Диссертация (1025447), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Примером поверхностноактивных элементов для сплавов на основе железа и никеля могут служитьредкоземельные металлы (K, Na, Sr, Li и т.д.).«Эвтектики»Модификаторы, называемые ингибиторами, действуют по механизмуобразования эвтектики. Они создают прослойки с температурой кристаллизациименьшей, чем у основного металла. При этом полная изоляция растущихдендритов легкоплавкими составляющими от остальной части жидкого металлаприводит к сдерживанию развития дендритов и получению равноосных зерен[12].При выборе модификаторов такого рода следует учитывать следующиерекомендации [8]:модифицирующая добавка должна иметь низкий коэффициентраспределения в кристаллизующемся веществе, что вызовет концентрациюатомов модификатора вблизи поверхности кристалла.модифицирующая добавка должна образовывать с основой сплаваэвтектику с температурой, близкой к температуре плавления основного сплава.Примером такой модифицирующей добавки может служить медь дляалюминиевых сплавов.
Так, известен положительный опыт применения меди какмодификатора при сварке алюминиевых сплавов [12], где в сварной шов вводили19до 0,8 % меди. Образовавшаяся эвтектика привела к измельчению зерендендритов.Однакоприсутствиесоставляющих эвтектического типаповышаетчувствительность металла шва к появлению горячих трещин, в связи с чемприменение модификаторов этого рода при сварке ограничено.«Холодильники»Модификаторы такого типа – инокуляторы – оказывают свое действие черезохлаждениекристаллизующегосярасплава.Большойтемпохлажденияспособствует росту скорости кристаллизации и уменьшению развитияликвационных процессов, что благоприятно отражается на структуре.Примером модификаторов такого рода может служить сварка под флюсомс применением дополнительной порошковой присадки [6].
При введении такойприсадки в зону сварки часть тепловой энергии расходуется на ее нагрев ирасплавление, что уменьшает тепловложение в основной металл и увеличиваетпроизводительность сварки.К минусам применения модификаторов этого типа можно отнести большуювероятностьувеличениязагрязненияметаллашванеметаллическимивключениями, в основном оксидами [15].Тугоплавкие частицыК модификаторам этого типа относят тугоплавкие элементы и ихсоединения, которые при попадании в расплав облегчают образование испособствуют увеличению числа зародышей, вокруг которых образуются ирастут кристаллиты.
При этом модификаторы этой группы могут вводиться какв готовом виде в расплав [12,13], так и образовываться непосредственно в нем[14,16–18]. Также сильное модифицирующее воздействие могут оказыватьготовые кристаллы затвердевающей фазы. Это вызвано их полным смачиваниеми сходством кристаллической решетки [8]. Подобный механизм воздействиеназывается инокулирующим, а модифицирующие элементы – инокулянтами [7].20При введении модификаторов в готовом виде в расплав сварочной ванныследует учитывать такие факторы как:ограничение способов введения тугоплавких частиц;их стабильность в условиях температурного цикла сварки;неравномерность распределения во всем объеме расплава.Модификаторы,образующиесявпроцессекристаллизации,могутпредставлять собой как тугоплавкие оксиды (титана, алюминия и т.д.), которыевозникают в момент кристаллизации, так и тугоплавкие интерметаллическиесоединения, возникающие в результате взаимодействия модификатора с самимметаллом или легирующими элементами, входящими в его состав [12,17–19].Особенность применения таких модификаторов связана с выбором соотношениямежду вводимыми элементами, инициирующими образование тугоплавкихчастиц в расплаве.
При этом тугоплавкие модифицирующие частицы должныотвечать следующим требованиям: образовываться в сварочной ванне в небольших концентрациях; кристаллизоваться раньше, чем основной металл; обладать высокой степенью изоморфности по отношению ккристаллизующейся фазе.Эффективность применения тугоплавких частиц зависит от их вида,размеров и температурных условий [20].
Модифицирование дисперснымитугоплавкими частицами может проявляться, если частицы либо абсорбируютсяна границе дендритов и задерживают их рост, либо при охлаждении расплававыступают в качестве центров кристаллизации [21,22].В первом случае наблюдается интенсивное уменьшение размера кристалловпри значительном количестве модификатора (несколько десятых долей масс.%),однако возникает опасность снижения ударной вязкости вследствие возможноговзаимодействия по границам зерен с образованием хрупких фаз. Так примодифицировании среднеуглеродистой стали титаном в работе [13] наблюдали21эффект модифицирования при введении титана 0,4 - 0,6 масс.
% иконстатировали склонность металла шва к хрупкому разрушению за счетконцентрации карбидов и нитридов титана по границам зерен.Во втором случае эффект модифицирования структуры наблюдается присодержании сотых долей процента тугоплавких частиц, и приводит кувеличению ударной вязкости металла шва.Причем реализация одного или другого механизма модифицированиятугоплавкими частицами зависит от степени перегрева последних. Например, вработе [13] показано, что при введении модификаторов через сварочнуюпроволоку эффект модифицирования проявляется только по первому механизму,что связано с перегревом капель электродного металла при прохождениидугового промежутка.
В то же время при введении сотых долей процента тогоже модификатора через керамический флюс наблюдается интенсивноеизмельчение структуры металла шва и рост ударной вязкости [23]. Это связано стем, что значительная доля модификатора попадает в сварочную ванну, минуядуговой промежуток.Таким образом, влияние содержания модификаторов и способа их ввода нахарактерструктурыиударнуювязкостьсварныхшвовможнопроиллюстрировать Рис. 1.4. На рисунке показана зависимость размера зерна изначения ударной вязкости при сварке под флюсом от способа вводамодифицирующей добавки и количества вводимой добавки.В последнее время с развитием нанотехнологий ведутся работы поприменению тугоплавких наноразмерных частиц в качестве модификаторов.22Рис. 1.4.Влияние содержания титана и способа его введения в сварочную ванну нахарактер структуры и ударную вязкость сварных швов1.4.Модифицирование наноразмерными тугоплавкими частицамиИмеется ряд работ, посвященных успешному применению наноразмерныхчастиц тугоплавких соединений для модифицирования расплавов в процессахлитья.
В этом направлении вклад внесли такие авторы, как Черепанов А.Н. [24–30], занимающийся исследованием ввода наноразмерных частиц TiN, TiCN иY2O3 в различные марки стали; Крушенко Г.Г. [30–42] изучающий вводнанопорошков BN, B4C, TiCN, TiN, VCN, SiC, TaN в алюминиевые расплавы, атакже Al2O3, BN, SiC в чугуны; Еремин Е.Н. [43–47] и Жеребцов С.Н.[44,46,48,49] исследующие влияние ультрадисперсных частиц TiCN на свойствасталей и жаропрочных сплавов.В работах [26–30,44,50] рассматривается ввод наноразмерных частиц встали марок Ст3сп [26], Ст5сп [26], Ст3 [28], Ст30 [30], 20K [28], 08ЮЛ [30],09Г2С [44], 2Х13 [44], 08Х18Н10Т [44], где ввод осуществлялся в23промежуточном ковше сортовой машины непрерывного литья заготовок [25–28],при центробежном электрошлаковом литье [44] или в вакуумно-дуговой печи[50].
Основными наноразмерными частицами, вводимыми в расплав, были TiN,TiCN, SiC, Y2O3, TiO2, а также смесь Y2O3 +TiN [25,26]. Нанопорошки,получаемые в большинстве случаев плазмохимическим синтезом, смешивали впланетарной мельнице с порошками-протекторами в соотношении 1:1 [27], где вроли порошка протектора выступал Cr [25–28] и Fe [27], которые потомзакатывали в стальную ленту [27,30] или порошковую проволоку с оболочкой изстали [25,26]. В [44] ультрадисперсные порошки (УДП) TiCN перемешивался сTi с последующим прессованием в таблетки, а в работе [50] нанопорошокпомещался в предварительно просверленные в образце выемки.
В работе [44]наноразмерные частицы вводили за 2 мин. до слива.В работах отмечается уменьшение размера зерна и изменение морфологии[25–28,30,44],повышениехимическойиструктурнойоднородности[25,26,28,44], рассредоточение и измельчение неметаллических включений[26,30]. Также наблюдается увеличение удельной плотности на 0,3-0,8% [25–27],увеличение предела текучести на 7,2% [27], 10% [28], 15% [30], пределапрочности на 1,7-2,6% [27], 5,5% [28], относительного удлинения на 8,4-9,3%[27], 14% [28] и относительного сужения на 14,5% [27], 19,8% [28].
В работе [50]отмечается увеличение объемной доли феррита, а его размер составил около 3мкм. Авторы отмечают, что увеличение доли феррита связано с уменьшениемколичества углерода в связи с его взаимодействием с ультрадисперснымичастицами.Несмотря на широкое применение тугоплавких наноразмерных частиц вметаллургических процессах и процессах литья, их применение в сварочномпроизводстве сдерживается недостаточным представлением об их поведении врасплаве сварочной ванны. Наноразмерные частицы обладают особыми физикохимическими свойствами: количество атомов на поверхности наночастицы24соизмеримо с их количеством в объеме [51].
Кроме того, нанодисперсныепорошки обладают следующими особенностями:низкая смачиваемость жидким металлом, что особенно важно длявыполнения роли центров кристаллизации;высокая химическая активность;начало процессов окисления при сравнительно низких температурах,что может привести к деактивации нанодисперсных частиц при нахождении ввысокотемпературной зоне сварочной ванны.В последние время появляется все больше работ, посвященных применениютугоплавких наноразмерных частиц для модифицирования металла шва вразличных процессах сварки и наплавки. Присутствие наноразмерных частиц врасплаве сварочной ванны оказывает влияние на кристаллизацию последней.При этом наноразмерные частицы воздействуют на сплавы различной основы.Так были опробованы различные способы сварки и наплавки с введениемнаноразмерных модификаторов при реализации таких процессов как:1) Ручная дуговая сварка покрытыми электродами.2) Автоматическая сварка под слоем флюса.3) Автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом.4) Механизированная сварка в активных газах.5) Механизированная сварка и наплавка в инертных газах.6) Лазерная сварка.7) Плазменно-порошковая наплавка.8) Электрошлаковая сварка и наплавка.При этом были опробованы различные материалы, использованные вкачестве основного материала: низколегированные стали, сплавы на основеникеля, алюминия, титана и нержавеющие стали и т.д.Особой задачей является разработка схем введения наноразмерных частицв расплав сварочной ванны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
