Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 6

Среди них карбидвольфрама (WC), оксид титана (TiO и TiO2), оксид алюминия (Al2O3), оксидитрия (YO2), оксид циркония (ZrO2), карбонитрид титана (TiCN).Наиболее предпочтительной схемой воздействия модификатора на расплавявляется измельчение его структуры за счет резкого увеличения готовых центровкристаллизации при введении тугоплавких соединений в готовом виде. При этомк тугоплавким модификаторам, вводимым в готовом виде, предъявляютсяследующие требования:- кристаллическая решетка модификатора должна быть близка по своимпараметрам к кристаллической решетке стали;- температура плавления модификатора должна быть выше температурыплавления стали;- размер модифицирующих частиц должен лежать в диапазоне от 10 до 500нм.40Анализ литературы посвященной применению наноразмерных тугоплавкихмодификаторов при сварке и наплавке различными способами показалперспективность данного направления.

Авторами всех представленных работотмечаетсязаметноевлияниеиспользованныхиминаноразмерныхмодификаторов на различные характеристики наплавленного металла и металлашва. Замечено воздействие модификаторов на структуру и морфологиюнаплавленного металла и металла шва. Что в свою очередь приводит кувеличению пластическихсвойств металла шва, либо к увеличениюизносостойкости наплавленного слоя в зависимости от выбранного составасварочных материалов и модификаторов.

Всеми авторами отмечается сложностьобнаружения введенного модификатора в наплавленном металле и металле шва.Применительно к сварным швам, выполненным на низкоуглеродистых(Ст3, Сталь 20) и низколегированных сталях (09Г2С, 10ХСНД) отмечаетсяизмельчение структуры, изменение ее морфологии и фазового состава, характервключений приобретает более благоприятную округлую форму. Эти измененияв свою очередь ведут к увеличению стойкости металла шва к ударному изгибупри отрицательных температурах, повышению стабильности предела прочностиметалла шва, увеличению его усталостной прочности.

Такой эффект достигаетсяпри использовании таких модификаторов, как Al2O3, TiN, W, Y2O3.Вбольшинствеработуказываетсяколичествоиспользованныхнаноразмерных тугоплавких модификаторов по отношению к сварочнымматериалам, а не к объему сварочной ванны/наплавленного слоя. Количествовводимых модификаторов варьируется от 0,2 до 3% от массы сварочногоматериала. Во всех работах кроме [23,35,40,51,56] вводимые модификаторыпроходят высокотемпературную зону (столб дуги, головная часть сварочнойванны, капля расплавленного металла), что может привести к их нагреву дотемператур свыше 3000⁰С, что превышает температуру существованиябольшинства рассматриваемых тугоплавких соединений. Эта особенность непозволяет определить количество модификатора, достигшего сварочной ванны,а, следовательно, определить необходимую рецептуру сварочных материалов,41содержащих наноразмерные частицы при изменении режимов сварки/наплавки.В работах где перенос модификатора осуществляется через сварочный флюс исовместно с защитным газом лишь часть модификатора переходит в сварочнуюванну минуя высокотемпературные зоны дуги, что тем не менее не позволяетсделать вывод о том, какое его количество достигло жидкой ванны.Кроме того, стоит предположить, что для тугоплавких частиц, вводимых вготовом виде действуют такие же закономерности, что и для частиц,образующихся в расплаве из отдельных компонентов.

Так, согласно работе К.К.Хренова [19] значение при модифицировании имеет не только количествовводимых модификаторов, но также и степень их перегрева. Оценить степеньперегрева модификатора, прошедшего дуговой промежуток так же непредставляется возможным.В работах посвященных электрошлаковой сварке и наплавке [23,51,56]соблюдаются наиболее благоприятные условия переноса модификатора изсварочных порошковых проволок в объем сварочной ванны, так как температуражидкого шлака значительно меньше температуры плавления стали и полностьюотсутствует разбрызгивание электродного материала. Можно предположить, чтовсе количество модификатора, входящего в состав порошковых проволокдостигает объема сварочной ванны, при этом степень нагрева модификатора небудетпревышатьтемпературуплавлениястали.Однакоскоростьэлектрошлаковой сварки и наплавки значительно ниже, чем у других способовсварки.

Исходя из этого, рецептура сварочных материалов, содержащихнаноразмерные тугоплавкие модификаторы будет отличаться.Наиболее технологичным способом введения модификаторов являетсяприменение порошковых проволок, в состав шихты сердечника которыхвведены композиционные гранулы, содержащие наноразмерные модификаторы.Сварочные материалы в виде порошковых проволок позволяют дозироватьколичествовводимогомодификатора,транспортировки и хранения.атакжеупрощаютпроцесс42Цель и задачи исследования1.6.Цель работы заключается улучшении эксплуатационных свойств сварныхсоединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей путем повышенияударной вязкости металла шва и/или роста стабильности ее значений, за счетприменения порошковых проволок, содержащих наноразмерные тугоплавкиечастицы.Для реализации, поставленной в работе цели необходимо решитьследующие задачи:- на основе литературного анализа определить составы тугоплавкихсоединений, опробованных в качестве модификаторов для низкоуглеродистыхнизколегированных сталей.- на основе термодинамического расчета взаимодействия тугоплавкихсоединений в условиях сварочной ванны и литературных данных определитьспособ введения наноразмерных модификаторов в сварочную ванну.- разработать состав присадочной проволоки, содержащей наноразмерныетугоплавкие модификаторы для их транспортировки в хвостовую частьсварочной ванны.- на основе термодинамического расчета взаимодействия тугоплавкихсоединений в условиях сварочной ванны и литературных данных определитьспособ введения наноразмерных модификаторов в сварочную ванну.- исследовать влияние наноразмерных частиц на структуру металла шва приреализации различных схем процесса дуговой сварки под флюсом.- провести экспериментальные исследования, влияния наноразмерныхчастиц, введенных в сварочную ванну посредством порошковой проволоки, наударную вязкость металла шва.-разработатьтехнологическиерекомендациипоиспользованиюнаноразмерных частиц в качестве модификаторов дуговой сварке под флюсом.43Глава 2.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИКАТОРОВИ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИСВАРОЧНОЙ ВАННЫ2.1.Физико-химическиесвойстватугоплавкихсоединений,применяемых в качестве модификаторовСогласно с изложенным в Главе 1 к тугоплавким соединениям,применяемым в качестве модификаторов предъявляется требование сходстватипа кристаллической решетки и ее параметров с решеткой стали.Как известно кристаллическая решетка чистого железа может находитьсяв виде гранецентрированного куба (ГЦК), называемого α-железо и δ-железо иобъёмно-центрированного куба (ОЦК), также называемого γ-железо (Рис.

2.1.).а)б)Рис. 2.1.Формы кристаллической решетки железа а) ОЦК и б) ГЦКУглерод, входящий в состав сталей может располагаться по центрам гранейкристаллов железа, а также выделяться внутри и по границам зерен железа в видепластинок перлита.Внизкоуглеродистыхнизколегированныхсталяхприразличныхтемпературах могут присутствовать различные фазы, такие как жидкая фаза,аустенит, феррит, цементит. При этом аустенит представляет собой твёрдыйраствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гранецентрированнойкубической) решёткой, феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-44железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой, а цементит –химическое соединение железа с углеродом, со сложной ромбической решёткой.В процессе охлаждения расплавов таких сталей из жидкой фазы в первуюочередь выделяются зерна высокотемпературного феррита, имеющего ОЦКрешетку.

Период ОЦК решетки высокотемпературного феррита (δ-Fe) принагревании увеличивается от 0,2925нм при температуре 1392 °C до 0,2935нм при1536 °C.По результатам литературного анализа из всего перечня исследованныхтугоплавких наноразмерных соединений были выбраны следующие: карбидвольфрама (WC), нитрид титана (TiN), оксид алюминия (Al2O3). Этитугоплавкие соединения наиболее широко исследованы в работах посвященныхпроцессам литья [57–60] и сварки [29,31,35,41,42,61,62] с применениеммодификаторов для низкоуглеродистых низколегированных сталей.Карбид вольфрама (WC) представляет собой фазу внедрения, котораясодержит 6,1% С (по массе) и не имеет области гомогенности.

Имеет высокуютвёрдость(9по шкалеМооса)и износостойкость.Имеетдвекристаллографические модификации:- α-WC с гексагональной решеткой (периоды решетки a = 0,2906 нм, c =0,2839 нм), которая устойчива до 2525 °C (2808 К).- β-WC с кубической гранецентрированной решеткой (a = 0,4220 нм),которая устойчива свыше 2755 °C (3028 К).При этом в интервале температур 2525−2755 °C (2808-3028 К) существуютобе фазы.

При нагреве выше 2755 °C (3028 К) α-WC разлагается, образуя углероди фазу β-WC. Фаза β-WC описывается формулой β-WC1-x, где (0 ≤ x ≤ 0,41) иимеет широкую область гомогенности, которая с понижением температурыуменьшается[63].Ввидуотсутствияобластигомогенностиуα-WC,отклонениястехиометрического состава приводит к образованию W2C и углерода. Дикорбидвольфрама имеет гексагональную решетку (a = 0,29948 нм, c = 0,47262 нм ),которая при нагреве свыше 1427 °C (1700 К) преобразуется в кубическую45гранецентрированную (a = 0,4220 нм).