Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 3

Однако ихприменение зачастую связано с уменьшением производительности сварки, атермообработка крупногабаритных изделий не всегда целесообразна в связи с еесложностью.Металлургические приемы в то же время направлены на химическоевоздействие на металл шва через сварочные материалы. К металлургическимприемам можно отнести следующие:- рафинирование металла шва;- легирование и микролегирование;- модифицирование.Однако данные приемы позволяют воздействовать только на объемрасплавляемого металла, то есть металл шва. А применение сварочныхматериалов, содержащих легирующие элементы, такие как никель и молибден,приводит к существенному удорожанию самих материалов и как следствиесварочных работ.К комплексным приемам относятся способы сварки, такие как сварка сметаллохимической присадкой (МХП) и сварка с дополнительной горячейприсадкой (ДГП) (Рис.

1.2.). В силу применения дополнительного присадочного16материала эти способы сварки позволяют уменьшить количество тепла,вводимого в сварное соединение в процессе сварки, без уменьшенияпроизводительности процесса. Кроме того, возможно металлургическоевоздействие на металл шва через дополнительный присадочный материал.а)б)Рис. 1.2.Комплексные приемы при сварке под флюсома) сварка с МХП, б) сварка с ДГПОба способа позволяют дозировать количество дополнительной присадкивводимой в единицу длины шва, а, следовательно, и количество элементов,обеспечивающих металлургическое воздействие на металл шва.

Однако дляспособа сварки с металлохимической присадкой характерна сложность еедозирования,вследствиечегоможетнаблюдатьсянеравномерностьмеханических свойств по длине сварного соединения.Наибольший потенциал по увеличению ударной вязкости сварныхсоединений при сварке под флюсом имеет способ сварки с дополнительнойгорячей присадкой. В этом случае дополнительный материал подается всварочную ванну независимо от основного в виде проволоки, что упрощает егодозирование. Кроме того, существует возможность подавать проволоку вразличные участки сварочной ванны, воздействуя тем самым на ее форму объеми скорости охлаждения различных участков.Изспособовметаллургическоговоздействиянаибольшийинтереспредставляет модифицирование металла шва различными элементами. При17модифицировании вводятся элементы в количестве сотых долей от объемарасплава. Модифицированием можно значительно измельчить размер зеренрасплава в процессе его кристаллизации и тем самым повысить его пластическиесвойства.Совокупное использование способа сварки с дополнительной горячейприсадкой и модифицирования может существенно повлиять на механическиесвойства металла шва при реализации сварки под флюсом низкоуглеродистыхнизколегированных сталей.1.3.

Описание принципов модифицирования металла шваОдним из перспективных путей воздействия на механические свойствалитого металла является его модифицирование. Модифицированием называетсяизмельчение структуры металлов и сплавов при помощи примесей, называемыхмодификаторами, специально вводимых в расплав или формирующихся в немпод влиянием добавок [9].

Притом количество вводимых элементов составляетне более 0,1 мас. %[10]. Данный опыт хорошо представлен в работах,посвященных процессам литья [11–14]. Согласно работам, посвященнымвопросам модифицирования литого металла имеют место различные механизмыпротекания процесса, что зависит от вида модификатора и условий, при которыхпротекает реакция [15]. Таким образом, модификаторы делятся по принципувзаимодействия с расплавом на ингибиторы (Рис. 1.3., Рис.

1.1, а), илиограничители роста кристаллов и инокулянты (Рис. 1.3., Рис. 1.1, б), или центрыкристаллизации.Ингибиторы так же делят по типу примесей на поверхностно-активныеэлементы, эвтектики и тугоплавкие частицы. Это разделение связано с физикохимическими свойствами примесей и соединений, которые они образуют врасплаве.Поверхностно-активными элементами называют примеси, адсорбируемыеотдельными гранями растущих кристаллов [16]. Благодаря избирательности ихадсорбции отдельными гранями растущего кристалла такого рода примеси18способны не только тормозить рост кристаллов, но также влиять на егоморфологию. Например, препятствовать развитию кристаллов игольчатой илипластинчатой формы, способствовать сфериодизации избыточной фазы.а)б)Рис. 1.3.Кристаллизация расплава по схемеа) сдерживания роста кристаллитовб) создания большего числа зародышей кристаллизацииПримером поверхностно-активных элементов для сплавов на основе железаможет служить бор (В) [17].Эвтектики – создают прослойки по границам растущих дендритов, притомих температура кристаллизации меньше, чем у основного металла, такимобразом, осуществляется полная изоляция растущих дендритов от остальнойчасти жидкого металла, что приводит к сдерживанию развития дендритов иполучению равноосных зерен [15].При выборе модификаторов такого рода следует учитывать следующиерекомендации [2]: модифицирующая добавка должна образовывать с основой сплаваэвтектику, с температурой, близкой к температуре плавления основного сплава.19 модифицирующаядобавкадолжнаиметьнизкийкоэффициентраспределения в кристаллизующемся веществе, что вызовет концентрациюатомов модификатора вблизи поверхности кристалла.Примером модификаторов эвтектического типа для алюминиевых сплавовможет служить медь.Однако, применение такого рода модификаторов ограничено, так какприсутствие составляющих эвтектического типа повышает чувствительностьметалла шва к появлению горячих трещин.Тугоплавкие частицы, так же как эвтектики, могут осаждаться на границахрастущих кристаллов и сдерживать их рост путем изоляции растущего дендритаот окружающего жидкого металла [10,18].

В этом случае наблюдаетсяинтенсивное уменьшение размера кристаллов при значительном количествемодификатора (несколько десятых долей масс.% ), однако, возникает опасностьснижения ударной вязкости в следствие осаждения хрупких тугоплавкихсоединений по границам зерен. Так при модифицировании стали титаном вработе [19] наблюдали эффект модифицирования при введении титана около 0,5мас.

% и констатировали склонность металла шва к хрупкому разрушению, засчет концентрации карбидов и нитридов титана по границам зерен.Инокулянты в свою очередь разделяют также по принципу работывводимого модификатора на «холодильники» и тугоплавкие частицы.Под «холодильниками» (инокуляторами) подразумеваются элементыоказывающие охлаждающее воздействие на кристаллизующийся расплав [20].Большой темп охлаждения способствует росту скорости кристаллизации иуменьшению развития ликвационных процессов, что благоприятно отражаетсяна структуре.Примером модификаторов такого рода могут служить частицы металлаблизкого по химическому составу к основному, добавляемые в расплав впроцессе его охлаждения. Размер частиц подбирается таким образом, чтобы врезультате их подплавления, до падения температуры расплава близкой к20температуре кристаллизации, их размер превышал критический размерзародыша кристаллизации.

Тем самым искусственно увеличивается количествоготовых центров кристаллизации, что приводит к диспергированию структуры[21].Примером применения такого принципа модифицирования при сваркесталей может служить сварка под флюсом с дополнительной порошковойприсадкой [22].К минусам применения модификаторов этого типа можно отнести большуювероятность увеличения загрязнения металла неметаллическими включениями,в основном оксидами [20], а также потребность выдерживания определенноготемпа охлаждения расплава.Тугоплавкими частицами называют элементы и их соединения, температураплавления которых значительно превышает температуру плавления основногорасплава.

При наличии в расплаве таких частиц, они облегчают образованиекристаллов и способствуют увеличению числа готовых центров кристаллизации,вокруг которых образуются и растут кристаллиты. При этом тугоплавкиечастицы могут, как образовываться непосредственно в расплаве из отдельныхкомпонентов [23–26], так и вводиться извне в готовом виде [13,15,19].

Дляобразованияврасплаветугоплавкихчастицтребуетсясоблюдениеопределенных пропорций химических элементов, вводимых в расплав сварочнойванны, а также соблюдение определенных темпов охлаждения расплава.Например, в работе [19] показано, что при введении модификаторов (Ti)через сварочную проволоку в количестве около 0,5% эффект модифицированияпроявляется только по механизму сдерживания роста зерна, что связано сперегревом капель электродного металлаи дезактивацией вводимогомодификатора. Свидетельством воздействия модификатора по этому механизмуявляется существенное измельчение структуры при увеличении склонности кхрупкому разрушению. В то же время при введении сотых долей процента (0,008– 0,018%) того же модификатора через керамический флюс, наблюдаетсяинтенсивное измельчение структуры металла шва и рост ударной вязкости. Это21связано с тем, что значительная доля модификатора попадает в сварочную ванну,минуя дуговой промежуток и осаждается в периферийных, наиболее холодныхучастках сварочной ванны.На Рис.

1.4. показана зависимость размера зерна и значения ударнойвязкости при сварке под флюсом от способа ввода модифицирующей добавки иколичества вводимой добавки.Тугоплавкие частицы, вводимые извне, обладают большим потенциалом,так как их количество в расплаве сварочной ванны зависит от того, сколько ихбыло введено изначально.Необходимыми требованиями к такого рода модификаторам являются ихполное смачивание и сходство кристаллической решетки с решеткой основногометалла [16]. Кроме того, размер вводимых частиц должен быть достаточнобольшим для образования зародыша кристаллизации и одновременно неослаблять структуру закристаллизовавшегося металла. Согласно данным работ[21] и [27] оптимальный размер частиц лежит в области от 10 до 500нм.