Диссертация (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 18

4.20) [93, 98, 99, 101, 102].Скорость взаимодействия на границе шлак – металл значительно вышескорости конвективной транспортировки реагентов и продуктов реакции.Поэтому в тонких слоях контакта шлак – металл можно считать допустимымравновесное состояние [108]. В этом случае система стремится к постояннойвеличине соотношения концентрации TiO2 в шлаке и металле – константераспределенияL=(TiO2 )ш[TiO2 ]в(4.14)где (TiO2)ш и [TiO2]в – концентрация TiO2 в шлаке и в ванне,соответственно.При L > 1 TiO2 диффундирует из шлака в сварочную ванну, при L < 1диффузия протекает в обратном направлении.Введение в расплав МХП обеспечивает надежную доставку диоксида титанав реакционную зону, обеспечивая его равномерное распределение по всемуобъёму ванны и, следовательно, повышает концентрацию TiO2 в ней.

Этоприводит к торможению диффузии диоксида титана из шлака в ванну или (приL < 1) к диффузии TiO2 из ванны в шлак [93, 98, 99, 101, 102].Из сказанного следует, что переход диоксида титана из флюса через жидкийшлак ограничен.В тоже время оксид алюминия, в количестве 9–13 % содержащаяся вофлюсе АН-47 будет активно диффундировать из шлака в сварочную ванну,которая формируется из свариваемого металла и электродной проволоки, не129содержащих алюминия. В этом случае константа распределения LAl O намного23больше единицы.

Поэтому в металле шва химический анализ фиксирует в швеприсутствие алюминия (Таблица 15). Причём в контрольном образце, сваренном спроволочным гранулятом без добавок TiO2, концентрация алюминия в шве болеечем в 2 раза меньше, чем при сварке с добавкой TiO2 [93, 98, 99, 101, 102]. Этообъясняется тем, что при наличии в сварочной ванне кислотного диоксида титанавозрастает интенсивность диффузии из шлака в ванну амфотерного оксида Al2O3,который в данном случае проявляет свойства основного оксида.Присутствие в сварочной ванне титана и алюминия, обладающих высокимсродством с кислородом, предотвращает окисление кремния и марганца, сохраняяих концентрацию на уровне свариваемого металла.При этом образуются центры кристаллизации в виде неметаллическихвключений наноразмерного порядка из оксидных комплексов Al2O3∙TiO2 внитридо-титановой оболочке как и a-железо, имеющей объёмно-центрированнуюкубическую кристаллическую решетку.Такой механизм взаимодействия диоксида титана с расплавом в сварочнойванне подтверждают данные работы [26].

Проведенные авторами этой работыисследования морфологии и состава мелкодисперсных частиц (менее 1,0 мкм)показали, что эти частицы имеют ядро, состоящее из оксидов алюминия и титана(28,4 % Al, 15,71 % Ti и 39,51 % O). Внешняя оболочка такой частицы состоит изнитрида титана (44,73 % Ti и 10,67 % N2). Таким образом, введение оксида титанав сварочную ванну с проволочным гранулятом приводит к образованию в зонекристаллизации равномерно распределенных частиц эндогенного происхождения.Учитывая высокую температуру плавления нитрида титана (2947 °С) и егокубическую кристаллическую решетку, соответствующую решетке a – железа,можно предположить, что такое комплексное алюминиево – титановое включениес нитридо – титановой оболочкой является готовым центром кристаллизации.

Этообеспечивает формирование мелкозернистой структуры металла шва [93, 98, 99, 101,102].130Согласно теории зарождения и слияния (коалисценции) микропустотразрушение металла при нагружении вплоть до предела прочности начинается сзарождения микропустот (микропор) на участках, представляющих препятствиедлядеформации.Впервуюочередь,такимипрепятствиямиявляютсянеметаллические включения. По мере увеличения напряжения микропустотырастут, сливаются в трещину и постепенно приводят к полному разрушениюметалла. Как уже было показано, величина энергии зарождения микропор зависитот размера неметаллических частиц. Чем меньше размер (диаметр) частицы, темниже коэффициент концентрации напряжений, создаваемых частицей прискольжении дислокаций, тем больше энергии требуется для зарождениямикропоры на границе матрица – частица в результате пластической деформацииматрицы или растрескивания частицы. Критический размер частицы в сталях, прикотором на границе включения – матрица зарождается микропора, наблюдалиавторы работ [22, 26, 59].

При этом наблюдается значительный разбросполученных результатов: от 0,3 до 1 мкм [22], [26], [59].Показанный выше эффект измельчения частиц оксида титана в планетарноймельнице до наноразмерного уровня позволяет увеличить число центровкристаллизации в хвостовой части ванны на базе этих частиц. При этом основойэтих центров, как было показано, являются неметаллические комплексынаноразмерного порядка, состоящие из оксидов титана и алюминия, а такженитридов титана.Полученные нами результаты [93, 98, 99, 101, 102] повышения ударнойвязкости металла шва при использовании МХП с частицами TiO2 наноразмерногопорядкасвидетельствуютоправомерностиобъясненияролиразмеровнеметаллических частиц в зарождении трещин. В тоже время упомянутыйбольшой разброс критических размеров этих частиц говорит о том, чтообразование микропустот в металле при пластической деформации связано нетолько с размерами неметаллических включений.

По нашему мнению, объясненияпричин зарождения трещин по механизму коалисценции микропустот лишь наоснове геометрического фактора недостаточно. Необходимо учитывать не только131размеры частиц, но и химический состав, и структуру кристаллографическоесродство матрицы и включения. Зарождение микропустоты вокруг такоговключения можно представить как разрыв связей матрицы с поверхностьючастицы. Очевидно, чем прочнее эти связи, тем больше энергии требуется для ихразрыва. Поэтому следует ожидать, что наличие алюминиево – титановыхвключений с нитридо – титановой оболочкой, кристаллическая решетка которойкогерентна матрице, затрудняет зарождение и развитие микропустот. И, конечно,при одинаковых размерах включения связь матрицы с поверхностью такойчастицы значительно прочнее, чем, например, с поверхностью шлаковоговключения [93, 98, 99, 101, 102].Выводы по главе 41.В процессе изготовления МХП в высокоэнергетической планетарноймельнице происходит интенсивное измельчение частиц TiO2 до наноразмерногопорядка, а также пластическая деформация и дробление частиц гранулята, чтоспособствует образованию прочных связей между поверхностью частиц гранулятаи диоксида титана.

Согласно приведенным в работе термодинамическим расчётамметаллургических реакций в сварочной ванне при автоматической сварке сметаллохимической присадкой, диссоциация диоксида титана, введенного с МХП,в головной части маловероятна. В хвостовой части ванны также высокатермическая стойкость диоксида титана. Следовательно, модифицирующиечастицы будут сохраняться в виде включений, проходя все температурные зонысварочной ванны. Введение диоксида титана в сварочную ванну совместно сгранулятом обеспечивает надежную его доставку в реакционную зону иравномерное распределение по всему объёму сварочной ванны, что обеспечиваетповышение стабильности механических свойств металла шва.2.Установлено, что введение в сварочную ванну нанооксидов при сваркенизколегированныхсталейспособствуютформированиювязкихморфологических форм феррита в структуре металла шва, в частности,132игольчатого феррита. Металлографические исследования показали, что присварке с МХП, изготовленной по новой технологии в шве формируетсямелкозернистая структура с линейным размером зерна в 2 раза меньшим, чем присварке по старой технологии.3.На основе разработанной методики оценки величины удельноймежфазной поверхности систем «шлак – сварочная ванна» и «МХП – сварочнаяванна» установлено, что удельная межфазная поверхность диоксида титана,осевшего на поверхности гранулята на порядок выше, чем удельная поверхностьграницы «шлак – сварочная ванна».

Величина удельной межфазной поверхности«шлак – металл» определяется только режимами сварки, а системы «диоксидатитана – металл» размерами гранулята. Автоматическая сварка под флюсом сдиоксидом титана в МХП обеспечивает повышение концентрации алюминия вметалле шва и двухкратное снижение содержания серы. Введение диоксидатитана непосредственно в сварочную ванну обеспечивает в 2 раза большуюконцентрацию титана в шве, чем в результате взаимодействия сварочной ванны срасплавленным флюсом.4.На основе термодинамики гетерофазных реакций предложен механизмвзаимодействия диоксида титана со сварочной ванной в условиях сварки подфлюсом АН–47, содержащим 9–13 % Al2O3.

Образовавшиеся в результатереакций на межфазных границах гранулят – расплав и жидкий шлак – расплавэндогенные включения с тугоплавкой нитридо – титановой оболочкой, являютсяактивнымицентрамикристаллизациииспособствуютформированиюмелкозернистой структуры металла шва. Между матрицей и нитридо-титановойоболочкой, кубическая кристаллическая решетка которой соответствует решеткеa-железа, образуются прочные химические связи, что затрудняет зарождениемикропустот и трещин в металле шва при нагружении до предела текучести.

Этообеспечивает повышение ударной вязкости металла шва KCU-40 на 10–14 % прииспользовании МХП, полученной в стандартном смесителе, а в случаеприменения МХП, изготовленной в планетарной мельнице – на 20–25 % посравнению с соединениями, выполненными без добавления диоксида титана.133ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ1.

Дляоценкипрочностисцеплениямодифицирующихчастицсгранулятом при их совместной механохимической обработке, с достаточнойстепенью воспроизводимости и удовлетворительной ошибкой эксперимента,можно использовать величину привеса (массу модифицирующих частицсвязанных с гранулятом).2. Разработанная технология получения МХП обеспечивает стабильный еёсостав и прочные связи между частицами. Прочность сцепления увеличивается свозрастанием массы TiO2 в присадке, времени и энергии смешивания. В процессеизготовления МХП в высокоэнергетической планетарной мельнице происходитинтенсивное измельчение частиц TiO2 до наноразмерного порядка, а такжепластическая деформация и дробление частиц гранулята, что способствуетобразованию прочных связей между поверхностью частиц гранулята и диоксидатитана.