Особенности структуры соединений материалов Cu–Cu, Ni–Cu, Сталь–Сu, полученных внахлест способом сварки трением с перемешиванием

Abstract

Исследованы нахлесточные соединения полученных сваркой трением с перемешиванием (СТП ) листовых заготовок однородных (Cu–Cu), разнородных металлов с неограниченной (Ni–Cu) и ограниченной растворимостью (Cu–Ст.3), (сталь Х18Н10-Cu) компонентов в твердом состоянии. Процесс СТП проводится за счет пластической деформации металла, нагретого до температуры рекристаллизации без расплавления. Ведущую роль в этом процессе играет механическое перемешивание металлов в пластичном состоянии. Роль диффузионных процессов незначительна. При оптимальных режимах сварки удается получить качественные соединения. При СТП медных пластин (Cu–Cu), за счет пластификации и прохождения динамической перекристаллизации в зоне перемешивания происходит измельчение зерна (5…30 мкм) и создается плотная микроструктура шва, сопоставимая с основным материалом. Микротвердость швов достигает 80...107 % микротвердости основного металла. В результате СТП меди и никеля было получено качественное сварное соединение со взаимным проникновение одного металла в другой на глубину до 3 мм. Взаимодиффузия меди и никеля по границам зерен идет на глубину до 20 мкм с образованием прослоек твердого раствора этих металлов. При исследовании соединений Сu–Ст.3 и стали Х18Н10–Cu зафиксировано значительное измельчение зерна как в зоне рекристаллизации, так и в зонах термического влияния. Проникновение Ст.3 и стали Х18Н10 в медь происходит на глубину 1000 и 2000 мкм соответственно в виде полос и языков. В зоне перемешивания отмечено большое количество включений на основе железа, внедренных в медь в виде отдельных полос и частиц. Таким образом, накладывая швы на определенном расстоянии друг от друга, можно получить качественное сплошное приваривание верхней, более тонкой, к массивной нижней пластине (по типу наплавки) с перекрытием зон перекристаллизации, при минимальном нагреве и короблении деталей. Проведенные исследования позволяют рекомендовать данный метод для восстановления первоначальных размеров и создания защитного слоя (Ni, сталь Х18Н10) на медных плитах кристаллизатора МНЛЗ .

The work is dedicuted to investigation of overlap friction stir welded joints of sheet billets of homogeneous (Cu–Cu) and dissimilar metals with unlimited (Ni–Cu) and limited solubility (Cu–St.3, Kh18N10–Cu) of the components in solid state. The FSW process is performed due to plastic deformation of metal being heated to recrystallization temperature without melting. The leading role in this process plays mechanical stirring of metals in plastic state. The role of diffusion processes is insignificant. The quality joints are received at optimum welding modes. Plasticization and dynamic recrystallization in FSW of Cu–Cu plates promote for grain refinement (5–30 mm) in the stir zone and develop dense weld microstructure, comparable with the base metal. The weld microhardness reaches 80–107 % of the base metal microhardness. FSW of Cu and Ni resulted in the quality welded joint with mutual penetration of one metal into another at up to 3 mm depth. Interdiffusion of Cu and Ni along the grain boundaries takes place at up to 20 μm depth with formation of solid solution interlayers of these metals. Examination of Cu–St.3 and Kh18N10–Cu joints demonstrated significant grain refining in the recrystallization zone as well as in the HAZ. St.3 and Kh18N10 steels plung in copper at 1000 and 2000 μm depth in form of bands and strips. Large amount of Fe-based inclusions, embedded in form of separate bands and particles, is noted in the stir zone. Thus, applying the welds at specific distance from each other allows producing quality solid welding-up of upper thinner plate to massive lower plate (as in deposition) with overlapping of recrystallization zones at minimum heating and distortion of the parts. The carried investigations allow recommending this method for reconstruction of initial dimensions and development of protective layer (Ni, Kh18N10 steel) on copper plates of CCM mold.