Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 4

Способмодифицирования расплава введением готовых тугоплавких модификаторовстал возможным относительно недавно, с появлением апробированныхтехнологий получения тугоплавких наноразмерных частиц.Примером тугоплавких частиц являются оксиды, нитриды, карбидыразличных металлов, таких как Ti, W, Al, V и т.д.С точки зрения применения такого рода модификаторов в областисварочного производства наиболее предпочтительным является использованиеименно тугоплавких частиц, вводимых извне.

При этом необходимо соблюдатьследующие условия:- исключить перегрев вводимых модификаторов;- размер вводимых модификаторов должен лежать в диапазоне от 10 до 500нм.;- количество вводимого модификатора не должно превышать 0,5%.В этом случае будет достигаться измельчение структуры металла шва безослабления межзеренного пространства хрупкими фазами. Таким образом,22необходимо определить схему ввода тугоплавких частиц наноразмерногодиапазона удовлетворяющую перечисленным требованиям.Рис.

1.4.Влияние содержания титана и способа его введения в сварочную ванну нахарактер структуры и ударную вязкость сварных швов [19]1.4. Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерныхмодификаторов при реализации различных способов сваркиЗа последние годы было опубликовано большое количество статей [23,27–54]посвященных модифицированию металла шва и наплавленного металлананоразмернымипроцессов.тугоплавкимиВсемиавторамичастицамиприреализацииотмечаетсяположительноесварочныхвоздействиемодификатора на эксплуатационные свойства и размер зерна наплавленногометалла.

Так были опробованы различные способы сварки и наплавки свведением наноразмерных модификаторов при реализации таких процессов как:1) Ручная дуговая сварка и наплавка плавящимися покрытыми электродами.2) Полностью механизированная сварка под слоем флюса.3) Полностьюмеханизированнаявольфрамовым электродом.дуговаясваркавинертномгазе234) Частично механизированная дуговая сварка в защитном газе плавящимсяэлектродом.5) Лазерная сварка.6) Плазменно-порошковая наплавка.7) Электрошлаковая сварка.В качестве основного материала были опробованы низкоуглеродистыенизколегированные стали, сплавы на основе никеля, алюминия, титана,коррозионностойкие стали и т.д.Для решения проблемы доставки наноразмерных частиц в сварочную ваннубыли использованы различные приемы, однако общим для подавляющего числаисследователей стало использование композиционных гранул [28–30,35,38].Композиционными гранулами (КГ) называются частицы, представляющиесобоймеханическуюсмесьнаноразмерныхтугоплавкихчастицимикроразмерных частиц чистых металлов, таких как железо или никель.

КГпроизводят путем совместной обработки микроразмерных и наноразмерныхчастиц, а также металлических шариков, в высокоэнергетической планетарноймельнице. Таким образом, твердые частицы наноразмерного диапазонамеханически внедряются в поверхностные слои мягкой частицы-носителя. Политературным данным максимальное количество наноразмерных частицсоставляет 30 масс.% от общей массы смеси при использовании порошка никеляв качестве носителя и 4,5 масс.% при использовании порошка железа.

Этосоотношение связано с надежностью сцепления частиц с частицей-носителемпри максимальном их количестве. Способ получения композиционных гранулбыл предложен Анучкиным С.Н. [55].Применение наноразмерных порошков в чистом виде затруднено. Так как ввиду большой активности и развитой поверхности частицы наноразмерногодиапазона склонны к слипанию, это затрудняет обеспечение их равномерногораспределения. Использование гранул, прочно связывающих наноразмерныечастицы, позволяет избежать их слипания, а также увеличить равномерностьколичествавводимогомодификатора.Необходимымтребованием,24предъявляемым к частицам-носителям, на которые наносятся наноразмерныечастицы,являетсясмачиваниеповерхностиносителянаноразмернымичастицами, с этой целью применяют микроразмерные порошки никеля.Таким образом, применение композиционных гранул имеет определенныепреимущества перед использованием наноразмерных частиц (НРЧ) в свободномвиде, среди них стоит отметить- экранирование НРЧ от перегрева;- упрощение транспортировки НРЧ;- предотвращение слипания НРЧ.1.4.1.

Ручная дуговая сварка и наплавка плавящимися покрытымиэлектродамиВопросом применения наноразмерных тугоплавких модификаторов приреализации ручной дуговой сварки штучными электродами занимались такиеисследователи, как Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, А.С. Трошков, И.В. Зорин, С.С.Горемыкина, [28–30], С.В. Макаров, Д.В.

Гнедаш, С.Б. Сапожков, А.В.Макаров[31–34]. В своих работах они использовали обмазку электрода длязакрепления на нем модификатора. Было предложено две схемы введениямодификатора из обмазки штучного электрода в сварочную ванну.В первом случае исследователи [29] наносили композиционные гранулы наоснове никеля, содержащие наноразмерные модификаторы, поверх обмазкипокрытых электродов при помощи суспензии на основе жидкого стекла (Рис. 1.5,а).

При этом были опробованы электроды с рутиловым (OK 43.32) и основным(UTP 67 S) видом покрытия. Затем проводили серию наплавок на пластины изнизкоуглеродистой стали (сталь 20), с применением изготовленных электродов.Исследование наплавленного металла, полученного с применениемпредложенных сварочных материалов, показало, что введение наноразмерныхчастиц в составе композиционных гранул приводит к изменению структурынаплавленного металла при использовании электродов с рутиловым покрытием.Исходная феррито-перлитная структура изменилась на твердый раствор α-Fe с25остаточным аустенитом.

Такая структура является более благоприятной с точкизрения пластических свойств и надежности работы в условиях отрицательныхтемператур. Так же замечено увеличение твердости наплавленного слоя посравнению с слоем без модификаторов на 23-25%.При наплавке электродом основного вида покрытия, изменений структурыот применения композиционных гранул обнаружено не было.Во втором случае, исследователи [28,30] смешивали композиционныегранулы с обмазкой электродов основного типа (УОНИ–13/45), а затемизготавливали штучные электроды с содержанием 3% гранул от массы обмазкиэлектродов (Рис. 1.5, б). Полученные электроды использовали при сваркеобразцов из низкоуглеродистой стали (Ст3).а)б)Рис.

1.5.Покрытые электроды с наноразмерным модификатором, входящим в егосостав а) поверх обмазки электрода и б) в обмазке электрода26Анализ образцов показал, что присутствие модификатора приводит квыделению в феритно-перлитной смеси нижнего бейнита высокой дисперсностии однородности, снижая при этом количество неметаллических включений ипридавая им более благоприятную глобулярную форму.

Испытания металла швана ударную вязкость показали увеличение ударной вязкости на 20 и 65% притемпературе испытаний -20 и -60⁰С соответственно.Другие исследователи [31–34], занимающиеся данным направлением,предлагаютиспользованиекомплекснойкомпозициинаноразмерныхмодификаторов (Al2O3, Si, Ni, Ti, W) вводимых в обмазку электродов марки МР3 в количестве 1,0% от массы жидкого стекла, которым крепится обмазка.Подробно технология изготовления представлена в статье [31]. Исследованиеструктуры и механических свойств металла шва показало некоторое увеличениепластических свойств металла и вызвало измельчение структуры.1.4.2.

Полностью механизированная сварка под слоем флюсаПриреализациисваркиподфлюсомнизколегированныхнизкоуглеродистых сталей с применением наноразмерных модификаторов,авторами такими как А. С. Трошков, Г. Н. Соколов, С. С. Сычева, В. И. Лысак[30,35], А.М. Болдырев, В.Г. Гребенчук, Д.А. Гущин, А.Г. Ткачев, С.В. Блинов,В.В. Григораш [27,36,37,54] предложены следующие способы введениянаноразмерных модификаторов:- введение через флюс системы CaF2–Al2O3–CaO–MgO с содержанием в немкомпозиционных гранул в количестве 1,5% от массы флюса.

Гранулыизготовлены на основе никеля с введением наноразмерных частиц карбидавольфрама (WC).Исследование металла шва, наплавленного с использованием флюсасодержащего модификаторы (Рис. 1.6.) показало увеличение номера зерна с 8 до13, а также уменьшение количества неметаллических включений и увеличениеударной вязкости металла шва в 2 раза при температуре испытания -60⁰С посравнению с использованием флюса без модификаторов [30,35].27- использование металлохимической присадки (МХП) состоящей изстальной крупки (Св-10НМА) и 3 масс.% порошка рутила (размером до 3 мкм)(TiO2) совместно обработанных в планетарной мельнице.

Совместная обработкаприводит к измельчению порошка рутила до 0,2 мкм. Пик распределения частицрутила после обработки в планетарной мельнице (60%) составляет 0,5 мкм.Рис. 1.6.Способ введения наноразмерных модификаторов, входящих в составсварочного флюса при сварке под флюсомПрименение МХП (Рис.

1.7.) обработанной в высокоэнергетическойпланетарной мельнице с образованием нанодисперсных (от 0,2 до 8 мкм) частицTiO2 на поверхности крупки привело к повышению стабильности значенийпредела прочности металла шва. При этом значения ударной вязкости притемпературе испытаний -40⁰С увеличились на 20-25% [27,36,37,54].28Рис. 1.7.Способ сварки под флюсом с металлохимической присадкой, содержащейнаноразмерные модификаторы1.4.3. Ручная дуговая сварка в инертном газе вольфрамовымэлектродомПодход, предложенный такими авторами как И.В. Зорин, Г.Н.