Lutowanie twarde tytanu ze stalą nierdzewną

Transkrypt

1 ANDRZEJ WINIOWSKI Lutowanie twarde tytanu ze stalą nierdzewną WPROWADZENIE Łączenie metodami spawalniczymi materiałów o zróżnicowanych własnościach fizycznych i chemicznych oraz uzyskiwanie połączeń o wymaganych dobrych własnościach eksploatacyjnych stanowi ważny i aktualny problem badawczy oraz technologiczny. Dotyczy on bowiem wykonawstwa konstrukcji i podzespołów urządzeń stosowanych w nowoczesnych gałęziach przemysłu i gospodarki. Występują w nich między innymi połączenia stali nierdzewnych z metalami lekkimi, takimi jak aluminium i tytan (jest on także metalem reaktywnym), a także stopami i materiałami kompozytowymi na osnowie tych metali. Lutowanie twarde obok specjalistycznych metod spawania i zgrzewania jest jedną z podstawowych metod łączenia takich układów materiałowych [1 5]. Decydują o tym stosunkowo niska temperatura procesu łączenia, korzystne warunki metalurgiczne jego przebiegu, a także możliwość łączenia w jednej operacji podzespołów o konstrukcji złożonej z wielu elementów o zróżnicowanych kształtach i wymiarach. W przypadku połączeń typu stal nierdzewna-tytan lutowanie twarde jest szczególnie zalecane do wykonywania instalacji oraz wymienników ciepła dla przemysłu chemicznego, a także podzespołów reaktorów nuklearnych oraz osprzętu i silników lotniczych. Ponadto w wielu przypadkach konstrukcji tytanowych wymagania techniczne dopuszczają również możliwość zastąpienia niektórych elementów tytanu elementami wykonanymi z dużo tańszej stali nierdzewnej. Warunkują to jednak dobrymi własnościami eksploatacyjnymi (zwłaszcza własnościami mechanicznymi) połączeń spajanych. Lutowanie twarde znajduje również zastosowanie także w tych przypadkach. Własności mechaniczne połączeń lutowanych stal nierdzewna-tytan, podobnie jak połączeń spawanych i zgrzewanych tych materiałów, są związane z występowaniem twardych i kruchych faz międzymetalicznych [1 8]. Tytan jako metal reaktywny tworzy bowiem fazy międzymetaliczne z podstawowymi składnikami większości lutów twardych. Szczególnie negatywny wpływ na własności mechaniczne połączeń lutowanych mają fazy międzymetaliczne powstające w wyniku reakcji perytektycznej i wydzielające się w postaci ciągłych, kruchych i twardych warstw na granicach lutowin. Warstwy takie, słabo związane z materiałem podstawowym i lutowiną, a także różniące się od nich znacznie współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, sprzyjają powstawaniu pęknięć, często już na etapie krzepnięcia lutowiny. W warunkach wystąpienia naprężeń rozciągających lub ścinających, stanowią one również znaczne osłabienie połączenia. Dostępne informacje o własnościach mechanicznych tego typu połączeń, wykonywanych najczęściej najpowszechniej dostępnymi spoiwami srebrnymi, są dość zróżnicowane, podobnie jak i zalecane parametry temperaturowe i czasowe lutowania [2 4, 11 14]. Nie napotkano również w dostępnej literaturze naukowej i technicznej wyników przeprowadzonych kompleksowo badań ich własności mechanicznych w powiązaniu z analizą strukturalną. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki prowadzonych w ostatnich latach w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach badań nad wpływem warunków temperaturowo-czasowych lutowania stali nierdzewnej chromowo-niklowej i tytanu spoiwem srebrnym typu Ag72Cu28 (B-Ag72Cu-780) na jakość oraz własności mechaniczne i strukturę połączeń [17, 18]. Dr inż. Andrzej Winiowski (andrzej.winiowski@is.gliwice.pl) Instytut Spawalnictwa, Gliwice Cel utylitarny badań stanowiło opracowanie optymalnych warunków technologicznych lutowania, zapewniających najwyższą jakość i własności mechaniczne połączeń. MATERIAŁY PODSTAWOWE I SPOIWO Do badań zastosowano następujące materiały podstawowe: stal nierdzewna pręt o średnicy 28 mm w gat. X6CrNiTi18-10 wg PN-EN o składzie chemicznym wg analizy (% m/m): 0,017% C; 18,09% Cr; 9,64% Ni; 0,78% Si; 1,37% Mn; 0,20% Ti, tytan blacha o grubości 25 mm w gat. Grade 2 wg ASTM B (maksymalne ilości zanieczyszczeń: 0,1% C; 0,25% O; 0,03% N; 0,0125% H; 0,03% Fe). Jako spoiwo zastosowano lut srebrny w gat. B-Ag72Cu-780 (AG 403) wg PN-EN 1044:2004 o składzie chemicznym wg analizy (% m/m): 72,45% Ag, reszta Cu, w postaci taśmy o grubości 0,25 mm. Na podstawie własnych, wstępnych badań stwierdzono, że lut o tej grubości wykazywał najkorzystniejszy wpływ na jakość i wytrzymałość połączeń [17, 18]. WYKONANIE PRÓBEK ZŁĄCZY DO BADAŃ WY- TRZYMAŁOŚCIOWYCH I STRUKTURALNYCH Do badań wytrzymałości na ścinanie oraz badań strukturalnych połączeń lutowanych stali nierdzewnej (X6CrNiTi18-10) z tytanem (Grade 2) zastosowano lutowane doczołowo próbki walcowych elementów o nieco zróżnicowanych średnicach, t.j. stal nierdzewna mm, tytan mm. Lut srebrny typu B-Ag72Cu-780 w postaci kształtek o wymiarach 20 0,25 mm umieszczano pomiędzy łączonymi elementami, dystansując w ten sposób szczeliny lutownicze pomiędzy nimi. Jak wykazały dotychczasowe badania własne materiałów o ograniczonej zwilżalności, tworzących z lutem kruche fazy w połączeniach, ten typ próbki (próbka walcowa stosowana do badania połączeń lutowanych dyfuzyjnie) wykazuje dość ostrą reakcję na istnienie kruchych faz obniżających wytrzymałość połączeń [17, 18]. Lutowanie próbek stalowo-tytanowych po wytrawieniu w odpowiednich roztworach kwasów: HCl, HNO 3 i HF, prowadzono w piecu S-16 (firmy TORVAC) w próżni w zakresie 1, , Pa, stosując temperaturę lutowania: 820, 860 i 900 C, mierzoną bezpośrednio na próbkach w trakcie lutowania. Trzeba przy tym nadmienić, że temperatura topnienia lutu B-Ag72Cu-780 wynosi 780 (779) C, a przykładowa temperatura lutowania nim w próżni materiałów stosunkowo łatwo zwilżalnych, np. miedzi, nie przekracza C. Dobór temperatury lutowania w przypadku połączeń stalowotytanowych był uwarunkowany własnościami lutowniczymi łączonych materiałów. Z jednej bowiem strony, ze względu na występowanie przemiany alotropowej (α β) i możliwy nadmierny rozrost ziaren tytanu, powodujący w efekcie obniżenie jego własności mechanicznych oraz narastanie kruchych faz międzymetalicznych w lutowinie, temperatura lutowania nie powinna przekroczyć 900 C. Z drugiej strony, ze względu na słabą zwilżalność w próżni przez luty srebrne stali nierdzewnej chromowo-niklowej, temperatura lutowania powinna być wyższa od ok. 850 C, a nawet od 900 C [1 4, 9]. Czas wytrzymania próbek w temperaturze lutowania został dobrany w stosunkowo szerokim zakresie 5 40 min (odpowiednio: 5, 10, 15, 20 i 40 min), celem umożliwienia poznania wpływu tego 330 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXX

2 parametru na przebieg zmian strukturalnych w połączeniach. Należy podkreślić, że dla tytanu powszechnie zaleca się, aby czas ten był możliwie krótki z uwagi na ograniczenie tworzenia kruchych faz międzymetalicznych ze składnikami lutu, zwłaszcza z miedzią. Dla zapewnienia natomiast pełnego zwilżenia stali nierdzewnej spoiwem srebrnym wymagany jest nieco dłuższy czas lutowania. Badania technologiczne wykazały, że czas ten nie powinien być krótszy niż 5 minut [18]. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ LUTOWANYCH Polutowane połączenia poddano w pierwszej kolejności jakościowym badaniom wizualnym. Badania te wykazały brak pełnego stopienia i rozpłynięcia się lutu w szczelinach połączeń wykonanych w temperaturze 820 C dla czasu wytrzymania w tej temperaturze 5 min. Połączenia wykonane w warunkach odpowiednio: 820 C/15 40 min, 860 C/5 40 min i 900 C/5 40 min, wykazywały porównywalnie dobrą jakość, charakteryzując się całkowicie wypełnioną szczeliną lutowniczą. Wykazywały one również pobieloną lutem boczną powierzchnią elementu tytanowego, który jest łatwiej zwilżalny lutem srebrnym w próżni od stali nierdzewnej. Połączenia wykonane w temperaturze 860 i 900 C przy najdłuższym czasie wytrzymania, tj. 40 min, wykazywały z kolei lekką erozję brzegów elementu tytanowego (wynik intensywnego rozpuszczania się tytanu w lucie). Do prób ścinania uzyskanych połączeń próbek walcowych zastosowano specjalne uchwyty szczękowe, eliminujące efekt zginania poprzecznego próbki przy ścinaniu. Badania prowadzono na maszynie wytrzymałościowej firmy Instron. Ich wyniki przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Wytrzymałość na ścinanie (R t ) połączeń stali nierdzewnej i tytanu lutowanych spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze: 820 C (1), 860 C (2), 900 C (3) i czasach: 5 40 min Fig. 1. Shear strength (R t ) for stainless steel titanium joints brazed with B-Ag72Cu-780 silver brazing alloy at temperature of 820 C (1), 860 C (2), 900 C (3) and time 5 40 min Wszystkie próbki uległy rozłączeniu od strony stali. Najwyższe wartości wytrzymałości na ścinanie uzyskano dla połączeń lutowanych w temperaturze 900 C przy czasach wytrzymania 5 10 min ( MPa) oraz 860ºC przy czasie wytrzymania 15 min (158 MPa). Dość wysoką wytrzymałością charakteryzowały się również połączenia wykonane w tej temperaturze i czasie wytrzymania 20 min ( MPa), lecz uzyskane wyniki wykazywały stosunkowo duży rozrzut wartości. Pozostałe połączenia wykonane w temperaturze 820 C, a także przy krótszym i dłuższym czasie wytrzymania w temperaturach 860 i 900 C, wykazywały odpowiednio niższe własności wytrzymałościowe ( MPa). Przyczyny osłabienia tych połączeń należy upatrywać w słabej zwilżalności stali nierdzewnej w niższej temperaturze i krótszym czasie wytrzymania oraz, co wykazały badania strukturalne, w rozroście warstw kruchych faz międzymetalicznych w wyższej temperaturze lutowania i dłuższym czasie wytrzymania. BADANIA METALOZNAWCZE I STRUKTURALNE POŁĄCZEŃ LUTOWANYCH Połączenia stal nierdzewna (X6CrNiTi18-10) tytan (Grade 2), lutowane lutem srebrnym typu B-Ag72Cu-780 w określonych, zmiennych warunkach technologicznych, poddano badaniom strukturalnym obejmującym: obserwacje struktur połączeń za pomocą mikroskopu świetlnego MEF4M firmy Leica; badania morfologii powierzchni próbek na elektronowym mikroskopie skaningowym (SEM) typu JSM-6480 (z katodą wolframową) firmy JEOL, analizę chemiczna jakościową i ilościową faz w strukturach, przeprowadzoną za pomocą spektrometru dyspersji energii (EDS) firmy IXRF, analizę dyfrakcyjną faz za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) typu JEM 3010 firmy JEOL, wyposażonego w spektrometr dyspersji energii (EDS) oraz kamerę typu slow skan, pomiary mikrotwardości faz w strukturach połączeń za pomocą mikrotwardościomierza typu 401MVD firmy Wilson Wolpert. Badania morfologii powierzchni próbek za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z katodą wolframową przeprowadzono z wykorzystaniem obrazów uzyskanych w technice elektronów wtórnych (SE) i w technice elektronów wstecznie sprężyście rozproszonych (BE). Analizy chemiczne faz za pomocą spektrometru EDS wykonano, stosując standardową metodę kalibracyjną. Składy chemiczne badanych materiałów wyznaczono, stosując oprogramowania EDS rev. M firmy IXRF. Wszystkie pomiary przeprowadzono przy napięciu przyspieszającym U p = 20 kv oraz odległości roboczej 10 mm. Badania dyfrakcyjne struktur lutowin za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) przeprowadzono na cienkich foliach wykonanych metodą przekrojów poprzecznych. Zarejestrowane w postaci cyfrowej dyfraktogramy (elektronogramy) były wstępnie analizowane za pomocą programu DigitalMicrograph. Dalszą ich analizę przeprowadzano stosując program ELDyf, służący do analizy fazowej na podstawie uzyskanych elektronogramów punktowych. Badania na mikroskopach elektronowych: skaningowym (SEM) i transmisyjnym (TEM) oraz za pomocą spektrometru dyspersji energii (EDS) wykonano w Zakładzie Badań Strukturalnych Instytutu Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego [17]. Wyniki badań metalograficznych i strukturalnych połączeń lutowanych tytanu i stali nierdzewnej wykazały znaczne, związane z reaktywnością tytanu, zmiany dyfuzyjne w lutowinach wykonanych lutem typu Ag-Cu o strukturze eutektycznej i stosunkowo szeroko rozbudowane strefy dyfuzyjne lutowin na granicy z materiałami łączonymi. Struktury powyższych lutowin w zależności od temperatury procesu lutowania (820, 860, 900 C) różniły się dość wyraźnie od siebie (rys. 2 5). Występujące w nich fazy, co wykazała analiza EDS i dyfrakcja elektronowa, to przede wszystkim roztwory stałe, bardzo często na osnowie faz międzymetalicznych. Wykazywały one zróżnicowane składy chemiczne, odbiegające niekiedy od składów stechiometrycznych przypisanych ściśle tym fazom [15, 16]. Decydowało o tym miejsce ich usytuowania w strukturze lutowiny. Od strony tytanu lutowane próbki wykazywały tworzenie się struktury o lamelarnej budowie, złożonej z roztworów stałych tytanu z miedzią (AB, rys. 3 5). W próbkach lutowanych w temperaturze 900 C układ tych roztworów był trójwarstwowy z charakterystyczną, iglastą strukturą typu Widmanstättena (ABC, rys. 6, 7). NR 5/2009 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ OWA 331

3 Rys. 2 Mikrostruktury połączeń stal nierdzewna (dół) tytan (góra), lutowanych spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 820 C (a, a1), 860 C (b, b1), 900 C (c, c1) i czasie 15 min (a, b, c) oraz 40 min (a1, b1, c1) Fig. 2. Microstructures of stainless steel (down) titanium (up) joints brazed with silver B-Ag72Cu-780 brazing alloy at temperature of 820 C (a, a1), 860 C (b, b1), 900 C (c, c1) and time 15 min (a, b, c) and 40 min (a1, b1, c1) Pod warstwami o dwufazowej budowie lamelarnej w strukturach badanych próbek, lutowanych w temperaturze 820 C i 860 C, występowała warstwa faz tytanu z miedzią, złożona z podwarstw o rosnącej w kierunku środka lutowiny zawartości Cu i Ag (CDEF, rys. 3, 4, CDE, rys. 5). Dyfrakcyjna analiza elektronowa wykazała złożoną budowę tego obszaru połączeń. Podwarstwy te, kończące się pofałdowaną i słupkową powierzchnią, złożone były z roztworów stałych na osnowie faz CuTi2, CuTi i Cu4Ti3 (bliżej tytanu) oraz na osnowie fazy Cu3Ti2 z wydzieleniami na granicach ziaren cząstek roztworów na osnowie faz międzymetalicznych typu Cu4Ti, Cu2Ti oraz ziaren tytanu i srebra. Roztwór stały na osnowie fazy Cu3Ti2 występował również w postaci wtrąceń(y rys. 3) w eutektycznej strukturze Cu-Ag (XZ, rys. 3) w centralnej części lutowin wykonanych w temperaturze 820 C. W połączeniach lutowanych w wyższej temperaturze, tj. 860 i 900ºC (rys. 2, 4 7) zaobserwowano dwa rodzaje struktur w luto- 332 winach: wzbogaconą w miedź i tytan (ciemna) oraz wzbogaconą w srebro (jasna). Potwierdza to spostrzeżenie rozpadu struktury eutektycznej stopu Ag-Cu po rozpuszczeniu się w nim Ti, przedstawione w pracach [10, 13]. Stwierdzono ponadto, że wraz ze wzrostem temperatury i czasu lutowania obszary struktury wzbogaconej w srebro, występujące początkowo w formie przerywanych odcinków na przekroju złącza, ulegały koncentracji w jego środkowej części, aż do utworzenia postaci spłaszczonej kropli (rys. 2). Osnowę tej struktury w połączeniach wykonanych w temperaturze 860ºC tworzy roztwór stały na osnowie srebra o stosunkowo wysokiej zawartości tego pierwiastka (X, rys. 4). Osnowę struktury wzbogaconej w miedź i tytan stanowi natomiast roztwór stały na bazie fazy międzymetalicznej Cu3Ti2 (E, rys. 5). W strukturze połączeń wykonanych w temperaturze 900 C w obszarze wzbogaconym w srebro od strony tytanu, za złożoną warstwą o budowie lamelarnej i iglastej, występowała jednorodna warstwa złożona z roztworu stałego na osnowie fazy Ag17Cu17Ti66 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXX

4 Rys. 3. Mikrostruktury połączeń stal nierdzewna tytan lutowanych spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 820 C (SEM) Fig. 3. Microstructure of stainless steel titanium joint brazed with B-Ag72Cu-780 silver brazing alloy at temperature 820 C (SEM) Rys. 4. Mikrostruktura wzbogaconej w srebro strefy połączenia stal nierdzewna tytan lutowanego spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 860 C (SEM) Fig.4. Microstructure enriched in silver of stainless steel titanium joint brazed with B - Ag72Cu-780 silver brazing alloy at temperature 860 C (SEM) (D, rys. 6) a środek lutowiny stanowił roztwór srebra z wydzieleniami ziaren miedzi i roztworu stałego na osnowie fazy CuTi 2 (E, rys. 6). Roztwór stały na osnowie tej fazy (CuTi 2 ) stanowił również środkową część lutowiny w strukturze wzbogaconej w miedź i tytan (D, rys. 7). Od strony stali w strukturach połączeń wykonanych w temperaturze 820 C występowały warstwy mieszanin roztworów stałych na osnowie faz Cu 3 Ti 2 i Cu 4 Ti 3 (TU, rys. 3) oraz CuTi (S, rys. 3) z wtrąceniami faz typu: Ag 17 Cu 17 Ti 66, AgTi, Cu 3 Ti, Cu 4 Ti oraz roztworów stałych na osnowie srebra i miedzi (PR, rys. 3). W strukturach połączeń wykonanych w temperaturze 860 C warstwy te (ST rys. 4, 5) złożone były z roztworu stałego na osnowie fazy CuTi z wtrąceniami ziaren roztworów na osnowie faz Cu 3 Ti 2 i CuFeTi 2 oraz z roztworów stałych faz Cu 4 Ti 3 i CuTi (bliżej stali) 2 z wtrąceniami ziaren roztworów stałych na osnowie srebra i miedzi (RSTUW, rys. 4, PRT, rys. 5). W próbkach wykonanych w temperaturze 900 C były to z kolei wydzielenia roztworu stałego na osnowie fazy CuFeTi 2 (PR, rys.6; E, rys. 7) a w strukturze wzbogaconej w srebro dodatkowo z wtrąceniami roztworu na osnowie fazy Ag 17 Cu 17 Ti 66 (O, rys. 6; F, rys. 7). We wszystkich powyższych połączeniach lutowanych stal od lutowiny oddzielała bezpośrednio stosunkowo wąska warstwa roztworu stałego na osnowie fazy Cr 13 (OP, rys. 3 5; S, rys.6, 7). NR 5/2009 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ OWA 333

5 Rys. 5. Mikrostruktura wzbogaconej w miedź i tytan strefy połączenia stal nierdzewna tytan lutowanego spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 860 C (SEM) Fig. 5. Microstructure enriched in copper and titanium of stainless steel titanium joint brazed with B-Ag72Cu-780 silver brazing alloy at temperature 860 C (SEM) Rys. 6. Mikrostruktura wzbogaconej w srebro strefy połączenia stal nierdzewna tytan lutowanych spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 900 C (pęknięcie w lutowine, SEM) Fig. 6. Microstructure enriched in silver of stainless steel titanium joint brazed with B-Ag72Cu-780 silver brazing alloy at temperature 900 C (crack in braze metal,, SEM) Badania wytrzymałościowe omawianych połączeń lutowanych oraz pomiary mikrotwardości występujących faz strukturalnych wykazały, że największy wpływ na wytrzymałość tych połączeń miały twarde (twardość HV 0,01) i kruche warstwy, występujące najbliżej granicy lutowiny ze stalą. Złożone one były z roztworów stałych na osnowie faz międzymetalicznych typu Cr 13 (rys. 8), CuFeTi 2 (rys. 9) oraz CuTi z dużą zawartością Fe (rys. 10) oraz CuTi 2 (rys. 11). Tam też zachodziło pękanie i rozdzielanie próbek pod wpływem obciążeń w próbach ścinania. Obala to dość często powielany w praktyce lutowniczej mit, że o własnościach wytrzymałościowych tego typu połączeń decydują kruche fazy tytanu z miedzią, tworzące się od strony tytanu. Zaobserwowano również nieznaczny, stopniowy wzrost twardości wraz z temperaturą lutowania odpowiadających sobie warstw fazowych w próbkach. W fazach tych wzrastała zawartość utwardzających je pierwiastków (wchodzących w skład stali), takich jak Fe, Cr, Ni, a także niekiedy zawartość tytanu. Dodatkowe badania za pomocą spektrometru dyspersji energii (EDS) zmian składu chemicznego podstawowych faz w strukturach połączeń lutowanych w temperaturze 860 i 900 C przy krótkim (5 min) i dłuższym (5, 15, 40 min) czasie wytrzymania wykazały tylko niewielkie zmiany. W fazach tworzących struktury połączeń wykonanych w czasie wytrzymania 40 minut wystąpiło zwiększenie zawartości podstawowych składników stali, zwłaszcza chromu 334 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXX

6 Ag Cr 13 Austenite [111] Rys. 8. Obraz struktury zawierającej fazę Cr 13, elektronogram tej fazy i rozwiązanie elektronogramu (TEM) Fig. 8. TEM image of structure containing Cr 13 phase, selected area diffraction pattern of this phase and solution of diffraction pattern CuFeTi 2 A Rys. 7. Mikrostruktura wzbogaconej w miedź i tytan strefy połączenia stal nierdzewna tytan lutowanego spoiwem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze 900 C (pęknięcie w lutowinie) SEM Fig. 7. Microstructure enriched in copper and titanium of stainless steel titanium joint brazed with B - Ag72Cu-780 silver brazing alloy at temperature 900 C (crack in braze metal) SEM i niklu. Przeprowadzone obserwacje mikroskopowe tych struktur wykazały wzrost wielkości warstwowych i słupkowych wydzieleń fazowych w strefach dyfuzji na obrzeżach lutowin zarówno od strony stali jak i tytanu [17]. W oparciu o przedstawione wyniki badań i spostrzeżenia technologiczne opracowano wytyczne technologiczne twardego lutowania tytanu ze stalą nierdzewną, co stanowiło utylitarny cel pracy. Ustalono, że najkorzystniejsze własności połączeń tytanu ze stalą nierdzewną lutowanych w próżni lutem srebrnym typu B-Ag72Cu-780 zapewnia temperatura procesu 900ºC i czas wytrzymania 5 10 min a także temperatura 860ºC i czas wytrzymania ok. 15 min. Rys. 9. Obraz struktury zawierającej fazę CuFeTi 2, elektronogram tej fazy i rozwiązanie elektronogramu (TEM) Fig. 9. TEM image of structure containing CuFeTi 2 phase, selected area diffraction pattern of this phase and solution of diffraction pattern WNIOSKI [001] 1. Dobrą jakość i wysoką wytrzymałość na ścinanie (160 MPa) wykazują połączenia stali nierdzewnej (typu 18-10) z tytanem lutowane lutem srebrnym typu B-Ag72Cu-780 piecowo w próżni wyższej od 1, Pa, w temperaturze 900±10 C przy czasie wytrzymania w temperaturze lutowania 5 10 min, a także w temperaturze 860±10 C i czasie wytrzymania ok. 15 min. 2. Strukturalna analiza metalograficzna, uzupełniona elektronową analizą dyfrakcyjną i badaniami mikrotwardości faz, wykazała NR 5/2009 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ OWA 335

7 Cu 4 Ti 3 Cu Cu 4 Ti 3 CuTi 2 Ag Cu Cu 3 Ti 2 [110] Rys. 10. Obraz struktury zawierającej fazę CuTi, elektronogram tej fazy i rozwiązanie elektronogramu (TEM) Fig. 10. TEM image of structure containing CuTi phase, selected area diffraction pattern of this phase and solution of diffraction pattern [112] Rys. 11. Obraz struktury zawierającej fazę CuTi 2, elektronogram tej fazy i rozwiązanie elektronogramu (TEM) Fig. 11. TEM image of structure containing CuTi 2 phase, selected area diffraction pattern of this phase and solution of diffraction pattern w połączeniach stali nierdzewnej z tytanem, lutowanych lutem srebrnym B-Ag72Cu-780 w temperaturze C i czasie wytrzymania 5 40 min, istnienie zarówno od strony tytanu jak i od strony stali nierdzewnej złożonych warstw mieszanin oraz roztworów stałych z udziałem dwuskładnikowych i wieloskładnikowych faz międzymetalicznych tytanu z miedzią, srebrem, żelazem, chromem i niklem. 3. W badanych połączeniach, polutowanych w temperaturze 860 i 900 C, stwierdzono rozdział struktury na obszary wzbogacone w miedź i tytan (ciemne na obrazach SEM) oraz wzbogacone w srebro (jasne na obrazach SEM) w formie przerywanych odcinków na długości lutowiny, a także wraz ze wzrostem temperatury i czasu wytrzymania koncentrację fazy wzbogaconej w srebro w środkowej części złącza w postaci spłaszczonej kropli. 4. Badania własności wytrzymałościowych i badania strukturalne połączeń lutowanych stali nierdzewnej i tytanu, charakteryzujących się złożoną budową fazową wykazały, że o wytrzymałości połączeń lutowanych decyduje tworzenie się i rozrastanie z czasem trwania procesu kruchych warstw roztworów stałych na osnowie faz międzymetalicznych typu Cr 13. CuTi 2, CuFeTi 2, i CuTi (z dużą zawartością Fe) przy granicy lutowiny ze stalą. 5. Na podstawie przedstawionych wyników badań i spostrzeżeń technologicznych opracowano wytyczne technologiczne twardego lutowania lutem srebrnym stali nierdzewnej z tytanem, co stanowiło utylitarny cel pracy. LITERATURA [1] Praca Zbiorowa: Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. T. 1 i 2. WNT, Warszawa (2004/2005). [2] Schwartz M.: Brazing, ed. 2, ASM International, Materials Park, Ohio (2003). [3] Praca zbiorowa: Brazing Handbook, ed V, AWS, Miami (2007). [4] Praca Zbiorowa: Spravočnik po pajkie. Mašinostrojenie, Moskva (2003). [5] Kireev L. S., Peškov V. V. : Joining titanium to steel. T 11/2. Harwood Academic Publishers (1998). [6] Kireev L. S., Zamkov V. N.: Fusion welding of titanium to steel (reviev). Titanium. E. O. Paton Electric Welding Institute, NASU (2006). [7] Kireev L. S., Zamkov V. N.: Solid-state joining of titanium to steel (reviev). Titanium. E. O. Paton Electric Welding Institute, NASU (2006). [8] Kahraman N., Gulenc B., Findik F.: Joining of titanium/stainless steel by explosive welding and effect on interface. Journal of Material Processing Technology 169 (2005) [9] Shapiro A., Rabinkin A.: State of art of titanium based brazing filler metals. Welding Journal nr 10 (2003) [10] Jeremienko W. N., Bujanov J., Paščenko N. M.: Obłast rasstojenia w żidkom sostojanii w sistemie Cu-Ag-Ti. Izd. A.N. USSR 5 (1969). [11] Noola T., Shimizu T., Okabe M., Likubo T.: Joining of TiAl and steel by induction brazing. Materials Science and Engineering A (1997) [12] Matsu K., Miyazawa Y., Totsuka Y. Ariga T.: Brazing of CP-Ti to stainless steel. Mat. Międzynarodowego Kolokwium Brazing, high temperature brazing and diffusion welding, Aachen (2004). [13] Yue X., He P., Feng J. C., Zhang J. H., Zhu F. Q.: Microstructure and interfacial reactions of vacuum brazing titanium alloy to stainless steel using an AgCuTi filler metal. Materials Characterization 59 (2008). [14] Liu C. C., Ou C. L., Shiue R. K.: The microstructural observation and wettability study of brazing Ti-6Al-4V and 304 stainless steel using three braze alloys. Journal of Materials Science 37 (2002). [15] Massalski T. B.: Binary alloy phase diagrams. ASM International, Materials Park, Ohio (1991). [16] Villars P., Prince A., Okamoto H.: Handbook of tenary alloy phase diagrams. T. 7 i 8. ASM International, Materials Park, Ohio (1995). [17] Winiowski A., Łomozik M., Lelątko J.: Wpływ warunków i parametrów lutowania twardego stali nierdzewnej z tytanem na powstawanie i rozrost kruchych wydzieleń fazowych oraz własności połączeń. Projekt badawczy nr 3 T08C (2006) finansowany przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji. [18] Winiowski A., Niagaj J.: Badania technologiczne lutowania materiałów trudno lutowalnych i opracowanie nowych materiałów spawalniczych. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach nr Gn-12/ST- 195/ I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXX