Как было показано, интерметаллический слой обладает свойствами, отличными от свойств основных металлов, поэтому представляет интерес получить качественные и количественные данные о содержании элементов на линии перехода от алюминия к железу (стали). В настоящее время такого рода данных недостаточно.
Методы металлографического и электронно-микроскопического анализа не всегда позволяют выявить тонкие различия в структуре переходной зоны, которая выглядит как единая прослойка, часто прерывистая в виде ряда включений, имеющих рельеф, отличный от рельефа основного металла и металла зоны соединения.
Диск В доброкачественном сталеалюминевом соединении толщина интерметаллического слоя не превышает нескольких микрон. Определение химического состава столь малых объемов вещества представляет известные трудности. В связи с этим для определения фазового состава зоны сплавления алюминия со сталью был использован метод микрорентгеноспектрального анализа.
Исследование распределения элементов в зоне сплавления производилось на микрорентгеноспектральном приборе французской фирмы «Камека», разработанном Кастэном и позволяющем производить замеры химического состава с поверхности микрошлифа на площадке диаметром ~ 1 мкм 2. Подробные сведения о характеристиках и возможностях данного прибора описаны в работах.
Об изменении количественного состава можно судить по изменению интенсивности спектральной линии данного элемента. Однако на эту интенсивность влияет присутствие атомов других элементов в образце и целый ряд факторов, учесть которые довольно трудно. Были предложены различные методы внесения поправок для получения более точных количественных данных. Наиболее простым из них является метод эталонирования. Для этого требуется подобрать эталонные сплавы, основное требование к которым – хорошая степень гомогенизации, которая проверяется на микрозонде.
Для работы на микрозонде были приготовлены сплавы из чистейших порошков алюминия (99,990 % Al) и карбонильного железа (99,98 % Fe, остальное С, Ni), которые прессовали в брикетики. Затем брикетики плавили в дуговой печи в среде гелия.
Полученные слитки подвергали гомогенизирующему отжигу при 900° С на протяжении 36 ч и закаливали в воде. Для более высоких содержаний алюминия в железе определяли концентрацию железа, а количество алюминия рассчитывали с известной степенью точности по разности с вычетом содержания других легирующих элементов. Во всех случаях диаметр зонда составлял 1 – 3 мкм. Иногда для исследования кристаллической структуры интерметаллических прослоек применяли рентгеноструктурный метод.
Порошок для съемки рентгенограмм получали либо механическим, либо химическим путем.
Фазовый состав шва исследовали путем снятия слоев металла от алюминия к железу.
Данные микрорентгеноспектрального анализа свидетельствуют о наличии постоянной концентрации железа в интерметаллическом слое, т. е. об однофазном строении его. Характерно также, что диффузия железа в алюминий почти отсутствует. Рентгеноструктурный анализ порошка, снятого с поверхности алитированного образца, фиксирует фазу Fе2Аl5. Толщина диффузионной зоны в этом случае составляет от 15 до 20 мкм. Интерметаллический слой является четверным сплавом алюминия, железа, хрома и никеля. Интерметаллическая прослойка неоднородна по составу, содержание железа колеблется в ней от 25,3 до 16,8 % – Видимо, участие никеля в формировании прослойки обеспечивает повышение прочностных характеристик комбинированных сталеалюминиевых соединений между сталью Х18Н10Т и алюминиевыми сплавами.
Следует отметить, что данные по фазовому составу диффузионных зон могут быть перенесены на аналогичные зоны в соединениях, полученных, например, сваркой – пайкой, так как термический цикл в этом случае не вносит изменения в ширину фазовых полей.
Для подтверждения этого были исследованы три вида сталеалюминиевых сварных образцов, вырезанных из зоны перехода от алюминия к стали: 1. Соединение оцинкованной стали Ст. З (толщина гальванического покрытия ~40 мкм) с алюминием марки АД1; шов выполнялся автоматической сваркой с использованием независимой двойной дуги.
2. Соединение стали Ст. З со сплавом АМг5В; шов выполнялся аргоно-дуговой сваркой на автомате АДСВ 2 с применением присадочных проволок, содержащих. чистый алюминий марки АВ000 с добавками 2 и 5 % Si. 3. Соединение алитированной стали 10Х18Н9Т со сплавом АМг5; алитирование проводилось в чистом алюминии АВ при 780 – 820° С в течение 90 – 120 сек. Шов выполнялся аргоно-дуговой сваркой с применением стандартной присадочной проволоки АМг5.
Во всех Случаях значения погонной энергии при сварке выдерживались одинаковыми.
Выбор образцов с такой предварительной подготовкой кромок был обусловлен тем, что в настоящее время практическое применение нашел способ сварки с предварительным нанесением на кромки стальной детали гальванических покрытий (цинка, меди + цинка и др.) в случае сварки алюминиевых сплавов с углеродистыми сталями типа Ст. 3 и слоя алюминия, наносимого путем горячего погружения – в случае Сварки алюминиевых сплавов с нержавеющими сталями типа Х18Н10Т.
Структуру на шлифах выявляли по специальной методике, описанной в работе. Чтобы исключить влияние рельефа, шлифы при исследовании их на микрозонде подвергали травлению в течение 2 – 3 сек. При четко видимой зоне шлифы не протравливали. Изучаемые места предварительно фиксировали на приборе ПМТ 3.
Количество цинка в фазе неодинаково – ближе к стали, интерметаллической полоске, оно выше и составляет 0,6 – 0,7 %, а в переходной зоне 0,3 – 0,4 %. Более высокое содержание цинка в области, примыкающей к стали, должно быть принято ориентировочно, так как диаметр зонда был несколько больше ширины темной полоски.
Рентгеноструктурный анализ порошка, снятого с поверхности наплавки, соприкасающейся с железом, фиксирует фазу Fе2Аl. На ряде образцов установлено наличие фаз, не принадлежащих системе Fe – А1.
Особый интерес представляет влияние добавок кремния в сварочную ванну на состав и размеры интерметаллического слоя. Сам факт резкого уменьшения толщины интерметаллического слоя известен, однако о характере влияния кремния существуют различные предположения.
Выявить какую-либо характерную зависимость распределения цинка в зоне соединения не представилось возможным, так как размеры зон, обогащенных цинком, малы и носят «островной» характер.
В верхнем углу графика дано распределение этих элементов в алюминии на расстоянии до 50 мкм от диффузионного слоя. Максимальное содержание вблизи этого слоя не превышает 0,4 %, снижаясь до сотых долей процента на расстоянии 50 – 60 мкм.
Отчетливо наблюдается контрастность перехода от стали к слою и от слоя к шву с резко выраженными границами перехода, что говорит о скачкообразном изменении концентрации железа в зоне. Серые пятна в металле шва являются участками с повышенным содержанием железа. Они появляются в результате последующей (после алитирования) аргоно-дуговой сварки.

  • Читать все новости