Автореферат (1025446), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Диссертационная работа изложена на134 страницах машинописного текста, иллюстрируется 57 рисунками, содержит18 таблиц, состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и рекомендаций,списка литературы (97 наименований).Содержание работыВо введении обосновывается актуальность выбранного направленияисследований и сформулирована цель и задачи работы.В первой главе проведен анализ состояния вопроса сварки ответственныхметаллоконструкций из низкоуглеродистых низколегированных сталей.Проанализирована нормативно-техническая документация, регламентирующаятребования к сварке опасных производственных объектов, где используютсянизкоуглеродистыенизколегированныесталидляизготовленияметаллоконструкций с позиций требований к механическим свойствам сварныхсоединений.Выявлено, что одной из основных характеристик металла шва являетсявеличина ударной вязкости, которая в среднем должна составлять не менее450 Дж/см2 при температуре испытаний «минус» 20 °С для образцов с V-образнымнадрезом (KCV) и не менее 29 (39) Дж/см2 при температуре испытаний «минус»20 °С для образцов с U-образным (KCU).Также рассмотрены общие подходы к воздействию на металл шва спозиций улучшения его эксплуатационных свойств.
Отдельно выделен принципмодифицирования металла шва. Процесс модифицирования хорошозарекомендовал себя в литье, металлургии, а также сварочном производстве. Так,комплексное модифицирование сталей щелочными земельными металлами(ЩЗМ) и редкоземельными металлами (РЗМ) повышает качество литья привнепечной обработке. А модифицирование белого чугуна боридом титанаповышает его эксплуатационные свойства.Одним из перспективных методов модифицирования металла шва являетсяприменение тугоплавких частиц.
При этом традиционным подходом являетсявведение в металл шва химических элементов, которые взаимодействуют друг сдругом с образованием тугоплавких соединений (нитриды, карбиды,карбонитриды и т.д.), выделяющихся в виде частиц размером не более 500 нм.Эффективность применения таких тугоплавких частиц зависит от их вида,размеров и температурных условий. Модифицирование дисперснымитугоплавкими частицами может проявляться, если частицы либо абсорбируютсяна границе дендритов и задерживают их рост, либо при охлаждении расплававыступают в качестве центров кристаллизации.В первом случае наблюдается интенсивное уменьшение размеракристаллов при значительном количестве модификатора (несколько десятыхдолей масс.%), однако возникает опасность снижения ударной вязкостивследствие концентрирования таких частиц по границам зерен.
Во втором случаеэффект модифицирования структуры наблюдается при малом количествемодификатора (сотые доли процента) и приводит к увеличению ударнойвязкости металла шва.Показано, что из всех типов модификаторов с точки зрения повышенияударной вязкости металла шва наибольший интерес представляют собой те, чтовыступают в качестве центров кристаллизации. Одним из условий для работымодификатора в качестве центра кристаллизации является соответствиеразмеров его решетки размерам решетки кристаллизующегося сплава.Помимо традиционного подхода получения тугоплавких частиц в качествецентров кристаллизации в расплаве существует возможность ввода их в готовомвиде.
Для реализации процесса ввода готовых центров кристаллизации в расплавих размер не должен быть более 500 нм (аналогично требованиям,предъявляемым к размеру в традиционном подходе). Только развитиетехнологий получения тугоплавких частиц в наноразмерном диапазоне5позволило реализовать этот способ модифицирования.
Однако из-за особыхфизико-химических свойств их ввод в свободном виде затруднен. Для решенияэтой проблемы в ИМЕТ им А.А. Байкова (Ю.В. Цветков, А.В. Самохин,С.Н. Анучкин и др.) предложили применение композиционных гранул. Гранулыполучают путем смешивания наноразмерных частиц и макрочастиц чистыхметаллов в планетарной мельнице. Макрочастица выполняет функциютранспортировки и защиты от перегрева. Полученные композиционные гранулывводят в расплав металла для его модифицирования.Анализ литературных источников показал, что имеется ряд работ,посвященных применению наноразмерных частиц для модифицирования какметалла шва при сварке, так и наплавленного металла при наплавке.Применением модифицирующих наноразмерных частиц в области сварки инаплавки занимались такие исследователи, как В.И.
Лысак, Г.Н. Соколов,А.А. Артемьев, И.В. Зорин, К.В. Князьков, М.А. Кузнецов, С.В. Макаров и д.р.Во всех работах отмечается положительный эффект от введения частиц врасплав сварочной ванны: измельчение структуры, ее выравнивание (получениеравноосной структуры металла шва).
При этом в ряде работ отмечаетсяповышение механических характеристик металла шва, в частности ударнойвязкости. При этом максимальный эффект достигается при ограничениитеплового воздействия на частицы. Так, например, согласно даннымСоколова Г.Н. введение 1,5 масс.% наноразмерных карбидов вольфрама в составкерамического флюса при сварке под флюсом приводит к диспергированиюструктуры и повышению значений ударной вязкости в 2 раза при температуреиспытаний «минус» 60 °С.На основе аналитического обзора для работы выбраны частицы карбидавольфрама (WC) и нитрида титана (TiN).
Первые успешно применялись приразличных способах сварки (ручная дуговая сварка, сварка под флюсом). Приэтом параметры кристаллической решетки карбида вольфрама и железаотличаются незначительно: WC имеет гексагональную решетку с параметрами:а=0,2906 нм и с=0,2839 нм. Нитрид титана хорошо зарекомендовал себя приприменении его в качестве модификатора в процессах литья. Кроме того, нитридтитана является одним из химических соединений, получение которогоинициируют при традиционном подходе к модифицированию металла шва.Параметры решетки нитрида титана: кубическая, а=0,422-0,424 нм.Рассмотрены основные схемы введения наноразмерных тугоплавкихчастиц в сварочную ванну, из которых можно выделить два различных подхода:1.Наноразмерные частицы вводят в состав электродных материалов;2.Наноразмерные частицы вводят в состав присадочных материалов иво флюс.6В первом случае наноразмерные частицы подвергаются интенсивномунагреву, когда как во втором это влияние снижается.
При этом все исследователиотмечают положительный эффект от введения наноразмерных частиц.В работе в качестве схемы введения наноразмерных тугоплавких частиц всварочную ванну выбрана схема ввода при помощи «лигатуры», опробованная вработе В.Д. Кузнецова, И.В. Смирнова и К.П. Шаповалова применительно кдуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов.
«Лигатура»представляет собой композиционные гранулы, содержащие наноразмерныечастицы, которые предварительно укладывают в разделку перед сваркой (Рис. 1).При этом композиционные гранулы могут использоваться как в свободном виде,так и виде прессовок. Такой подход позволяет дозировать наноразмерныечастицы, вводимые в сварочную ванну. Кроме того, они попадаютнепосредственно в расплав, минуя высокотемпературную область дуги.Рис.
1.Схема механизированной сварки с «Лигатурой»Во второй главе проведено моделирование поведения вещества, изкоторого состоят наноразмерные частицы, в расплаве сварочной ванны наосновании термодинамического расчета фазовых и химических равновесий сцелью установления направления протекания химических реакций в сварочнойванне при его введении.Карбид вольфрама и нитрид титана обладают температурой плавления3060 К и 3220 К соответственно.При использовании выбранной схемы введения наноразмерных частиц онипопадают в «головную часть» в сварочной ванны, температура которой, согласноданным Н.Н.
Потапова, колеблется от температуры плавления расплава до3000 К. При этом в расплаве сварочной ванны содержатся различные другиехимические элементы, между которыми возможно химическое взаимодействие.Для анализа этого взаимодействия было проведено компьютерноемоделирование возможных химических реакций методом термодинамического7расчета фазовых и химических равновесий при помощи разработанного в МГТУим Н.Э.
Баумана программного комплекса «Терра».При проведении моделирования было принято, что в расплав сварочнойванны входят следующие химические элементы: кремний (Si), марганец (Mn),углерод (С), железо (Fe). Также отдельно учитывалось влияние никеля, которыйвходит в состав композиционных гранул, и кислорода на протекание реакций.Расчеты равновесных составов проводились для изобарно-изотермическихусловий в диапазоне температур 1500 – 3500 К при общем давлении 0,1 МПа.Анализ результатов моделирования показал, что карбид вольфрама можетоставаться стабильным в рассматриваемом диапазоне температур.
При этом всварочную ванну следует вводить раскислители для предотвращения окислениякарбида вольфрама.Нитрид титана устойчив лишь до температуры 1900 К. При превышенииэтой температуры происходит диссоциация соединения с образованием титана иазота. Эти элементы могут по-разному влиять на свойства металла шва. Титан –это активный раскислитель, который эффективно связывает кислород собразованием тугоплавкого оксида TiO2.
Кроме того, при достаточнойраскисленности расплава и при содержании в последнем кремния, возможнообразование силицидов титана TiSi. Содержание азота меньше пределарастворимости приводит к легированию стали азотом, а при содержании вышепредела растворимости возможно появление пор. Таким образом, при введениинитрида титана следует ограничивать его содержание таким количеством, чтобыобеспечить растворение выделившегося азота в зависимости от объемасварочной ванны: массовая доля средней растворимости азота при 1880 Ксоставляет 0,044±0,0021 %.Полученные данные позволяют ожидать сохранения частиц карбидавольфрама в сварочной ванне при введении их через «лигатуру». Низкаятермическая стойкость нитрида титана дает основания ожидать его диссоциации.При этом высвободившийся титан может выступить в роли рафинирующейдобавки, а также есть риск повышенного порообразования из-за появления азота.Третья глава содержит сведения о методике проведенияэкспериментальных исследований по влиянию наноразмерных частиц наструктуру и свойства металла шва при сварке под флюсом.В качестве модифицирующих частиц исследованы соединения карбидавольфрама (WC), нитрида титана (TiN).
Размер применяемых частиц 30 – 100 нм.Частицы были предоставлены лабораторий №16 ИМЕТ им. А.А. Байкова.С использованием WC и ТiN изготовили «лигатуру», которая представляетсобой композиционные гранулы из порошка никеля (ПНЭ-1 ГОСТ 9722-97)микронного размера (средний размер частиц не менее 50 мкм) и внедренных в8него наноразмерных частиц. Получившиеся композиционные гранулы имеютсостав 70 масс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
