Autori [3, 4] v Japonsku na univerzite v Sojo vyhotovili bimetaly Mg zliatiny AZ 31B s CrNi austenitickou oceľou explóziou pod vodou a vo vákuu. Vyhotovené spoje mali pravidelné zvlnené rozhranie bez aglomerácii oxidov. Táto kombinácia kovov vykazuje dobré korózne vlastnosti zo strany CrNi austenitickej ocele a dobré konštrukč­né vlastnosti zo strany Mg zliatiny AZ31B. Bimetal je určený predovšet­kým na výrobu konštrukčných dielcov v automobilovom priemysle.

Zváranie explóziou wolfrámu so substrátom medi a nehrdzavejúcej ocele. Tenké fólie z W hrúbky 0,3 mm boli urýchľované na Cu pri izbovej teplo­te. Fólie W menších hrúbok sa nezvarili v dôsledku vytvorenia trhlín kol­mých na zvarové rozhranie. Riešenie sa našlo v podobe zvýšenia teploty W fólie nad hodnotu kritickej prechodovej teploty. To si vyžadovalo pou­žitie špeciálneho experimentálneho vybavenia. Z testovaných údajov vy­plynulo, že W hrúbky nad 2 mm môže byť zvarený s CuCrZr, čistou Cu a CrNi nehrdzavejúcou oceľou 316L ako základným materiálom. Zvára­né vzorky mali rozmery 60x100x1 mm. Výskum bol zameraný na využi­tie plátovania W na Cu a CrNi nehrdzavejúcu oceľ pre súčasti tepelných výmenníkov, ktoré budú v budúcnosti využité na prácu s plazmou vy­sokých rýchlostí v projekte ITER (International Thermonuclear Experi­mental Reactor) [5].

NAVÁRANIE EXPLÓZIOU MATERIÁLOV MALÝCH HRÚBOK NA ZLIATINY MG POD VODOU

Je všeobecne známe, že Mg je veľmi ľahký kov v porovnaní s hmotnosťou iných konštrukčných materiálov. Využitie zliatin Mg rapídne stúpa v dô­sledku jeho vysokej pevnosti pri použití na výrobu ľahkých kovových zlia­tinových komponentov. Z dôvodu nízkej odolnosti voči korózii a nízkej plasticite je využitie Mg v praxi obmedzené. Kvôli zlepšeniu kvality po­vrchov sa na povrch horčíka a zliatin Mg navárajú tenké pláty Al. Zvára­nie explóziou pod vodou sa osvedčilo ako vhodná metóda pre tento druh navárania [7].

Spoločnosť Shockwave Metalworking Technologies v Holandsku sa špe­cializuje na zváranie explóziou vo vákuu tzv. Triplate. Ide o trimetal, kto­rý tvorí CrNi oceľ a Al zliatina AlMg4,5Mn a ako medzivrstva je použi­tý čistý Al [6].

METÓDY EXPERIMENTU

Zvárané materiály použité v experimente majú najväčší percentuálny podiel používaných technických materiálov v praxi. Zliatina AZ31B má dobré plastické vlastnosti, dobrú trieskovú obrobiteľnosť a je vhodná na zváranie. Zvariteľnosť nie je obmedzená pri použití vhodnej ochrannej atmosféry či vákua (GTAW, EBW, LBW). Pri zváraní sa odporúča použiť inertnú atmosféru (Ar, He). Vysoká tepelná vodivosť Mg zliatin môže pri zváraní za vyšších teplôt spôsobiť nadmerné zhrubnutie zrna. To spôso­buje vznik napäťových polí, ktoré môžu viesť k deformácii vyhotoveného spoja [8, 9]. Chemické zloženie je uvedené v tab. 1.

Austenitické CrNi ocele majú približne o 50 percent väčšiu tepelnú roz­ťažnosť a o približne 30 percent nižšiu tepelnú vodivosť ako feritické oce­le. Znamená to, že pri ich zváraní vznikajú väčšie deformácie a napätia. Majú vyššiu húževnatosť, ktorá je daná austenitickou štruktúrou s ku­bicky plošne centrovanou mriežkou K12. Štruktúra CrNi ocelí je výsled­kom kombinácie feritotvorného vplyvu Cr s austenitotvorným vplyvom Ni a C. Od CrNi koróziivzdorných ocelí sa vyžaduje odolnosť voči me­dzikryštálovej korózii [10, 11]. Chemické zloženie je uvedené v tab. 2.

Navrhnutá experimentálna zostava je zobrazená na obr. 1. Na odsávanie vzduchu sa použila mechanická výveva, ktorá cez Cu rúrku utesnenú vy­sokopevným tmelom odsávala vzduch. Pri vyhotovovaní bimetalov sa po­užilo paralelné situovanie zváraných materiálov. Po rohoch sa umiestni­li drevené hranolčeky, ktoré zabezpečovali dištanciu urýchľovaného kovu a celistvosť zostavy pri vytváraní vákua.

VÝSLEDKY A DISKUSIA

Parametre zvárania sa stanovili dostupnými výpočtami (tab. 3) vo VÚPCH Pardubice, Explosia, a. s.,

Na verifikáciu parametrov zvárania sa vyhotovila simulácia v programe ANSYS (obr. 4). Dôležité poznatky simulovania explóziou zahŕňajú tlak v spalinách detonácie pôsobiaci kolmo na povrch materiálu, kde tlak kle­sá v expandujúcich spalinách exponenciálne, pomocou čoho sa dá určiť jeho časová zmena na urýchľovaný materiál. Aby vzniklo zvlnené rozhra­nie, je nevyhnutné, aby na kontaktnej ploche impaktu vznikol stav napä­tosti, ktorý zabezpečuje vznik plastických deformácií, t. j. ekvivalentné Misesovo napätie musí byť vyššie ako medza sklzu zváraných kovov (CrNi oceľ Re = 209 MPa, AZ 31 Re = 200 MPa).

Zvarové rozhranie bimetalu (obr. 6) je bez aglomerácií oxidov. Mg zliatina AZ31B stráca svoj polyedrický charakter a nadobúda deformačnú štruk­túru v oblasti zvarového rozhrania bimetalu. Deformovaná štruktúra sa prejavila vplyvom veľkého tlaku nielen pri Mg zliatine AZ31B, ale aj na strane CrNi austenitickej ocele. V oblasti zvlnenia je viditeľná zóna čier­nej farby, pri ktorej sa predpokladá, že ide o fázu mechanického premie­šania (čierna oblasť na rozhraní spoja), ktorú tvorí tuhý roztok α-Mg a in­termetalické fázy Mg2Ni a CrNi2.

Tvrdosť oblasti deformovaných zŕn do oblasti neovplyvnenej plastickou deformáciou sa merala na tvrdomeri metódou poľa Vickersa kolmo cez zvarové rozhranie zváraných kovov. Najväčšia hodnota mikrotvrdosti Cr­Ni ocele bola 327 HV a Mg zliatiny AZ31B bola 67 HV. Nárast mikrotvr­dosti urýchľovaného materiálu bol zapríčinený tým, že jeho letu nebránil odpor vzduchu. Pri zváraní explóziou vo vákuu sa zistil mierny nárast tvr­dosti v oblasti rozhrania zvarových kovov v porovnaní s vyhotovenými bi­metalmi v rôznych prostrediach a pri rôznych detonačných rýchlostiach, čo dokumentuje obr. 7.

Mikroanalýza EDX (obr. 8) sa použila na určenie štruktúrnych útvarov a fáz na rozhraní spoja. Na základe RBD sa predpokladá výskyt interme­talických fáz – pri vyšších koncentráciách jednotlivých prvkov v bimetali sa rovnováha často ustáli tak, že kryštálová štruktúra fázy, ktorá vznikla, je odlišná od kryštálových štruktúr zložiek. Impakt zvarového rozhrania je tvorený oblasťou mechanického premiešania, ktorú tvorí tuhý roztok α-Mg a intermetalické fázy Mg2Ni a CrNi2.

Cieľom príspevku bolo podrobne preskúmať fyzikálno-metalurgické aspekty a správanie sa rôznych kovov (s odlišnou plasticitou) v proce­se zvárania explóziou vo vákuu. Ako vhodný reprezentant bola zvolená Mg zliatina AZ31B s oceľou X6 CrNiTi 18-10. Zvolená kombinácia slú­ži nielen ako experimentálny materiál, ale predstavuje široké uplatne­nie v technologickej praxi. Dôležité bolo posúdiť charakter zvarového rozhrania, vznik a rast intermetalických fáz a predpokladaných amorf­ných stavov.

Vytvorila sa experimentálna zostava na zváranie explóziou vo vákuu. Pred samotným zváraním explóziou sa navrhla numerická simulácia vo výpočtovom programe ANSYS. Výsledky numerickej simulácie po­tvrdili, že pri vhodne zvolených parametroch bude Mg zliatina AZ31B vhodná na výrobu bimetalov. Po podrobnom uvážení všetkých aspek­tov vstupujúcich do procesu technologického spracovania Mg zliatiny AZ31B explóziou, bola ako vhodná trhavina na urýchlenie kovov pou­žitá Semtex S 35. Ako vhodný iniciátor bola zvolená bleskovica Starli­ne 12 (detonačná rýchlosť 6 500 m.s-1). Hrúbka urýchľovaného mate­riálu bola 1 mm, dištančná vzdialenosť 2,7 mm a ustavenie materiálov bolo paralelné.

Vplyv vákua významne ovplyvňuje charakter zvarových spojov. Charak­ter zvlneného rozhrania bimetalu je pravidelnejší bez prítomnosti ag­lomerácií oxidov a trhlín. Hodnoty amplitúdy a vlnovej dĺžky sínusoi­dy rozhrania boli závislé najmä od dištančnej vzdialenosti a detonačnej rýchlosti.

Hodnota spevnenia daných oblastí bola preskúmaná meraním mik­rotvrdosti. Namerané hodnoty mikrotvrdosti potvrdili deformačné spevnenie materiálov v oblasti zvarového rozhrania. Maximálne spev­nenie a nárast tvrdosti bol pozorovaný v zóne do 200 μm od rozhra­nia, spevnenie materiálov bolo až 45-percentné. Z nameraných hod­nôt mikrotvrdosti sa dedukovalo, že pri zváraní explóziou dochádza k čiastočnému spevneniu aj celého urýchľovaného materiálu. Spevne­nie urýchľovaného materiálu bolo spôsobené rázovými vlnami a jeho hodnota sa pohybovala do päť percent.

Mikroanalýzou EDX sa posúdila možnosť difúzie a heterogenity zvarov v oblasti rozhrania. Difúzia sa nepotvrdila, čo dokázala čiarová mikroa­nalýza EDX cez rozhranie. Potvrdila sa prudká zmena koncentrácie prv­kov cez rozhranie. Ďalej sa preskúmali ostrovčeky vzniknuté mechanic­kým premiešaním zváraných materiálov. V premiešaných ostrovčekoch došlo k vzniku intermetalických fáz Mg2Ni a CrNi2.

Štruktúrna stabilita v oblasti rozhrania sa dá zabezpečiť napríklad pou­žitím medzivrstvy pri vyhotovení bimetalu vo vzdušnej atmosfére. Ďalší výskum by sa mal v budúcnosti zamerať na štúdium amorfných stavov v oblasti rozhrania zváraných materiálov metódou EBSD.

Literatúra:

[1] HORYNOVÁ, M.: 2009. Mechanicko-strukturní charakteristiky slitiny hořčíku AZ 31 s rozdílnym obsahem vápniku. Bakalárska práca. Brno: VÚT FSI, 2009. 44 s.

[2] HRIVŇÁK, I.: 2008. Zváranie a zvariteľnosť materiálov. Bratislava: STU, s. 486

[3] Scientific.Net Materials Science and Engineering. 2008. Explosive welding of some thin materials onto magnesium alloy using underwater shock wave, [cit. 2012-12-09]. Available on internet:

[4] TURŇA, M.: 1989. Special welding methods. Bratislava: ALFA, 384 s. ISBN 80-05– 00097-9

[5] CARTON, E. P.; STUIVINGA, M.; SCHMALZ, F.; J. G VAN DER LAAN.: 2007. (Hot) Explosive cladding of tungsten on copper and stainless steel substrates. Nuclear research and consultancy group, Holandsko.

[6] Triplate Transition Joints. Super Yacht Industry, 2008 [cit. 2011- 10-10]. Available on internet:

[7] MORI, A.; HOKAMOTO, K.; FUJITA, M.: 2008. Explosion welding of some thin materials onto magnesium alloy using underwater shock wave. Kumamoto University, Japonsko.

[8] KOPELIOVICH, D. 2007. Brazing magnesium alloys and magnesium matrix composites. Available on internet: [cit. 2013-07- 04], http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=brazing

[9] WATANABE, T.; KOMATSU, S.; OOHARA, K. 2005. Development of flux and filler metal for brazing magnesium alloy AZ 31B. In: Welding Research, WELDING JOURNAL, pp. 37 – 40.

[10] LEFFLER, B.: 2011. Stainless Steel and their properties. Available on internet: [cit. 2011-11-30]. http://www.outokumpu.com/files/ Group/HR/Documents/STAINLESS20.pdf >

[11] JÁŇA, M.: 2012. The effect of atmosphere and vacuum on character of welded joints fabricated by explosion. Diploma Thesis, p. 95

Poďakovanie

Príspevok vznikol s podporou GA VEGA MŠVVS SR a SAV (č. projektu 1/2594/12). „Výskum metalurgického spájania a ďalších technologických procesov spracova­nia horčíkových a iných ľahkých zliatin progresívnymi a ekologicky vhodnými technológiami a spoločnosti Explosia, a. s., Pardubice

TEXT/FOTO ING. MIROSLAV JÁŇA, ING. PETR NESVADBA, PHD., PROF. ING. MILAN TURŇA, CSC. IWE, SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE, MATERIÁLOVO-TECHNOLOGICKÁ FAKULTA V TRNAVE