Автореферат (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 4

2), что в процессе обработки смеси ввысокоэнергетической планетарной мельнице происходит интенсивное измельчениечастиц TiO2 до наноразмерного порядка, а также деформация и дробление частицгранулята.8При этом появляются свежеобразованные ювенильные поверхности, несущие насебе электрический заряд. Это обеспечивает образование прочных химических связеймежду компонентами смеси. Содержание в составе МХП нанодисперсных тугоплавкихчастиц, по-видимому, за счет их высокой поверхностной энергии обеспечиваетувеличение модифицирующей способности МХП.Обращает на себя внимание наличие крупных (3-8 мкм) частиц в порошке,прошедшем обработку в планетарной мельнице.а)б)в)Рис. 2. Распределение частиц TiO2 в порошке в состоянии поставки (а), послеобработки в «пьяной бочке» (б) и после обработки в планетарной мельнице (в)Исследование крупных частиц, выделенных из общей массы порошка с помощьюпостоянного магнита, показало, что они представляют собой металлические гранулы,покрытые слоем диоксида титана.

Отсюда следует, что в планетарной мельницепроисходит не только измельчение частиц TiO2, но и дробление гранулята. А этоозначает, что в процессе механоактивации смеси в планетарной мельнице на поверхностипроволочной крошки возникают свежие ювенильные плоскости с высокойповерхностной энергией. На этих плоскостях высока вероятность образования прочныххимических связей TiO2 – гранулят.В четвёртой главе приведены результаты исследований влияния существующей иразработанной технологии получения МХП на механические свойства сварныхсоединений, выполненных автоматической сваркой под флюсом.

Было заварено 12образцов, длиной 500 мм, шириной 300 мм и толщиной 14 мм с введением МХП,произведенных по сравниваемым технологиям и содержащих различное количество TiO2(от 0 до 3,84%). Для механических испытаний были подготовлены 144 образца дляиспытания на ударную вязкость, 36 образцов для статических испытаний. Испытания наударную изгиб при температуре минус 40°С были проведены на маятниковом копреМК-30А, а на статическое растяжение – на машине Армавирского завода УММ-5.Сравнительные испытания сварных соединений из стали 10ХСНД, выполненных сприменением МХП, изготовленной в смесителе и планетарной мельнице, показали, чтоприменение МХП, прошедшей механоактивацию в планетарной мельнице, на порядокповышает стабильность механических свойств по пределу прочности, по сравнениюс применяемой технологией, и почти в два раза – по ударной вязкости (KCU-40)(Таблица 2).

За критерий стабильности принимали показатель, определяемый какотношение разности максимального и минимального значений к их средней величине:Ks =s MAX - s MIN;s Ср-40K KCU=KCU MAX - KCU MINKCU Ср(2)Наилучшие показатели стабильности механических свойств металла шва полученыпри следующих концентрациях TiO2 в МХП: для цилиндрического смесителя – 0,168%,для планетарной мельницы – 0,0375 %, а максимальные значения ударной вязкостидостигнуты при концентрациях TiO2: для цилиндрического смесителя – 0,427 % и0,458 % для планетарной мельницы (Рис. 3).9Таблица 2.Влияние технологии изготовления МХП на коэффициент стабильностимеханических свойств металла шваКонценИспытания наИспытания на статический разрывВариантытрацияударный изгибприготовления TiO2 вKCU-40sв,d,40K KCUМХПсоставе,KsKdBМПа%МХП, %Дж/см2Гранулят без625 – 54626 – 1686 – 5600,1350,510,411TiO2590,22073Цилиндрическ643 – 62320 – 18 0,10 87 – 690,1680,0320,230ий смеситель630,619578Планетарная602 – 60124 – 22 0,08 112 – 980,1320,03750,002106,2мельница601,3237Цилиндрическ610 – 57227 – 2392 – 720,4270,0640,160,239ий смеситель590,22584,9Планетарная592 – 56829 – 26 0,11 115 – 1040,4580,0420,098мельница57827,30112,5С помощью фрактографического анализа по методу Ньюхауза и Горицкого В.М.(Рис.

4) сравнивали площади зон вязкого (волокнистого) и хрупкого изломов наобразцах Менаже при температуре -40°С в зависимости от технологии полученияМХП. Площади зон излома определяли с помощью программы «КОМПАС 3D – V12»фирмы «АСКОН». Фрактограммы изломов изучали с помощью сканирующегоэлектронного микроскопа JEOL JSM 6510–LV при увеличениях от 100 до 2000.Рис. 4. Структура поверхности излома стандартногообразца (10×10 мм) типа I по ГОСТ 9454-781а и 1б – зона зарождения и стабильного роста трещины,Рис.

3. Зависимость KCU-40 от соответственно (сдвиговый механизм разрушения); 2 и 4способов приготовления МХП и – зоны пластичного (сдвигового) разрушения; 3 – зонаконцентрации TiO2 в нейхрупкого (кристаллического) разрушенияДолю хрупкой составляющей в изломе определяли как отношение площади хрупкойзоны Fхр к общей площади излома F: X P =FхрF× 100(%) , где Fхр – площадь зоны 3; F = 80мм2 – общая площадь образца сечением 10´10 мм с надрезом. Соответственно, вязкаясоставляющая в процентах равна B = (100 - X P )(%) . Результаты замера площадей вязкой ихрупкой составляющей в зоне излома представлены в Таблице 3. Результаты замераплощадей характерных зон излома показали, что в образцах сваренных с МХП,изготовленных по новой технологии, площадь хрупкого разрушения на 10-15%меньше, чем в сваренных по применяемой технологии.10Таблица 3.КонцентрациПлощадь ДоляОбщаяДоляKCU-40,я TiO2 вхрупкого хрупкогоплощадьвязкогосоставеДж/см22 излома, излома Х,излома, ммизлома В, %МХП, %мм2%Гранулят без TiO2090,7753,54594166Цилиндрический0,42784,3844,28524872смесительПланетарная0,4689,7339,524456113мельницаВариантыприготовленияМХПАнализ электронных фрактограмм показал, что в зоне вязкого разрушения в швах,выполненных без добавок TiO2 и с МХП, приготовленной в цилиндрическом смесителе,образуется более грубая структура излома, чем с МХП, приготовленной в планетарноймельнице (Рис.

5). В зоне хрупкого разрушения металл имеет кристаллический излом, востальных зонах преобладает сдвиговый (волокнистый) тип излома. Из полученныхданных (Рис. 6) следует, что с увеличением доли волокна в изломе, возрастает ударнаявязкость металла, что хорошо коррелируется с данными В.М. Горицкого.а)б)123Рис. 5. Электронные фрактограммы излома металлакорневого шва (´1000): а) – зона 1а; б) – зона 3Варианты приготовления МХП: 1 – гранулят без TiO2, 2 –в стандартном смесителе, 3 – в планетарной мельницеРис.

6. Зависимость ударнойвязкости металла шва от доливолокна в изломеФрактографические исследования поверхности излома образцов Менаже показали, чтовведение диоксида титана в сварочную ванну приводит к уменьшению площади хрупкогоизлома. Значения ударной вязкости KCU-40 (температура испытаний – минус 40 °С) металлашва при использовании МХП, изготовленной в смесителе «пьяная бочка», увеличиваются на10–14 %, а при изготовлении в планетарной мельнице – на 20–25 %, по сравнению ссоединениями, сваренными с гранулятом без добавления диоксида титана.Металлографические исследования показали, что при сварке с МХП, изготовленнойпо новой технологии в шве формируется мелкозернистая структура с линейным размеромзерна в 2 раза меньшим, чем при сварке по старой технологии (Рис. 7).

В главе 4 дан анализтермодинамических условий в различных зонах сварочной ванны. Построена модельраспределения температуры расплава в продольном сечении ванны (Таблица 4). Погабаритам сварочной ванны, полученной при сварке под флюсом с МХП, вычислено времяпребывания металла в различных её зонах. По литературным данным составлен списоквозможных окислительно-восстановительных реакций в сварочной ванне (Таблица 4).111Без TiO22МХП «пьяная бочка»TiO2 = 0,4%3МХП «планетарнаямельница» TiO2 = 0,4%Зона 4Зона 2Зона 1, 3Рис.

7. Микроструктура металла корневого шва, выполненного с МХП, изготовленной посравниваемым технологиям (увеличение ´397): 1 – образец, сваренный с гранулятом бездобавления TiO2 (средний размер зерна dср = 8мкм), 2 – образец, сваренный с МХП,приготовленной по старой технологии (dср = 8 мкм); 3 – образец, сваренный с МХП,приготовленной по новой технологии (dср = 4 мкм). Средний размер зерна определялиметодом секущей по Салтыкову С.А.Таблица 4.Схема температурной обстановки№Вероятные реакциив сварочной ваннезоныв сварочной ванне2CO+[Ti] ↹TiO2+2[C][Ti]+2[O] ↹TiO2Si+2O↹SiO23TiO2+4Al↹2Al2O3+3Ti2FeO+Ti↹TiO2+2Fe2CO+[Ti] ↹TiO2+2[C]2[Al]+3[O] ↹ (Al2O3)2Al2O3+3Ti↹3TiO2+4Al[Ti]+2[O] ↹TiO2Si+2O↹SiO22FeO+Ti↹TiO2+2Fe2[Al]+3[O] ↹ (Al2O3)2CO+[Ti] ↹TiO2+2[C][Ti]+2[O] ↹TiO2Si+2O↹SiO22[SiO]↹ [SiO2]+[Si]Mn+O↹MnO2FeO+Ti↹TiO2+2Fe1 - металлохимическая присадка (МХП); 2 стыкуемые элементы; 3 - сварочный флюс АН-47;4 - электрод (сварочная проволока Св10НМА,4мм); 5 - капля электродного металла; 6 –электрическая дуга; 7 - шлаковый пузырь; 8 - жидкий шлак; 9 – стекло толщиной 3 мм; 10 - медная подкладка; 11 - стальная подкладка; 12 расплав в сварочной ванне; 13 - металл шва; 14 - шлаковая корка12Вычислены изменения свободной энергии Гиббса (DG0) и химического потенциала(Dm) (Рис.

8) этих реакций в различных температурных зонах сварочной ванны. Врезультате расчёта были определены наиболее вероятные химические реакции в каждойзоне сварочной ванны (Таблица 4, Рис. 8).Рис. 8. Изменение химического потенциала Dm при протекании металлургическихреакций в температурных зонах 1, 3 (а), 2 (б), 4 (в)В зоне 1, 2, 3 происходит взаимодействие модифицирующей добавки TiO2 срасплавленным металлом гранулята (сварочная проволока Св-10НМА) и основнымметаллом (сталь 10ХСНД).

Флюс в этой зоне только начинает расплавляться, время иплощадь его контакта с расплавленным металлом невелика, следовательно, зоне №1 этотпроцесс, возможно, не учитывать. Согласно термодинамическим расчётам диссоциациядиоксида титана, введенного с МХП, в головной части маловероятна. В хвостовой частиванны также высока термическая стойкость диоксида титана. Следовательно,модифицирующие частицы будут сохраняться в виде включений, проходя всетемпературные зоны сварочной ванны. В хвостовой части сварочной ванны (зоне 4)происходит взаимодействие металла сварочной ванны с расплавленным флюсом,благодаря турбулентным потокам расплава в головной части сварочной ванны частицыдиоксида титана активно перемешиваются с расплавом и, равномерно распределившихпо объему сварочной ванны, переходят в хвостовую часть, где выполняют роль центровкристаллизации.