Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием
Приведены результаты исследования структуры и свойств биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием (СТП). The paper presents the results of studying the structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals produced by friction stir w...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96720 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием / Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник, С.Н. Степанюк, М.А. Полищук, Е.В. Зеленин // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 4 (113). — С. 60-68. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859708810450436096 |
|---|---|
| author | Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Степанюк, С.Н. Полищук, М.А. Зеленин, Е.В. |
| author_facet | Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Степанюк, С.Н. Полищук, М.А. Зеленин, Е.В. |
| citation_txt | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием / Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник, С.Н. Степанюк, М.А. Полищук, Е.В. Зеленин // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 4 (113). — С. 60-68. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Приведены результаты исследования структуры и свойств биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием (СТП).
The paper presents the results of studying the structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals produced by friction stir welding (FSW).
|
| first_indexed | 2025-12-01T04:33:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.2
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ
БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХ
МЕТАЛЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СПОСОБОМ СВАРКИ
ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник,
C.Н. Степанюк, М.А. Полищук, Е.В. Зеленин
Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины.
03680, г. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Приведены результаты исследования структуры и свойств биметаллических соединений разнородных металлов,
полученных способом сварки трением с перемешиванием (СТП). Исследованы системы с неограниченной раст-
воримостью (Ni—Cu) и ее отсутствием (Al—Fe) в твердом состоянии. В результате СТП меди с никелем получено
качественное биметаллическое соединение со взаимным проникновением одного металла в другой на глубину
примерно 3 мм. Ведущую роль в процессе СТП играет массоперенос металлов, процессы диффузии незначительны.
В полосах массопереноса происходит измельчение структуры вследствие прохождения процессов перекристал-
лизации. Диффузия меди и никель по границам зерен происходит на глубину до 15 мкм с образованием прослоек
твердого раствора этих металлов. В результате СТП алюминия с железом образовалась зона соединения значитель-
ного объема с проникновением алюминия в железо на глубину до 2,5 мм. При этом происходит взаимодействие
металлов – массоперенос прежде всего алюминия и последующее образование соединений FeAl3, Fe2Al7, FeAl2.
Наиболее твердые участки зоны соединения состоят из интерметаллидов в матрице алюминия. Такая структура
имеет твердость (2870± 410) МПа, что более чем в 3 раза ниже твердости алюминидов железа. Результаты прове-
денных исследований структуры и фазового состава позволяют рекомендовать способ СТП для получения биме-
таллических соединений из металлов как с неограниченной растворимостью, так и без нее в твердом состоянии.
Библиогр. 20, табл. 3, ил. 11.
Ключ е вы е с л о в а : сваркой трением с перемешиванием; биметаллы; растворимость в твердой фазе;
массоперенос; микроструктура; рентгеноспектральный микроанализ; элементный состав; микротвердость
Сварка трением с перемешиванием (СТП) является
одним из новейших способов соединения металлов
и сплавов [1]. Интенсивное изучение этого процесса
с целью совершенствования технологии и создания
нового оборудования позволило найти его эффек-
тивное применение при производстве высокотехно-
логичных изделий во многих отраслях промышлен-
ности, прежде всего в авиастроении и аэрокосмичес-
кой технике [2—6]. Способ СТП является разновид-
ностью сварки давлением – сварное соединение
образуется в результате совместного пластического
деформирования соединяемых деталей в твердой
фазе [2, 3]. От других видов сварки давлением он
отличается способом нагрева, точнее, способом вве-
дения тепла в свариваемые детали. При СТП кине-
тическая энергия непосредственно преобразуется в
тепловую, причем генерирование тепла происходит
строго локализовано в тонких приповерхностных
слоях металла.
Большинство исследователей указывают на сле-
дующие преимущества СТП по сравнению с други-
ми способами получения неразъемных соединений
[7, 8]: сохранение в значительной степени свойств
основного металла в зоне сварки, по сравнению со
способами сварки плавлением; отсутствие вредных
испарений и ультрафиолетового излучения в про-
цессе сварки; возможность получения бездефект-
ных швов на сплавах, которые при сварке плав-
лением склонны к образованию горячих трещин и
пористости в металле швов; отсутствие необходимо-
сти в применении присадочного материала и защит-
ного газа, удалении поверхностных оксидов на
кромках перед сваркой, а также шлака и брызг
© Г.М. ГРИГОРЕНКО, Л.И. АДЕЕВА, А.Ю. ТУНИК, C.Н. СТЕПАНЮК, М.А. ПОЛИЩУК, Е.В. ЗЕЛЕНИН, 2013
60
после сварки; отсутствие потерь легирующих эле-
ментов в металле шва.
В качестве недостатков способа СТП в работе
[8] отмечается образование в конце шва отверстия,
равного диаметру наконечника, из-за чего требуется
выведение шва за пределы рабочего сечения заго-
товки или заполнение отверстия после сварки с по-
мощью других способов – вварки специальных
пробок. Существует также ограничение в примене-
нии данного способа сварки в портативном варианте
из-за необходимости закрепления заготовок на
мощной подложке. Совершенствование технологии
и оборудования позволяет преодолеть существую-
щие недостатки, а также расширить области приме-
нения способа.
В настоящее время большой интерес представ-
ляет возможность применения способа СТП для сое-
динений разнородных металлов. В работах [9—11]
продемонстрированы успехи в соединении разнород-
ных металлов, таких как алюминй и сталь. Примение
способа СТП для получения соединений Al—Mg
зафиксировано в работах [12, 13]. Информация о
свариваемости и механических свойствах разнород-
ных соединений Al—Cu приведена в статьях [14,
16]. Как показано в этих работах, решающее влия-
ние на свариваемость разнородных металлов оказы-
вает металлургическая совместимость, определяе-
мая взаимной растворимостью соединяемых метал-
лов как в жидком, так и в твердом состояниях, а
также образованием хрупких химических соедине-
ний – интерметаллидов.
Цель работы заключалась в исследовании струк-
туры и свойств биметаллических соединений раз-
нородных металлов, полученных способом СТП.
Авторами настоящей работы способом СТП по-
лучены и исследованы два вида сварных соедине-
ний: система Ni—Cu, элементы которой отличаются
неограниченной растворимостью, а также система
Al—Fe с отсутствием растворимости соединяемых
материалов в твердом состоянии.
На рис. 1 приведены установка и схема сое-
динения нахлесточного типа СТП разнородных
металлов.
Пластификация и перемешивание металла двух
плит происходит в замкнутом объеме специальным
инструментом, движущимся с определенной скоро-
стью. Полученный сварочный шов отличается высо-
кой плотностью, отсутствием пор, трещин и других
дефектов.
Поскольку формирование шва происходит вбли-
зи температур рекристаллизации, металл шва ха-
рактеризуется отсутствием значительных напряже-
ний. Кроме того, за счет измельчения структуры
возрастают показатели механических свойств. При
этом не происходят изменение химического состава,
выгорание элементов, порообразование и другие по-
добные дефекты.
Режимы процесса СТП и характеристики свари-
ваемых материалов даны в табл. 1.
В процессе исследований применяли комплекс-
ную методику, включающую металлографию (оп-
тический микроскоп «Неофот-32» с приставкой для
цифрового фотографирования, дюрометрический
анализ – твердомер М-400 фирмы «LECO» при
нагрузке 0,249 и 0,496 Н). Электронное микроско-
пическое исследование структуры и определение ее
элементного состава методом рентгеноспектрально-
го микроанализа (РСМА) выполнили на базе ана-
литического комплекса, состоящего из сканирую-
щего электронного микроскопа (CЕМ) JSM-35 CF
фирмы JEOL (Япония) и рентгеновского спектро-
метра с дисперсией по энергии рентгеновских кван-
тов (модель INCA Energy-350 фирмы «Oxford In-
struments» (Великобритания). Характерной осо-
Рис. 1. Установка (а) и схема процесса СТП (б): 1 – изделие; 2 – заплечник; 3 – пин-инструмент со специальным профилем;
vсв – скорость сварки; vвр – скорость вращения
Т а б л и ц а 1 . Режимы СТП и характеристики свариваемых материалов
Марка материала
Тип биметаллического
соединения
Толщина слоев, мм
Глубина погружения
пин-инструмента, мм
Скорость сварки,
мм/мин
Скорость вращения
пин-инструмента,
об/мин
Н1/М0 Ni/Cu 4/10 4,5 40 1250
АМг6/008ЖР Al/Fe 5/3 6,0 60 1250
Примечание. В числителе указаны характеристики верхнего слоя, в знаменателе – нижнего.
61
бенностью данного анализа является локальность –
минимальная область возбуждения составляет 1 мкм.
Одно из преимуществ энергодисперсионного спек-
трометра заключается в возможности одновремен-
ного анализа примерно 50 элементов при одновре-
менном отображении всего найденного спектра.
Изображение структуры получали в режиме вто-
ричных электронов при U = 20 кВ.
Для выявления структуры исследуемых соеди-
нений использовали химические реактивы, приве-
денные в табл. 2.
С целью создания биметаллических соединений
проанализировали диаграммы состояния систем
Cu—Ni, Fe—Al [17—19]. Исследовали микрострукту-
ры поперечного и продольного сечений сварных
соединений, полученных способом СТП. Изучали
явления массопереноса металлов, диффузию эле-
ментов и условия образования интерметаллидных
фаз, определяли их состав и микротвердость.
Медь и никель – два металла, образующие не-
прерывный ряд твердых растворов (рис. 2) и отве-
чающие необходимым условиям для получения
сварного соединения разнородных металлов, по-
скольку имеют однотипные кристаллические решет-
ки. Они относятся к смежным группам периодичес-
кой системы элементов (атомные радиусы отлича-
ются менее чем на 10...15 %) и не образуют хрупких
интерметаллидных соединений. При сварке таких
металлов получают соединения с наиболее однород-
ными свойствами.
Диаграмма состояния Сu—Ni характеризуется
образованием в процессе кристаллизации непре-
рывного ряда твердых растворов (медь, никель) с
гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой.
Диаграмма состоит из трех областей: в верхней
части – из жидкого раствора меди и никеля, в
средней – из жидкой и твердой фаз, состав кото-
рых может быть вычислен с помощью правила «ры-
чага». В нижней области Cu—Ni является твердым
раствором замещения, где атомы меди и никеля вза-
имозаменяемы в кристаллической решетке. Твер-
дый раствор замещения образуется в системе Cu—Ni,
потому что медь и никель кристаллизуются в ГЦК
решетке, имеют схожие атомные радиусы, электро-
отрицательную валентность [17, 18]. Однако медь
и никель отличаются разными физико-механичес-
кими характеристиками. Медь – мягкий, пластич-
ный материал с высокой электропроводимостью,
который плавится при температуре 1085 °C, в то
время как никель является относительно твердым,
устойчивым к коррозии металлом, плавящимся при
1455 °C.
Биметаллическое соединение Ni/Cu с неограни-
ченной растворимостью элементов друг в друге по-
лучено при использовании концентрированного
термомеханического действия пин-инструмента. В
качестве никелевого материала использован нике-
левый сплав марки Н1 с микротвердостью (2880±
±170) МПа и медь марки М0 с микротвердостью
(1160±80) МПа. Толщина пластины никеля, через
которую воздействовали пин-инструментом, равня-
лась 4 мм, а толщина медной пластины – 10 мм
(табл. 1). Микроструктура исходных материалов
приведена на рис. 3.
Были исследованы металлографические шлифы
в поперечном и продольном сечении данного соеди-
нения. При СТП в поперечном сечении зоны соеди-
нения образовалось ядро округлой формы размером
4×6 мм (рис. 4), расположенное в меди и представ-
ляющее собой концентрические деформационные
кольца с вкраплениями никелевых частиц, содержа-
Т а б л и ц а 2 . Реактивы для металлографического травления
Марка
материала
Состав реактива Способ применения Примечание
Cu (М0) Азотная кислота (50 мл),
вода (50 мл)
Химическое травление при
интенсивном перемешивании
реактива, τ = 5...30 с, T = 20 °C
Удаление оксидной пленки:
cоляная кислота (80 мл),
вода (20 мл), τ = 1...3 с,
T = 20 °C
Ni (Н1) Сернокислый аммоний (20 г),
вода (100 мл)
Электролитическое травление
U = 6...15 В, τ = 3...10 с
—
Al (АMг6) Едкий натрий (10 г),
вода (100 мл)
Химическое травление,
τ = 5...30 с, T = 20 °C
Удаление оксидной пленки:
плавиковая кислота (50 мл),
вода (50 мл), τ = 1...3 с, T = 20 °C
Fe (008ЖР) Азотная кислота (4 мл),
этиловый спирт (100 мл)
Химическое травление,
τ = 5...30 с, T = 20 °C
Промывка образцов в этиловом
спирте
Рис. 2. Диаграмма состояния Сu—Ni [17]
62
ние никеля примерно 10 об. %. В верхней части яд-
ра образовалась область массопереноса никеля в
медь вследствие погружения пин-инструмента через
никель. Область неправильной формы размером
1,7×2,5 мм, в ней отмечен захват меди, содержание
последней достигает 15 об. %.
При исследовании продольного сечения сварно-
го соединения в зоне соединения никеля и меди
происходит взаимное проникновение этих металлов
на глубину до 3 мм. Массоперенос металлов отмечен
в виде взаимопроникающих чередующихся полос,
направленных в сторону движения пин-инструмен-
та (рис. 5, а, б). Полосы из меди и никеля имеют
разную толщину (соответственно 0,3...0,6 и 0,03...
...0,30 мм). Вследствие перекристаллизации в этих
полосах происходит измельчение структуры. В меди
размер зерна колеблется от 5 до 20, а в никеле – от
5 до 40 мкм. Микротвердость полос никеля составляет
(1270±40), а меди – (1140±50) МПа. Над участком
массопереноса в никеле фиксируется участок термо-
механического влияния толщиной до 3 мм с направ-
ленными полосами деформации (рис. 5, а, в) и раз-
мером зерна 20...70 мкм. Темные полоски деформи-
рованного никеля отличаются более высокой твер-
достью – (1610±160) МПа по сравнению со свет-
лыми промежутками между ними (1290± ±110 МПа).
Краевой участок никеля – зона термического
влияния, находящаяся выше зоны термомеханичес-
кого влияния, – имеет более крупное зерно.
В меди под участком массопереноса обнаружен
участок перекристаллизации шириной до 0,6 мкм с
мелким зерном размером 15...20 мкм и участок тер-
момеханического влияния шириной до 0,1 мм со
слегка деформированным зерном, переходящим в
основной металл (рис. 5, г). В обоих этих участках
зафиксированы включения никеля в виде вытяну-
тых (веретенообразных) фрагментов с микротвер-
достью (1300±170) МПа.
Края полос зоны массопереноса (рис. 5, б) и
участки никеля, непосредственно контактирующие
с медью (рис. 5, д, е, 6, табл. 3), растравливаются
сильнее и имеют пониженную микротвердость
(1100±60) МПа. Это можно объяснить взаимодиф-
фузией меди и никеля по границам зерен с образо-
ванием прослоек твердого раствора этих металлов
(рис. 5, д, е). Методом РСМА изучен химический
Рис. 4. Микроструктура биметаллического соединения Ni/Сu (поперечный шлиф), полученного СТП: а – общий вид; б –
область массопереноса никеля в медь
Рис. 3. Микроструктура исходных металлов: а – меди; б – никеля; в – алюминия; г – железа (травлено)
63
состав зоны контакта двух металлов. Установлено,
что по границам зерен происходит диффузия меди
в никель.
При исследовании зоны соединения в характе-
ристическом излучении значительная диффузия
элементов в глубь чередующихся полос никеля и
меди не обнаружена. На рис. 7 и в табл. 3 приведены
результаты картрирования зоны массопереноса сое-
динения Ni/Cu.
Таким образом, в результате исследования свар-
ных соединений никеля c медью установлено, что
ведущую роль в процессе СТП играет массоперенос
металлов, в значительно меньшей степени – их
взаимодиффузия.
Возможность соединения металлов, нераствори-
мых друг в друге в твердом состоянии способом
СТП, изучена на примере соединений Fe/Al.
Диаграмма состояния системы Fe—Al приведена
на рис. 8. Препятствием к получению сварных сое-
Рис. 6. Микроструктура зоны контакта Ni/Cu, снятая во вто-
ричных электронах
Рис. 5. Микроструктура сварного соединения (продольное сечение), полученного СТП Ni/Сu: а, б – зоны массопереноса Ni/Cu;
в – зона термомеханического влияния в никеле; г – зона термомеханического влияния в меди; д, е – зоны взаимодиффузии
меди в никель
64
динений алюминия и его сплавов с железом явля-
ется химическое взаимодействие этих металлов,
приводящее к необратимому образованию интерме-
таллидов по зоне контакта двух металлов [19—20].
В соответствии с диаграммой состояния системы
Fe—Al образуются твердые растворы, интерметал-
лические соединения и эвтектики. В твердом состо-
янии растворимость железа в алюминии весьма не-
значительна, при температурах 225...600 °С состав-
ляет 0,01...0,022 %. Растворимость железа в алюми-
нии при эвтектической температуре (654 °С) рав-
няется 0,053 %, а при комнатной железо совсем не
растворяется. При затвердевании сплава алюминия с
железом уже при незначительном количестве железа
в структуре появляются кристаллы FeAl3. При мас-
совой доле до 1,8 % Fe и 654 °С образуется эвтектика
Al + FeAl3. В случае дальнейшего увеличения содер-
жания железа в сплавах появляются химические
соединения Fe2Al7, Fe2Al5, FeAl2, FeAl и др.
В данной работе алюминиевый сплав АМг-6 был
подвергнут СТП с армко-железом (008ЖР). Тол-
щина пластин алюминиевого сплава и железа сос-
тавила 5 и 3 мм, а их микротвердость – соответ-
ственно (552±23) и (1260±60) МПа. Пин-инстру-
мент воздействовал через алюминиевый сплав на
глубину 6 мм. При СТП этих металлов в поперечном
сечении зоны соединения образуется ядро размером
8,2×5,4 мм и происходит клинообразное внедрение
железа на глубину 2 мм с двух сторон от ядра
(рис. 9, а). Структура ядра неоднородная, состоя-
щая из трех зон (рис. 9, б—г). Ядро образовалось
прежде всего в результате массопереноса алюми-
ния, поскольку все зоны, по данным РСМА, имеют
алюминиевую матрицу (рис. 10, а, табл. 4). В верх-
ней части расположена зона со структурой на основе
алюминия с включениями интерметаллидов FeAl3
и Fe2Al7 (содержание алюминия соответственно 59
и 63 мас. %) (рис. 9, б, 10, а, табл. 4). Микро-
твердость этой зоны составляет 980...1168 МПа.
Средняя часть ядра отличается наибольшей неод-
нородностью (рис. 9, в, 10, б, табл. 4). В алюминие-
вой матрице расположены продолговатые частицы
железа разного размера и скопления интерметалли-
дов Fe2Al7 и FeAl2. В продолговатых частицах же-
леза диффузия алюминия не обнаружена, но твер-
дость их повышена (1360±2740 МПа), очевидно, в
результате деформации при массопереносе. Интер-
металлид FeAl2 с содержанием 49 мас. % алюминия
находится в непосредственной близости, образуя
окантовку частиц железа, а алюминид Fe2Al7 хао-
тично расположен в алюминиевой матрице, повы-
шая ее микротвердость до 1260...1930 МПа.
В зоне ядра, непосредственно контактирующей
с железом, основной структурной составляющей яв-
ляются алюминиды Fe2Al7 и FeAl2, которые обра-
зуют языкообразные внедрения в структуру железа
(рис. 9, а, г, 10, в, табл. 4). Алюминиды железа
Т а б л и ц а 3 . Химический состав исследуемых участков
соединения Ni/Cu, мас./ат. %
№ исследуе-
мого участка
Ni Cu
Рис. 6
1 100 0
2 100 0
3 0,30/0,32 99,70/99,68
4 0,37/0,40 99,63/99,60
5 75,46/76,90 24,54/23,10
6 91,64/92,22 8,36/7,78
7 83,92/84,95 16,08/15,05
Рис. 7
1 99,23/99,29 0,77/0,71
2 99,18/99,24 0,82/0,76
3 4,03/4,35 95,97/95,65
4 5,96/6,42 94,04/93,58
Рис. 7. Изображение зоны массопереноса соединения Ni/Cu, выполненное во вторичных электронах (а), в характеристическом
излучении меди (б), никеля (в)
Рис. 8. Диаграмма состояния системы Fe—Al
65
Рис. 9. Микроструктура поперечного шлифа биметаллического соединения Fe/Al, полученного СТП: а – общий вид; б – верхняя;
в – средняя; г – нижняя части ядра
Т а б л и ц а 4 . Химический состав исследуемых участков соединения Al/Fe, мас./ат. %
№ исследуе-
мого участка
O Mg Al Mn Fe
Рис. 10, a
1 7,97/15,06 1,41/1,76 59,06/66,12 0,28/0,15 31,27/16,91
2 7,59/14,03 2,24/2,72 62,71/68,71 0,28/0,15 27,18/14,39
3 6,70/12,32 2,26/2,74 65,53/71,49 0,68/0,36 24,83/13,09
4 0,79/1,33 5,65/6,22 92,68/92,03 0,00/0,00 0,87/0,42
5 1,22/2,06 5,59/6,20 90,43/90,41 0,00/0,00 2,76/1,33
6 0,60/1,02 5,51/6,20 89,08/90,41 0,32/0,16 4,50/2,21
7 0,55/0,94 5,35/5,94 91,99/92,10 0,00/0,00 2,11/1,02
8 0,62/1,05 5,76/6,43 90,28/90,89 0,37/0,18 2,98/1,45
9 0,79/1,35 5,27/5,93 89,25/90,43 0,20/0,10 4,48/2,20
Рис. 10, б
1 1,05/3,56 0,26/0,57 0 0 98,69/95,87
2 0,88/2,78 0 8,36/15,56 0,34/0,31 90,42/81,36
3 5,93/10,90 2,75/3,32 66,97/72,95 1,07/0,57 23,28/12,25
4 9,03/16,65 2,61/3,17 59,31/64,83 0,37/0,20 28,67/15,14
5 0 4,47/4,98 93,73/94,08 0 1,03/0,50
6 0. 4,94/5,46 94,56/94,30 0 0,50/0,24
Рис. 10, в
1 — 0 0,24/0,49 0 99,76/99,51
2 — 4,03/5,01 74,26/83,23 0,52/0,29 21,19/11,47
3 — 4,41/5,61 70,05/80,25 0,38/0,21 25,17/13,93
66
расположены в алюминиевой матрице, поэтому
микротвердость этой структуры невелика – 2340...
...3220 МПа в сравнении с микротвердостью самих
интерметаллидов (около 10000 МПа). В структуре
ядра обнаружена микропористость, очевидно, обус-
ловленная образованием интерметаллидных фаз
(рис. 10, табл. 4). По данным РСМА в алюминиевом
сплаве и в железе на расстоянии 10...15 мкм от ядра
взаимодиффузия элементов не зафиксирована.
Таким образом, в результате исследования биме-
таллического соединения алюминиевого сплава с
железом при воздействии пин-инструмента через
алюминий установлено, что в процессе СТП проис-
ходит взаимодействие металлов – массоперенос,
прежде всего алюминия, и последующее образова-
ние соединений FeAl3, Fe2Al7, FeAl2. Повышенное
содержание кислорода в местах скопления интер-
металлидов (табл. 4), очевидно, свидетельствует о
том, что одновременно с их формированием обра-
зуется небольшое количество оксидов. Наиболее
твердые участки зоны соединения, состоящие из ин-
терметаллидов в алюминиевой матрице, более чем
в 3 раза мягче алюминидов железа.
При исследовании продольного сечения зоны
соединения (рис. 11) обнаружено, что она сплош-
ная, не содержит дефектов и носит волнообразный
характер, изменяясь по ширине от 3,4 до 6,9 мм.
Ее структура состоит из участков, аналогичных опи-
санным при анализе поперечного сечения данного
сварного соединения.
Выводы
1. В результате СТП Cu/Ni получено качественное
биметаллическое соединение со взаимным проникно-
вением одного металла в другой на глубину пример-
но 3 мм. Вследствие прохождения процессов пере-
кристаллизации в полосах массопереноса происхо-
дит измельчение структуры. Участки никеля, не-
посредственно контактирующие с медью, имеют по-
ниженную микротвердость – (1100±60) МПа и
сильнее подвергаются травлению, что объясняется
взаимодиффузией меди и никеля по границам зерен
с образованием прослоек твердого раствора этих
металлов. Ведущую роль в процессе СТП играет
массоперенос металлов, в меньшей степени – их
взаимодиффузия.
2. В результате СТП Al/Fe образовалась зона
соединения значительного объема с проникновени-
ем алюминия в железо на глубину до 2,5 мм. При
этом происходит взаимодействие металлов – мас-
соперенос прежде всего алюминия и последующее
образование соединений FeAl3, Fe2Al7, FeAl2. Наи-
более твердые участки зоны соединения (2340±
±3220 МПа) состоят из интерметаллидов, располо-
женных в алюминиевой матрице, поэтому микро-
твердость этой структуры невелика, в сравнении с
микротвердостью самих интерметаллидов.
3. Результаты проведенных исследований струк-
туры и фазового состава позволяют рекомендовать
для получения биметаллических материалов из ме-
таллов как с неограниченной растворимостью, так и
не растворимых в твердом состоянии способом СТП.
1. Pat. 9125978.8 J.В., МПК PCTrGB92. Friction stir butt
welding / W.M. Thomas. – Publ. 01.12.91.
2. Вилль В.И. Сварка трением металлов. – Л.: Машино-
строение, 1970. – 176 с.
3. Сварка трением: Справочник / В.К. Лебедев, И.А. Чер-
ненко, Р. Михальски и др. – Л.: Машиностроение. Ле-
нингр. отд-ние, 1987. – 236 с.
4. Mishraa R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and proces-
sing // Mat. Sci and Engineering. – 2005. – 50. –
Р. 1—78.
5. Эрикссон Л. Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трени-
ем – научные исследования и новые области примене-
Рис. 10. Микроструктура верхней (а), средней (б) и нижней частей ядра соединений Al/Fe, полученных СТП, снято в отраженных
электронах (а)
Рис. 11. Структура продольного сечения сварного соединения Al/Fe, полученного СТП: а – общий вид; б – микроструктура
верхнего; в – среднего участков
67
ния // Технология машиностроения. – 2003. –
№ 6. – C. 81—84.
6. Людмирский Ю.Г., Котлышев P.P. Сварка трением с пе-
ремешиванием алюминиевых сплавов в строительстве //
Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитекту-
ра. – 2010. – № 3. – С. 15—22.
7. Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding of
aluminum alloy and application to structure // J. of Jap. In-
stitute of Light Metals. – 2000. – 50, № 4. – P. 166—172.
8. Arbegast W.J. Friction stir welding. After a decade of deve-
lopment // Welding J. – 2006. – 85, № 3. – P. 28—35.
9. Watanabe H., Takayama H., Yanagisawa A. Joining of alu-
minum alloy to steel by friction stir welding // J. of ma-
terials proc. technology. – 2006. – 178. – P. 342—349.
10. Influence of friction stir welding parameters on grain size
and formability in 5083 aluminum alloy / T. Hirata,
T. Oguri, H. Hagino et al. // Materials Sci. and Enginee-
ring. – 2007. – A456. – P. 344—349.
11. Interfacial reaction in steel-aluminum joints made by fricti-
on stir welding / W.-B. Lee, M. Schmuecker, U.A. Mercar-
do et al. // Scripta Mater. – 2006. – 55. – 355—358.
12. Microstructure of friction stir welding of aluminium alloy
to magnesium alloy / A. Kosta, R.S. Coelho, J. dos Santosb,
A.R. Pyzallac // Ibid. – 2000. – 66. – P. 953—956.
13. Kwon Y.J., Shigematsu I., Saito N. Dissimilar friction stir
welding between magnesium and aluminium alloys // Ma-
terials Letters. – 2008. – 62. – Pd 3827—3829.
14. Effest of friction stir welding parameters on the microstruc-
ture and mechanical properties of the dissimilar Al—Сu jo-
ints / P. Xue, D.R. Ni, D. Wang et al. // Materials Sci.
and Engineering. – 2011. – 528. – P. 4683—4689.
15. Saeida T., Abdollah-Zadehb A., Sazgarib B. Weldability
and mechanical properties of dissimilar aluminum-copper lap
joints made by friction stir welding // J. of alloys and
Compounds. – 2010. – 490. – 652—655.
16. Effect of friction stir welding parameters on the microstruc-
ture and mechanical properties of the dissimilar Al—Cu jo-
ints / P. Xue, D.R. Ni, D. Wang et al. // Materials Sci.
and Engineering A. – 2011.– 528. – P. 4683—4689.
17. Хансен М., Андерко К. Структура двойных сплавов. –
М.: Металлургиздат, 1962. – Т. 1; Т. 2. – 1488 с.
18. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди:
Справочник /Под ред. Н.Х. Абрикосова. – М.: Наука,
1979. – 248 с.
19. Рабкин Д.Н. Рябов В.Р. Гуревич С.М. Сварка разнород-
ных металлов. – Киев: Техника, 1975. – 206 с.
20 Диаграммы состояния двойных металлических систем. –
М.: Машиностроение, 1996—2000. – Т. 1; Т. 2 и Т. 3.
The paper presents the results of studying the structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals produced
by friction stir welding (FSW). Systems with unlimited solubility (Ni—Cu) or absence of solubility (Al—Fe) in the solid
state have been studied. FSW of copper to nickel resulted in making a sound bimetal joint with interpenetration of one
metal into another one to approximately 3 mm depth. Metal mass transfer plays a leading role in FSW process, diffusion
processes being negligible. Structure refinement takes place in mass transfer bands as a result of recrystallization processes.
Copper diffusion into nickel along grain boundaries occurs to the depth of up to 15 μm with formation of interlayers
of solid solution of these metals. FSW of aluminium to iron resulted in formation of a joint zone of a considerable
volume with aluminium penetration into iron to the depth of up to 2.5 mm. Here metal interaction takes place: mass
transfer, primarily, of aluminium and subsequent formation of FeAl3, Fe2Al7, FeAl2 compounds. The hardest sections of
the joint zone consist of intermetallics in aluminium matrix. Hardness of such a structure is (2870± 410) MPa that is 3
times lower than that of iron aluminides. Results of performed investigations of structure and phase composition allow
recommending FSW process for producing bimetal joints of metals both with unlimited solubility, and without it in
the solid state. Ref. 20, Tables 4, Figures 11.
K e y w o r d s : friction stir welding;, bimetals; solid-phase solubility; mass transfer; microstructure; X-ray spectrum
microanalysis; elemental composition; microhardness
Поступила 18.07.2013
68
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96720 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T04:33:53Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Степанюк, С.Н. Полищук, М.А. Зеленин, Е.В. 2016-03-19T18:43:27Z 2016-03-19T18:43:27Z 2013 Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием / Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник, С.Н. Степанюк, М.А. Полищук, Е.В. Зеленин // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 4 (113). — С. 60-68. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96720 669.187.2 Приведены результаты исследования структуры и свойств биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием (СТП). The paper presents the results of studying the structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals produced by friction stir welding (FSW). ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Новые материалы Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием Features of structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals produced by friction stir welding process Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Степанюк, С.Н. Полищук, М.А. Зеленин, Е.В. Новые материалы |
| title | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием |
| title_alt | Features of structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals produced by friction stir welding process |
| title_full | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием |
| title_fullStr | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием |
| title_full_unstemmed | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием |
| title_short | Особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием |
| title_sort | особенности структуры биметаллических соединений разнородных металлов, полученных способом сварки трением с перемешиванием |
| topic | Новые материалы |
| topic_facet | Новые материалы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96720 |
| work_keys_str_mv | AT grigorenkogm osobennostistrukturybimetalličeskihsoedineniiraznorodnyhmetallovpolučennyhsposobomsvarkitreniemsperemešivaniem AT adeevali osobennostistrukturybimetalličeskihsoedineniiraznorodnyhmetallovpolučennyhsposobomsvarkitreniemsperemešivaniem AT tunikaû osobennostistrukturybimetalličeskihsoedineniiraznorodnyhmetallovpolučennyhsposobomsvarkitreniemsperemešivaniem AT stepanûksn osobennostistrukturybimetalličeskihsoedineniiraznorodnyhmetallovpolučennyhsposobomsvarkitreniemsperemešivaniem AT poliŝukma osobennostistrukturybimetalličeskihsoedineniiraznorodnyhmetallovpolučennyhsposobomsvarkitreniemsperemešivaniem AT zeleninev osobennostistrukturybimetalličeskihsoedineniiraznorodnyhmetallovpolučennyhsposobomsvarkitreniemsperemešivaniem AT grigorenkogm featuresofstructureandpropertiesofbimetaljointsofdissimilarmetalsproducedbyfrictionstirweldingprocess AT adeevali featuresofstructureandpropertiesofbimetaljointsofdissimilarmetalsproducedbyfrictionstirweldingprocess AT tunikaû featuresofstructureandpropertiesofbimetaljointsofdissimilarmetalsproducedbyfrictionstirweldingprocess AT stepanûksn featuresofstructureandpropertiesofbimetaljointsofdissimilarmetalsproducedbyfrictionstirweldingprocess AT poliŝukma featuresofstructureandpropertiesofbimetaljointsofdissimilarmetalsproducedbyfrictionstirweldingprocess AT zeleninev featuresofstructureandpropertiesofbimetaljointsofdissimilarmetalsproducedbyfrictionstirweldingprocess |