Диссертация (1025447), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Однако, из-за развитой поверхности крупки есть риск загрязненияшва окислами и примесями.32TiO2МХПРис. 1.7.Введение оксида титана при помощи МХП1.5.3. Композиционные гранулы в составе шихты порошковой проволокиИмеется рад работ, в которых для транспортировки наноразмерных частицв качестве сварного материала при сварке и наплавке применялась порошковаяпроволока: как электродная, так и присадочная.Такие авторы, как И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, Ю.Н. Дубцов, В.И. Лысак иС.С. Сычева [59,77], используют специально разработанную композиционнуюпроволокудляавтоматическойаргонодуговойнаплавкинеплавящимсяэлектродом в гелии. Композиционные гранулы Ni+WC при помощи 96%-огораствора этилового спирта наносили на сердечник композиционной проволоки(Рис.
1.8). Количество вводимых в состав проволоки модификаторов составляло0,2% от массы присадки.Исследования образцов из стали 20, наплавленных с использованиемпредложенного метода, показали увеличеник сопротивления наплавленного слоядеформированию при повышенных температурах за счет интенсификациивыделения в нем ультрадисперсных вторичных фаз γ’эвт-Ni3Al. При этом авторы33считают,чтоцентрамикристаллизацииэтихфазявляютсяименнонаноразмерные частицы карбида вольфрама. Также отмечается, что введениенаночастиц тугоплавкого WC способствует стабилизации дендритной структурыи укреплению межфазных границ сплава на основе алюминида титана.Рис. 1.8.Конструкция композиционной проволоки [78]1) никелевый слой2) алюминиевый слой;3) прослойка из ультрадисперсных тугоплавких компонентов;bпр – толщина прослойки;Dкп – диаметр композиционной проволоки;SAl – площадь поперечного сечения алюминиевого слояДругая группа исследователей (В.Б.
Литвененко-Арьков, Г.Н. Соколов,Ф.А. Кязымов, А.С. Трошков, В.И. Лысак, А.А. Антонов) в работах [60,61,79]предлагают подход, заключающийся в использовании порошковой проволоки,содержащей наноразмерные порошки, в качестве основного сварочного34материала при механизированной наплавке в среде аргона (Рис. 1.9). Наплавкупроизводили на образцы из стали Ст3сп при помощи порошковой проволоки,заполненной порошком азотированного хрома, композиционными гранулами наоснове никеля с наноразмерными частицами TiCN и шихтой.Рис. 1.9.Схема ввода КГ через порошковую проволоку при сварке в среде аргонаВ результате исследований наплавленного металла выявлено, что введение0,2-0,5 масс. % порошка в шихту порошковых проволок приводит к измельчениюзерна наплавленного металла в 2 – 2,5 раза.
Также отмечается увеличениестойкости наплавленного металла пластическому деформированию при высоких(750 – 950 ⁰С) температурах. Установлено также, что введение азота и титана вколичестве 0,05-0,20 и 0,02-0,18 масс. % соответственно улучшает качествоформирования наплавленного металла и увеличивает проплавление. Увеличениеколичества TiCN более 0,6 масс.
% от массы шихты приводит к образованиюкрупных включений карбонитрида титана, что негативно сказывается наусталостной прочности сплава.35Также применением порошковой проволоки с наноразмерными частицамипри электрошлаковой сварке занимался Е.Н. Еремин [14,71]. В данных работахпредложено применение дополнительного трубчатого электрода на никелевойоснове, внутренняя полость которого заполнялась порошкообразным TiCNдисперсностью 0,01-0,1 мкм. Дополнительный электрод применялся вкомбинации с проволокой ЭП-533 и флюсом АНФ-21 при сварке образцов изжаропрочного сплава ХН77ТЮР (Рис. 1.10).Рис. 1.10.Применение дополнительного трубчатого электрода при электрошлаковойсварке1) трубчатый электрод;2) флюс АНФ-21;3) ванна жидкого шлака;4) металл шва;5) сварочная ванна36Применение такого подхода позволило улучшить свойства металла шва, чтосвязано со снижением уровня ликваций, совершенствованием γ’-фазы,улучшением морфологии и топографии карбидных фаз.
Механическиеиспытания показывают рост всех показателей пластичности металла шва инекоторый рост пластичности металла околошовной зоны.Применение порошковой проволоки для транспортировки наноразмерныхчастиц в сварочную ванну является наиболее технологичным способом. Однакопри использовании такой проволоки в качестве электродной высока вероятность,что при прохождении частиц через дуговой промежуток они будутдеактивированы, что приведет к падению эксплуатационных свойств в следствиеих коагуляции.При применении порошковой проволоки в качестве присадочной частицыне попадают в дуговой промежуток.
Однако в этом случае усложняетсяварьирование их количества, которое вводится в сварочную ванну.1.5.4. ЛигатураВ своей работе В.Д. Кузнецов, И.В. Смирнов и К.П. Шаповалов [55]рассматривали влияние наноразмерных модификаторов при механизированнойсварке в защитных газах. При этом модификаторы использовали прессовки,которые укладывали в разделку перед сваркой (Рис. 1.11). Прессовки былиполученыметодамипорошковойметаллургииисодержаливсебенанормазмерные порошки оксидов Al2O3 и Al2O3-ZrO2-YO2 на основе чистогожелеза. Доля нанооксидов достигала 0,5, 2,5 и 4,5 % объемных долей от объемапрессовки. Исследования проводились при сварке образцов из стали 09Г2С, накромкикоторойСв-10ХГН2СМФТЮбылдляпредварительноимитациинаплавленобразцовизслойпроволокойнизколегированнойвысокопрочной стали типа А-514.
Сварку образцов с закладкой лигатурыпроводили той же проволокой в среде защитного газа (72% Ar + 28% CO2).37Рис. 1.11.Механизированная сварка в защитных газах с применением лигатурыАвторы указывают на то, что образованию бейнитной структуры, котораяобладает высокими показателями прочности, более способствует введение всварочную ванну наноокисла алюминия, чем комплексного оксида. Такжеотмечается, что при изменении объемной доли от 0,5% до 4,5% наиболееэффективное влияние на структуру наблюдается при 0,5 об.%: высокая степеньизмельчения и дисперсность составляющих.Применение лигатуры, которую предварительно закладывают в разделкукромок перед сваркой, позволяет варьировать количество наноразмерныхмодификаторов в широком диапазоне. Также в этом случае модифицирующиечастицы не проходят через высокотемпературную область дуги: они защищеныот нее жидкой прослойкой сварочной ванны и попадают в ее расплав приплавлении прессовок.На основании анализа состояния вопроса была поставлена цель работы:- Повышение ударной вязкости металла шва сварных соединений изнизкоуглеродистых низколегированных сталей за счет модифицированияметалла шва наноразмерными частицами.38Задачами работы являются:1.На основе литературного анализа определить составы тугоплавкихнаноразмерных частиц, уже опробованных для модифицирования металлов исплавов в различных технологических процессах.2.ваннуОбосновать способ введения наноразмерных частиц в сварочнуюнаоснованиитермодинамическогорасчетаипредварительныхэкспериментов.3.Предложить присадочный материал для сварки с применениемнаноразмерных тугоплавких частиц.4.Провести экспериментальные исследования по выбранной схемесварки и определить влияние тугоплавких наноразмерных частиц на ударнуювязкость металла шва.5.Наоснованииэкспериментальныхисследованийопределитьвлияние тугоплавких наноразмерных частиц на структуру металла шва.6.Определитьсоставтугоплавкихнаноразмерныхчастиц,оказывающих наибольшее влияние на свойства металла шва при сваркенизкоуглеродистых низколегированных сталей.7.Разработать технологические рекомендации по дуговой сварке подфлюсом низкоуглеродистых низколегированных сталей.39ГЛАВА 2.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХЧАСТИЦ В УСЛОВИЯХ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ2.1.ВведениеВ отличии от процессов литья, где возможно введение наночастиц всвободном виде, при сварке это невозможно. Для их введения необходимоприменять сварочные материалы: как электродные, так и присадочные. Какпоказано выше, введение наноразмерных частиц через электродный материалможет привести к падению функциональных свойств сварного шва из-закоагуляции частиц. Поэтому в работе рассматривается введение частиц черезприсадочный материал в виде лигатуры.При попадании в расплав сварочной ванны наноразмерные частицы будутпретерпеватьзначительныйнагрев,атакжевступатьвхимическоевзаимодействие с элементами, содержащимися в расплаве. Согласно данным[80] температура сварочной ванны лежит в диапазоне от температуры плавленияосновного металла (~1500 °С, или ~1723 К) в «хвостовой» ее части до 2хтемператур плавления основного металла (~3500 К) в «головной» (Рис.
2.1). Втаких условиях наноразмерные частицы могут диссоциировать и вступать вхимическое взаимодействие с элементами, находящимися в сварочной ванне, чтов конечном итоге может привести к ухудшению свойств сварных соединений.Возможность протекания химических реакций в расплаве сварочной ваннывприсутствиинаноразмерныхчастицможнооценитьспомощьютермодинамического расчета взаимодействия таких частиц с элементами,входящими в состав расплава сварочной ванны.
Кроме того, термодинамическийрасчет позволит определить направление и степень протекания реакций взависимости от температур, до которых могут быть нагреты наноразмерныечастицы при выбранной схеме введения.40Рис. 2.1.Распределение температуры по длине сварочной ванны [80]Расплав сварочной ванны является сложной многокомпонентной системой,в состав которой могут входить различные химические элементы. Длянизкоуглеродистых низколегированных сталей к базовым элементам можноотнести такие элементы, как железо, углерод, кремний и марганец. Для расчетатаких сложных систем применяют средства моделирования. В данной работебыл использован программный комплекс «Terra», разработанный в МГТУим. Н.Э.Бауманаи позволяющийпровести моделированиеповедениянаноразмерных частиц в сварочной ванне на основании термодинамическогорасчетафазовыхихимическихравновесий.Применяемыйподходмоделирования основан на допущении существования в исследуемой системелокального термодинамического равновесия.
Такой подход широко применяетсяпри анализе высокотемпературных процессов, протекающих в гомогенных и41гетерогенных системах, с использованием разработанного программногообеспечения и баз данных о термодинамических свойствах веществ [81–85].В связи с вышесказанным, целью моделирования является установлениехимических реакций, протекание которых возможно в сварочной ванне вприсутствии вещества, из которого состоят наноразмерные частицы.2.2.Физико-химические свойства наноразмерных модификаторовНа основании анализа, приведенного в главе 1, для модифицированияметалла шва были выбраны следующие наноразмерные тугоплавкие частицы: Карбид вольфрама (WC); Нитрид титана (TiN).Карбид вольфрама (WC) - химическое соединение углерода и вольфрама сформулой WC. Представляет собой фазу внедрения, которая содержит 6,1% С(по массе) и не имеет области гомогенности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
