Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 9

Однако проявляет чувствительность к растворенномукислороду. Продукты взаимодействия карбида вольфрама с кислородом могутпривести к образованию окиси вольфрама (WO3).4. Продукты взаимодействия нитрида титана могут привести к образованиюгазообразного азота, а также рутила (TiO2).

При охлаждении возможнообразование тугоплавких соединений с кремнием, таких как силицид титана(TiSi) и нитрид кремния (Si3N4).5. Оксид алюминия при диссоциации в расплаве сварочной ванны можетпривести к выделению свободного кислорода и увеличению количествакомпонентов шлаковой системы, таких как оксиды кремния и марганца (SiO2,MnO).6.Вобщемслучае,рассмотренныетугоплавкиесоединенияпредпочтительно вводить в сварочную ванну через низкотемпературные областис температурой, не значительно превышающей 2000 К.60Глава 3. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ3.1.

Состав сварочных материалов, используемых при проведенииисследованийКак отмечалось ранее, наиболее предпочтительным сварочным материалом,длявведениятугоплавкихнаноразмерныхмодификаторовявляютсяпорошковые проволоки. В качестве модификаторов, вводимых в состав шихтыпри изготовлении проволок, использовали наноразмерные порошки карбидавольфрама (WC), нитрида титана (TiN) и оксида алюминия (Al2O3). В Главе 2 наоснове теоретических исследований при помощи моделирования равновесиятермодинамической системы тугоплавкое соединение – сварочная ваннапоказана возможность их использования в качестве модификаторов.

С цельюпредотвращения слипания наноразмерных частиц, а также для увеличенияравномерности их распределения в наполнителе порошковых проволокиспользовали композиционные гранулы на основе никеля.Порошковые проволоки представляют собой металлическую оболочку (Рис.3.1.), изготовленную в виде непрерывной тонкостенной трубки, внутренняяполость которой заполнена «шихтой».Рис. 3.1.Строение порошковой проволоки61Для изготовления оболочки порошковой проволоки использоваласьхолоднокатаная лента из низкоуглеродистой стали (Ст08пс по [73]) шириной 10мм и толщиной 0,5 мм.

В качестве базового состава шихты выбрана композицияобеспечивающая состав наплавленного металла типа 08Г2С. Основнымиэлементами,входящимивсоставшихты,являютсяферромарганец,ферросилиций, а также порошок железа.Синтез наноразмерных порошков, а также последующая их обработка смикроразмерным порошком никеля для получения композиционных гранулбыла выполнена в Институте Металлургии и материаловедения им. А.А.

БайковаРАН (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН). В ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН методомплазмохимического синтеза были изготовлены наноразмерные порошки такихсоединений как карбид вольфрама, нитрид титана и оксид алюминия. Итоговыйразмер изготовленных порошков тугоплавких соединений находится в пределах100 нм., при этом средний размер составляет 50нм. Далее при помощивысокоэнергетическойпланетарноймельницыбылиизготовленыкомпозиционные гранулы. Принцип действия мельницы (Рис.

3.2.) заключаетсяв механическом воздействии металлических шариков, вращающихся вместе сосмешиваемыми порошками в металлической колбе. За счет частого соударенияшариков с микроразмерным порошком никеля и наноразмерными порошкамипроисходит внедрение последних в поверхностные слои мягкого металла.Предел смешиваемости порошков достигается при 30 масс.% наноразмерныхчастиц от массы смеси. Дальнейшее увеличение их содержания приведет кчастичному осыпанию тугоплавких частиц с поверхности частиц никеля. Такимобразом, итоговые смеси содержали 30 масс.% наноразмерных модификаторов и70 масс.% микроразмерных частиц никеля.Изготовлениепорошковыхпроволок,содержащихнаноразмерныемодификаторы в составе шихты, производили на базе ОАО «НИИ Монтаж».

Такбыли изготовлены порошковые проволоки диаметром 2,0 мм. с коэффициентомзаполнения равным 25%. Коэффициентом заполнения порошковой проволокиназывается отношение массы наполнителя проволоки к ее суммарной массе.62Предварительно подготавливали шихту путем смешивания композиционныхгранул с другими компонентами в пропорции 2,5 масс.% гранул от массышихты.Рис. 3.2.Схема планетарной мельницыТаким образом, массовое содержание наноразмерных модификаторов,входящих в состав порошковой проволоки, можно рассчитать следующимобразом:Л = З ∗ КГ ∗ НМ ∗ 100% ;(3.1)Где kЛ – массовое содержание наноразмерных модификаторов от массыпорошковойпроволоки,kЗ–безразмерныйкоэффициентзаполненияпорошковой проволоки шихтой (0,25), kКГ – массовая доля содержаниякомпозиционных гранул в шихте (0,025), kНМ – массовая доля содержаниянаноразмерных модификаторов в составе композиционных гранул (0,3).

Тогдапри kЗ = 0,25, kКГ = 0,025, и kНМ = 0,3.Л = 0,25 ∗ 0,025 ∗ 0,3 ∗ 100% = 0,18% ;(3.2)Количество введенного никеля при этом будет равно: = З ∗ КГ ∗ (1 − НМ ) ∗ 100% ;(3.3) = 0,25 ∗ 0,025 ∗ (1 − 0,3) ∗ 100% = 0,42% ;(3.4)63Дляопределениявлияниянепосредственносамихнаноразмерныхмодификаторов, по той же технологии была изготовлена порошковая проволока,содержащая в составе шихты 2,5 масс.%никеля без использованиянаноразмерных модификаторов. Таким образом, при kNi = 0,025 масс.% в составепроволоки содержится:′= З ∗ ∗ 100% ;(3.5)′= 0,25 ∗ 0,025 ∗ 100% = 0,6% ;(3.6)В итоге была получена партия порошковых проволок экспериментальногосостава с содержанием в составе шихты никеля и наноразмерных модификаторов(Таблица 4).Таблица 4.Рецептура разработанных порошковых проволокКоличествоМаркировкаСостав гранул вКоличествопроволокишихтеникеля масс.%Пп-П/NiNi0,6нетПп-П/Ni–TiNNi + TiN0,420,18Пп-П/Ni–WCNi + WC0,420,18Пп-П/Ni–Al2O3Ni + Al2O30,420,18модификаторамасс.%Кроме того, в качестве сварочного материала для сравнения использоваласьпроволока сплошного сечения типа Св-08Г2С диаметром 1,2 мм.

Проволокаобеспечивает такой же состав наплавленного металла, как и разработанныепорошковые проволоки без композиционных гранул.Таким образом, в дальнейших исследованиях использовались следующиетипы проволок:- проволока сплошного сечения (Св-08Г2С);- порошковая проволока, с содержанием порошка никеля в составе шихты;- порошковая проволока с содержанием композиционных гранул на основеникеля и наноразмерного порошка карбида вольфрама в составе шихты;64- порошковая проволока с содержанием композиционных гранул на основеникеля и наноразмерного порошка нитрида титана в составе шихты;- порошковая проволока с содержанием композиционных гранул на основеникеля и наноразмерного порошка оксида алюминия в составе шихты.В качестве сварочных материалов, использовалась комбинация флюспроволокадляоднопроходнойсваркисварныхсоединенийизнизкоуглеродистых низколегированных сталей, обеспечивающая состав металлашва типа Г2С. Комбинация флюс-проволока фирмы Lincoln Electric FX761 и L61обеспечивает необходимый состав (Таблица 5).

Согласно информации отпроизводителя сварочных материалов [74] эта комбинация обеспечиваетмеханические свойства наплавленного металла, представленные в Таблице 6.Таблица 5.Химический состав металла, наплавленного комбинацией флюс (FX761)проволока (L61)СMnSiPS0,08 %1,7 %0,9 %<0,03 %<0,025 %Таблица 6.Механические свойства наплавленного металла, получаемые скомбинацией флюс (FX761)-проволока (L61)ПределПределтекучестипрочности(МПа)(МПа)420540Относительноеудлинение (%)28Ударная вязкость по Шарпи(Дж/см2)0⁰С-20⁰С62,540,03.2.

Методы исследования сварных соединенийРезультатом проведения исследований сварных соединений, в металл швакоторых вводятся модификаторы, должен стать выбор схемы их введения, атакже определение влияния количества и состава модификаторов намеханические свойства металла шва и его структуру. Так были изготовлены65сварные соединения, в металл шва которых вводились наноразмерныетугоплавкиемодификаторы.Дляэтихсоединенийпроведеныметаллографические исследования металла шва с помощью оптическоймикроскопии, позволяющие оценить влияние различных наноразмерных частицна структуру металла шва. Кроме того, металл шва подвергали механическимиспытаниям, а, именно, испытаниям на ударный изгиб, для определения влияниявведения наноразмерных частиц в расплав сварочной ванны на ударную вязкостьметалла шва.

Так же были проведены фрактографические исследования изломовобразцов.Экспериментыпоотработкесхемвведениямодификаторовсиспользованием разработанных порошковых проволок, а также подбор режимовпроводили при сварке пластин размерами 100х300х8 мм из низкоуглеродистойстали (Ст3-сп по ГОСТ 380). Сварку выполняли на остающейся стальнойподкладке без разделки кромок (С5 по ГОСТ 8713) за один проход (Рис. 3.3.).Рис. 3.3.Сборка пластин перед сваркой и требования к геометрии шва согласносоединению С5 по ГОСТ 8713Металлографические исследования структуры металла шва проводили сиспользованием оптических микроскопов Биомед ММР-2 и Zeiss Axiovert 200.Шлифы для исследований готовили механической полировкой на наждачнойбумагеразныхномеров(600-800-1000-1500-2000),споследующимполированием поверхности раствором окиси хрома (Cr2O3).

Исследовалиструктуру образцов в исходном состоянии и после травления в реактиве. Реактив66представляет собой пикриновую кислоту C6H2(NO2)3OH. На шлифах проводилиисследования структуры металла шва и околошовной зоны, изучали величинузерна зоны термического влияния (ГОСТ 5639), микроструктуру металла шва(ГОСТ 5640).Измерение размера зерна металла шва и околошовной зоны проводили сиспользованием программного обеспечения «ToupView» предназначенного дляобработки цифровых изображений, полученных на оптическом микроскопе.Использованные микроскопы позволяют получать фотографии высокогокачества с увеличением 100 и 500 раз.Для определения характера структуры металла шва и околошовной зоныиспользовались методики, описанные в ГОСТ 5639.

Определение расстояниямежду дендритами литой структуры метала шва, производилось по методуподсчета отрезков прямой пересекающей их.Механические испытания металла шва проводили путем определенияударной вязкости металла шва при отрицательных температурах. Выбор даннойхарактеристики связан с тем, что испытания на стойкость металла шва к ударнойнагрузке при отрицательной температуре в наибольшей степени показываютсклонность металла шва к хрупкому разрушению при низких температурах.Исследования проводили на образцах с острым надрезом при температуреиспытаний -20⁰С (KCVш-20 300/2/5).