верхности шлиф периодически поворачивают
При электролитическом полировании необходимая гладкая
и блестящая поверхность шлифа достигается в результате анод-
ного растворения микровыступов в электролите. Режим электро-
полирования для жидкого соединения подбирается эксперимен-
тально. Шлифы из твердых сплавов готовят обычно на чугунных
дисках; при этом в качестве абразивного материала применяют
смесь спирта с алмазными порошками зернистостью 2—5 мкм.
Металлографические исследования соединений с диффузионной
зоной до 10 мкм удобнее проводить на косых шлифах. Использова-
ние косых шлифов, вырезанных, например, под углом 5°, позво-
ляет увеличить исследуемую зону диффузионного соединения
примерно в 10 раз. Применяют также шлифы, вырезанные нот
углом 1—2°. Косые шлифы готовят в специальном приспособлении;
технология приготовления косых шлифов аналогична описанной
выше.
Приготовленные микрошлифы тщательно промывают и просу-
шивают и, если металлографические исследования проводят не
сразу, помещают в эксикатор.
Структура выявляется обычно химическим травлением Зна-
чительные сложности представляет выбор травителей и условий
травления для выявления структуры переходной зоны соедине-
ния разнородных материалов вследствие их различной трави-
мости.
Для выявления структуры переходной зоны разнородных ма-
териалов, полученной диффузионной сваркой, применяется метод
вакуумного травления. Исследуемые образцы загружают в ва-
куумную камеру или специальный контейнер, проводится ваку-
умирование до 1,33-Ю-2 Па, нагрев образцов до заданной тем-
пературы, выдержка при этой температуре, затем охлаждение до
нормальной температуры. Температура и время выдержки выби-
раются экспериментально в зависимости от физико-химических
свойств свариваемых материалов. Так, для соединения сталь
ЭЮ — сталь 12Х18Н10Т температура нагрева составляет 823 К,
время выдержки 6 ч; для соединения сталь ЭЮ — бронза БрХ0,8 —
температура нагрева 823 К, время выдержки 4,5 ч.
Тепловая микроскопия основывается главным образом на
эффекте термического травления, заключающемся в выявлении
строения металлов и сплавов вследствие избирательного испаре-
ния в вакууме при достаточно высоких температурах и влиянии
поверхностного натяжения, а также па всех явлениях, связанных
с объемными изменениями, приводящими к соответствующему
изменению геометрического профиля поверхности исследуемого
340
образца. К таким явлениям относятся диффузия и фазовые пре-
вращения, а также другие процессы расслоения структуры при
нагреве или охлаждении фаз с различными температурными коэф-
фициентами линейного расширения.
Электронная микроскопия позволяет более детально изучить
микроструктуру диффузионных соединений, выявить при больших
увеличениях тонкие структурные изменения (образование новых
фаз, переходных слоев) размером значительно менее 1 мкм. При-
менение электронных линз позволяет получить разрешающую
способность в 105 раз выше, чем в световой оптике.
В исследовательской практике используются просвечивающие,
растровые, отражательные и другие электронные микроскопы
с разрешающей способностью от 0,1 до 100 нМ В то же время при
изучении переходной зоны диффузионных соединений, особенно
разнородных материалов, большие технические сложности пред
ставляет изготовление реплик и фольги.
Для получения качественной реплики (пластиковой, кварце-
вой, углеродной и др.), дающей контрастное и правильное изобра-
жение исследуемой поверхности, необходима тщательная под-
готовка шлифа с полным снятием наклепанного слоя Эго дости-
гается многократным чередованием механического полирования и
травления Продукты травления тщательно удаляются спиртом.
Различают одно- и двухступенчатые реплики. Двуступенчатая
реплика дает позитивное изображение исследуемой поверхности.
Для изучения структуры и выявления дефектов размером
менее 0,2 мм применяется лупа, позволяющая получать (15—
20)-кратиое увеличение. Лупу рационально применять для ви-
зуального изучения сравнительно больших поверхностей микро
шлифов при опенке общего характера структуры соединения и
выбора участков, подлежащих микроисследованию.
Для исследования структуры при 30-кратном увеличении я
более применяют в основном металлографические микроскопы,
которые по конструктивному исполнению подразделяют па го-
ризонтальные и вертикальные. К наиболее распространенным,
выпускаемым отечественной промышленностью относятся гори
зонтальные металлографические микроскопы мод МИМ-9,
МИМ-8М, МИМ-7 и вертикальный мод. МИМ-6.
Для изучения микроструктуры шлифов, имеющих на поверх-
ности микроскопический рельеф, используют интерференционные
микроскопы марок МИИ-1 и МИИ-3. С помощью таких микроско-
пов можно изучать одновременно рельеф, структуру и их взаимо-
связь Интерференционный микроскоп представляет собой сочета-
ние микроскопа и интерферометра, с их помощью можно опреде
лять микроперо внести высотой 2,0—0,027 мкм.
В лабораториях используют электронные микроскопы ЭМ-3
(ускоряющие напряжение до 50 кВ. увеличение до 28 000 раз).
Наиболее распространены микроскопы мод. УМВ-100 и ЭВМ-100И
(ускоряющие напряжение до 100 кВ, увеличение до 100 000 раз).
341
которые позволяют исследовать объекты не только на просвет,
но и на отражение
Для фотографирования образцы сварных соединений должны
быть тщательно подготовлены, структурные составляющие вы*
явлены предельно четко, следы пластической деформации пол-
ностью удалены. При фотографировании структуры сварных
соединений хорошие результаты получают, используя изоорго-
хроматические контрастные пластины со светочувствительностью
30—45 ед. Вы держка для таких пластин в зависимости от освещен-
ности образца составляет 1—20 с Если необходимо передать
с максимальной четкостью отдельные структурные составляющие,
например границы зерен, применяют изоортохроматические,
штриховые, контрастные пластины светочувствительностью 0,5—
1,5 ед. Экспозиция для таких пластин — от 20 до нескольких
минут.
Важным показателем является сравнительное изучение ми-
кротвердости переходной зоны соединения и свариваемых мате-
риалов. Микротвердость различных металлических фаз зависит
прежде всего от химического состава. Микротвердость измеряют
на специальных приборах мод. ПМТ-3 и 11МГ-5, совмещающих
микроскоп для наблюдения структуры и измерения размеров от-
печатков с приспособлением для получения отпечатков. Эти
приборы обеспечивают увеличение в 135 и 487 раз.
Микрорентгеносиектральный анализ. А\нкрорентгеноспектраль-
ный анализ позволяет с высокой степенью локальности изучить
переходную зону диффузионных соединений, проанализировать
ее. структуру и состав. Возможность изучения кончен грационного
распределения почти всех элементов периодической системы
Д. И. Менделеева в диффузионных соединениях с записью кон-
центрационных кривых на фсюграфиях металлографических
структур.обеспечивает его принципиальные преимущества. По кон-
центрационным кривым и типовым программам проводят расчеты
коэффициентов диффузии. Этот метод позволяет проводить каче-
ственный и количественный анализ исследуемого участка диффу-
шонного соединения: точность количественного анализа при
использовании эталонов достигает 5%, без эталонов — 10—15%.
Для рентгеноспекi ралыюго анализа применяются микроанали-
заторы мод. МАР-2 (СССР). Сатеса (Франция), 2АД-50А (Япо-
ния) и др.
Подготовка образцов для анализатора осуществляется в той же
последовательности. что и при металлографических исследова-
ниях.
Микрорентгеноспектральные исследования в сочетании с ме-
таллографическим. рентгеновским дифрактометрическим анали-
зом позволяют эффективно изучать структуру и кинетику форми-
рования диффузионных соединений.
Рентгеновский дифрактометрический анализ. Рентгеновский
дифрактометрический анализ эффективно применяют при изучении
342
структурных изменений в переходной зоне соединения; он позво
ляет контролировать однородность структуры, особенности де-
формации образца в различных сечениях, определять размеры
дефектов, фиксировать структурные изменения, вызванные
сваркой.
Для проведения анализа используются отечественные уста-
новки типа «Дрон-1.5» и зарубежные R.W1710 фирмы Philips
(Голландия), D500 фирмы Siemens (ФРГ). Дифрактометры ком
плектуются приставками, позволяющими проводить исследова-
ния ври низких и высоких температурах.
Для решения ряда исследовательских задач, например изуче-
ния текстур, количественного фазового анализа, определения
напряжений, применяются специализированные дифрактометры,
отличающиеся большей степенью автоматизации, например
ДРПМК-2,0, «Радон» и ДАРТ-УМ1 (СССР), SMD-2000 фирмы
Siemens (ФРГ).
Использование рентгеновского метода определения напряже-
ний, основанного на прецизионном измерении параметров ре-
шетки, позволяет получить более достоверные данные без раз-
рушения исследуемого образна. Метод позволяет измерять напря-
жения в изделиях различной конфигурации, определять мгно-
ннывее значения напряжений и их распределение.
§ 5.	ТРЕБОВАНИЯ. ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К ОБОРУДОВАНИЮ И ОСНАСТКЕ
Контроль оборудования, на котором осуществляется
сварка, должен проводиться регулярно, особенно тщательно
должны контролироваться его узлы, состояние которых непо-
средственно влияет на качество сварного соединения Это. прежде
всего, относится к приборам, контролирующим температуру
сварки, величину сжимающего давления, степень разрежения
в сварочной камере, а также к приборам, определяющим времен-
ные интервалы процесса сварки.
Технический уровень, надежность и состояние оборудования
следует поддерживать в определенных пределах. Необходимо
соблюдать график технического обслуживания оборудования и
требований соответствующих инструкций.
При высокой квалификации сварщика-оператора можно об-
ходиться простым и высоконадежным оборудованием. Оборудова-
ние для диффузионной сварки отличается достаточно высокой
степенью механизации и автоматизации, поэтому к работе на нем
можно привлекать сварщиков-операторов достаточно низкой ква-
лификации. Однако следует учитывать их определенную специа-
лизацию. например при сварке металлов друг с другом и сварке
кварцевого стекла, керамики, пьезокерамики или ситаллов име-
ются отличительные особенности. Поэтому при смене технологи-
ческого процесса необходим их дополнительный инструктаж,
343
а иногда и более подробное изучение основ получения качествен-
ного соеди нения.
Оснастка для диффузионной сварки должна отвечать опреде-
ленным требованиям, среди которых наиболее важными являются
следующие: приспособление должно изготовляться из материалов
с невысокой теплопроводностью и малой теплоемкостью; мате-
риал приспособления должен быть инертным при нагреве в вакууме
и не вступать во взаимодействие с соединяемыми деталями; кон-
струкция оснастки должна обеспечивать требуемую точность
сборки и возможность передачи сжимающего давления равномерно
на всю соединяемую площадь
Одним из наиболее важных моментов, влияющих на качество
сварки, является обеспечение равномерного распределения тем-
пературы в зоне соединения Этого следует добиваться как разме-
щением деталей относительно нагревательного элемента, так и
специальной конструкцией приспособления для сварки При
сварке деталей типа тел вращения и несложных симметричных
форм эта проблема достаточно просто решается. Например, путем
изготовления толстостенного графитового приспособления и раз-
мещения его в сварочной камере таким образом, чтобы максималь-
ное температурное поле приходилось на зону сварки.
Наиболее сложно добиваться равномерного нагрева изделий,
имеющих несимметричную форму, неравномерно распределенную
по сечению массу.
Контроль технологических параметров изготовления сварных
изделий включает контроль качества подготовки поверхностей
деталей, подлежащих сварке, исправности сварочного приспо-
собления, сборки узлов под сварку, состояния и качества вспомо-
гательных материалов (прокладок, порошков и т. д.). пригод-
ность и испоавность сварочного оборудования.
Свариваемые детали проверяют на правильность их формы,
размеров, комплектности и соответствия их химико-термической
подготовки требованиям технологического процесса. Например,
летали из керамики и ситаллов перед сваркой подвергают спе-
циальной очистке или обезжириванию, а иногда и травлению,
а металлические детали либо очищают до чистого металла, либо
на их поверхности создаются определенные слои оксидов.
У сварочных приспособлений проверяется исправность зажим-
ных фиксирующих устройств, пригодность установочных поверх-
ностей. При изготовлении ответственных деталей и узлов необ-
ходимо вводить паспортизацию оснастки с определением ее срока
службы и периодичностью проверки
После сборки узлов в приспособлении необходимо контроли-
ровать правильность сборки путем визуального осмотра и про-
ведения контрольных замеров. При размещении приспособления
с собранным узлом в сварочной камере следят за правильностью
его установки на сварочном столе, расположением нагреватель-
ного элемента, термопар, экранов, охладителей и т. д.
Наиболее важное значение имеет точность определения темпе-
ратуры в зоне соединения, и от того, каким образом размещена
термопара в зоне соединения, зависит объективность контроля
температуры. Прежде всего, следует отметить, что на спай термо-
пары не должно попадать прямое излучение от нагревательного
элемента, спай должен находиться в состоянии плотного контакта
со сваренными деталями. Незначительное удаление спая гермопары
от зоны соединения может существенно исказить фактическое
значение температуры в месте сварки поскольку стекло и кера-
мика плохие проводники теплоты. Чаще всего погрешности изме-
рения температуры связаны с постепенным изменением химиче-
ского состава зоны спая. Причиной изменения химического со-
става термопары иногда является сублимация отдельных элемен-
тов при сварке в вакууме при высокой температуре, а иногда,
наоборот, ь результате напыления легколетучпх элементов про-
исходит легирование места спая. Тот и другой процесс вызывают
искажение показания термопары.
Во избежание негативных явлений, связанных с эксплуата-
цией термопар, следует эпизодически контролировать показания
путем их сравнения с образцовой термопарой. Опыт показывает,
что при непрерывной работе с хромель-а.иомелевой термопарой
при температуре 800—1000 К в течение двух-трех недель в от-
дельных случаях могут произойти изменения, которые приведут
к погрешности измерений температуры, равной 40—50 К.
При сварке ответственных изделий большой массы и сложной
формы целесообразно определять температуру в зоне сварки не-
сколькими термопарами.
В сварочной установке контролирующие приборы измерения
вакуума, усилия сжатия должны обеспечивать правильность
показаний, а для этого необходимо соблюдать сроки поверки
приборов. Если установка длительное время не эксплуатирова-
лась, то необходимо провести пробную сварку с последующим
испытанием соединений на прочность и только при получении
положительных результатов осуществлять сварку ответственных
изделий.
Режимы сварки контролируют, в первую очередь, с целью
соблюдения параметров процесса (скорости нагрева и охлаждения,
продолжительности изотермической выдержки, сжимающего дав-
ления и г. д.) как путем наблюдения за показаниями приборов,
так и осуществлением записи на диаграммной ленте самопишу-
щими приборами. Запись параметров процесса позволяет накапли-
вать статистический материал, который оказывает существенную
помощь при анализе причин брака. Для контроля за технологи-
ческим процессом при сварке ответственных деталей является
целесообразным ведение журнала записей параметров на каждое
свариваемое изделие, что повысит ответственность сварщика-опе-
ратора и будет способствовать улучшению качества сварных со-
единений
34*>
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
!. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. М.:
Машиностроение, 1978. Т. I—3.
2.	Бачин В А. Диффузионная сварка стекла р керамики с металлами. М.
Машиностроение, 1986. 182 с.
3.	Диффузионная сварка материалов: Снравочник/Под общ. ред. Н. Ф. Ка-
закова. М.: Машиностроение. 1981. 271 с.
4.	Ерсшев В. К-. Козлов 10. А., Павлова В. Д. Конструирование и техно-
логия изготовления паяных металлокерамических узлов: Справочник: В 2 ч.
М.: ЦНИИ «Электроника.», 1988. Ч. I—II.
5.	Казаков Н Ф. Диффузионная сварка материалов. М.‘ Машиностроение,
1976. 312 с.
6.	Каракозов Э. С. Сварка .металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986.
280 с.
7.	Конюшков Г. В., Копылов Ю. Н. Диффузионная сварка в электронике.
М.: Энергия, 1974. 168 с.
8.	Котельников Д. И. Сварка давлением в тлеющем разряде. М.; Металлур-
гия, 1981. 116 с.
9.	.Метелкин И. И., Павлова М. А., Поздеева Н. В. Сварка керамики с. метал-
лами. М.: .Металлургия. 1977. 159 с.
10.	Мусин Р. А., Анциферов В. Н., Квасницкий В. Ф. Диффузионная сварка
жаропрочных сплавов. М.: Металлургия, 1979. 208 с.
11.	Шоршоров М. X., Колесниченко В. А., Алехин В. П. Клинопрессовая
сварка давлением разнородных металлов. М.: Металлургия, 1982. 112 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Анализ металлографический 339-342
микрорентгена» нейтральный 342
— рентгеновский дифрактометрнчь
ский 342—343
— фрактш рафическян	337- 339
Аустенизаторы 107
Б
Вза чмо действие межатомное 9—12
Волнистость поверхности 87
Вязкость динамическая 2С4
Г
Гмостат 238- 239
Гетеродиффузии 33
Граница частичного сопряжения 44
Д
Датчики индуктивные 308
— пирометрические излучения 300-
302
— потенциометрические 307- -308
— реле ЗСЗ—304
— тензометрические	304—307
— термоэлектрические 297—300
- элект; .-контактные 208—209
Дефекты структуры линейные 42  43
— поверх постные 43—47
— неравновесные 52—54
— по Френкелю 40
----- Шотки 40
— точечные 40—42
Диффузия 32
3
Зеебека эффект 298
И
Изменение структуры 319
Импульс донный 330
Иепытан-к образцов на нзг 'б 326—
328
-- — - 41ес-э£жепь" 325—?2€
К
Керамика
методы получения соединений ме
таллами 182—183
подготовка поверх нес п к елке
'85- 186
сс ;ав ч свойств. 176— 179
структура 30—32
технология получения 165, 179- 182
фазы 175
Керметы 31—32
Кирксздалт эффект 35 -ЗС
Кристаллы для лазеров 24—25
— ионные 2!
— ковалентные 21
М
Макрос, оме три? Поверхности 87
Материалы-ак гчваторы 82
- дем-, »>»ры 83
Металлы для МО и МКУ
алюминий 188 189
вольфрам 195
железо 192 193
медь 189—19i
молибден 19,' -196
никель 194—195
ниобий 194-195
платина 194 — 195
тантал 194—195
титан 191 - 192
Метод конгооля герметичнее!к 33 —
333
----замером электрического «>-
противления диффузионно, соеди-
нения 333—334
— Магнитографический 335
— улатпа. тукового контроля 328-
330, 3.1
Мик?-;-- .метпит пог- о х-тр 87
.Моде,. tj. j . ...-1. .	
jibe : . 5
. I.
и
Нейтрон 5
О
Оплавление 319
Орбиталь 6, 7
Г!
Поверхность донная 329—330
Полигонизация 79
Процесс технологический 8J
Р
Растворы твердые 15—20
Рекристаллизация 78
первичная 80
Решетки кристаллические атомные 13
-----ионные 13
-	— металлов 14 15
молекулярные 13
С
Самодиффузия 33
Связь донорно-акцепторная 10- 11
—	ионная 11
кратная 10
металлическая 11--12
—	молекулярная 12
—	неполярная 10
—	полярная 10
— простая 10
Сегнетоэлектрики 22—23
Системы вакуумные;
вакуумные насосы 249—258
расчет 258—272
схемы 245—249
элементы 272— 276
— нагрева 276- -282
— сжатия 282- 291
Ситаллы 183—185
Слипание 319
Слой «трещиноватый» 53
Смещение 319
Соединения внутренние 334
— несот насованные 201, 334
— охватывающие 334
— плоские (торцовые) 334
-- согласованные 201, 334
Состояние твердого тела активное 52—
53
------- нормальное 52
Сплав высоколегированный ‘05
Сталь:
сварка 108—120
классификация 105—107
определение 105
структуре 107—Ю8
Стекло
диаграмма вязкости 167
классы 165— 166
определение 26
ответственное охлаждение 168
подготовка поверхностей к сварке
185—186
свойства механические 173
— термические 173—174
— электрические 174— 175
строение 27- 29, 168—173
температура стеклования 27
- - текучести 26—27
температурный интервал размят
чения 25
----стеклования 166—167
типы 169—173
Степень превращения компонента 57—
58
Структура элементов электронная 6—8
Схватывание материалов 71
Т
Тело аморфное 4
—	кристаллическое 4
—	твердое 12
Томсона эффект 298
У
Укрупнение зерна 80
У стройс гва термокомпрессионные
239—242
Ф
Ферритизаторы 107
Фика закон 34—35
Френкеля эффект 36 3/
Ч
Число координационное ‘4
Чугун.
определение 105
сварка 120—122
Ш
Шероховатость поверхности 87, 322
Шихта для изготовления стекла 171
Шпинель 23—24
Шредингера уравнение 5—6
Э
Эвтектика 17
Эвтектоид 17
с*лектроли1Ы твердые 22
Этап ооразования физического кон-
такта 6о
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение	3
Раздел I. Теоретические основы	диффузионной	сварки	4
Глава . Структура твердых	тел	4
§ 1.	Электронная структура твердых тел и периодическая
система элементов	4
§ 2.	Кристаллическое состояние материалов	12
§ 3.	Аморфное состояние материалов	25
Глава 2 Физико-химические процессы, происходящие при контакте
двух материалов	...	32
§ 1.	Диффузионные процессы в твердых	телах	32
§ 2.	Диффузия и дефекты структуры	40
§ 3.	Диффузия в стекле и керамике....................... 47
f 4.	Тонохимические реакции при диффузионной сварке	51
Глава 3. Основы взаимодействия материалов при диффузионной
сварке	  65
€ 1	Образование физического контакта .	...	66
§ 2.	Возникновение активных центров и образование оча
гов взаимодействия ..................................... 71
§ 3.	Объемное взаимодействие соединяемых материалов	76
Раздел 11 Технология диффузионной сварки металлов и их сплавов	81
Глава 4 Технологические особенности диффузионной сварки	82
6 ‘	Основные параметры процесса диффузионной сварки . .	84
§ 2	Подготовка поверхности металла под сварку . .	86
§ 3.	Диффузионная сварка с промежуточными проклад-
ками ...	.	....	до
§ 4.	Защитные среды, используемые при сварке .	...	94
§ 5.	Основные типы сварных соединений, выполняемых
диффузионной сваркой.................................... 95
§ 6.	Применение динамического нагружения при диффу-
зионной сварке	.......... ........... 100
§ 7.	Применение управляемого деформирования при диф-
фузионной сварке	.	, .	, Ю2
Глава 5. Диффузионная сварка сталей и чугунов . .	105
§ 1.	Краткие сведения о свариваемых материалах .	105
§ 2	Сварка однородных сталей	108
§ 3.	Сварка разнородных статей	.	.	.	Ц7
§ 4	Сварка чугуна	’9g
34 7
Глава 6. Сварка жаропрочных сплавов на никелевой основе	122
§ 1.	Особенности сварки никеля и его сплавов......... 122
§ 2.	Сварка жаропрочных сплавов без промежуточных
прокладок ......	....	126
§ 3.	Сварка с нерасплавляющимися промежуточными про-
кладками	............................. 135
§ 4.	Сварка с расплавляющимися промежуточными про-
кладками	ИО
Глава 7. Диффузионная сварка цветных, химически активных, туго-
плавких металлов и твердых сплавов	.	144
§ 1.	Сварка	меди и ее сплавов ....	144
§ 2.	Сварка	алюминия и его сплавов	148
§ 3.	Сварка	титана и его сплавов	151
§ 4.	Сварка	тугоплавких металлов	154
$ 5.	Сварка твердых сплавов .	...	159
Раздел III. Технология диффузионной сварки стекла и керамики с ме-
таллами .	•	154
Глава 8. Материалы для металлостеклянных и металлокерамических
узлов	. .	. 	...	-	165
§ 1.	Стекло................. ...	165
§ 2.	Керамика	175
§ 3.	Ситаллы . .	..................-........... 183
§ 4.	Подготовка поверхностей стекла и керамики перед
диффузионной сваркой................................. 185
§ 5.	Металлы для металлостеклянных и металлокерамиче-
ских узлов	........................ 186
§ 6.	Подготовка поверхности металлов к диффузионной
сварке с неметаллами . .	- .	...	196
Глава 9. Технология получения металлостеклянных и металлокерами-
ческих узлов ...	...	199
§ 1.	Конструкции МКУ и МСУ........................... 200
§	2.	Диффузионная сварка стекла с металлами	2о4
§	3.	Диффузионная сварка керамики с металлами .	210
Раздел IV.	Оборудование для диффузионной сварки .	220
Глава	10.	Установки для диффузионной сварки . .	220
§	1.	Классификация установок . .	220
§ 2.	Универсальные установки	226
§ 3.	Специализированные установки	232
§ 4.	Газостаты и вакуумные печи.......... .	238
§ 5.	Вакуумные рабочие камеры сварочных установок	242
§ 6.	Вакуумные системы .	......	345
§ 7.	Системы нагрева	...	276
§ 8.	Системы сжатия................................... 2S9
§ 9.	Несущие рамы сварочных установок.	...	291
Глава 11. Приборы для контроля и регулирования технологических
параметров процесса диффузионной сварки материа-
лов .	.......................... 297
§ 1.	Приборы для контроля и регулирования темпера-
туры ...............................................  297
§ 2.	Приборы для контроля и регулирования усилия сжа-
тия .............................................  	>104
§ 3.	Приборы для контроля и регулирования перемеще-
ний	...	.....	307
350
§ 4. Приборы для {контроля времени нагрева деталей п дав-
ления остаточных газов	309
§	5.	Автоматизация сварочных установок	310
Глава	12.	Контроль сварных соединений	316
§ 1.	Дефекты и причины их образования . . .	317
§ 2.	Методы управления качеством сварных соединений . .	319
§ 3.	Методы контроля сварных соединений и готовых из-
делий ............................ ...	323
§ 4.	Контроль остаточных напряжений в сварных соедине-
ниях ....	............ 334
§ 5.	Требования, предъявляемые к оборудованию и ос-
настке	343
Список рекомендуемой литераторы	345
Предметный указатель	347
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Бачин Виктор Алексеевич, Квасницкий Вячеслав Федорович,
Котельников Дмитрий Иванович и др.
ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДИФФУЗИОННОЙ
(ВАРКИ
Редактор О. И. Скворцова
Художественный редактор А. С. Вершинкин
Технический редактор, Т. С. Старых
Корректоры: И. М. Боргйша, А. П. Сизова
ИБ № 6865
Сдано в набор i2.10.a0. Подписано в печать 21.02.41. Форма» иик90>/,«.
Бумага офсетная № 1. Гарнитура литературная, Печать офсетная Уел. печ г- ’2 0.
Уел. кр.-отт. 22.0 Уч.-изд. л. 21,45. Тираж 6900 эка Заказ 173 Цеч» 3 р. ’
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Ллашнностроенвг»,
107076, Москва, Сгромынекий пер.. 4
Типография № 6 ордена Трудовою Красного Зп.меи!
и 1Дательства «Ман нпостроеннш
при Государственном комитете СССР по еечата
193144. Ленинград, ул Моисееяио. 10