Диссертация (1025447), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Согласно литературным данным[86] имеет две модификации. При температуре до 2798 К устойчивамодификация α-WC с гексагональной кристаллической решеткой (а=0,2906 нм,с=0,2839 нм). При температуре выше 2798 К устойчива модификация β-WC скубической решеткой (а=0,4220 нм). При достижении температуре выше 3028 Ксоединение α-WC диссоциирует с образованием углерода и β-WC. В диапазоне2798 – 3028 К существуют обе фазы.Также существует такое соединение, как карбид дивольфрама W2C,который устойчив только при высоких температурах: при 1520 – 1700 Кустойчив α-W2C, выше 1700 К – β-W2C с кубической решеткой (а=0,4220 нм)(Рис.
2.2).На воздухе карбид вольфрама устойчив до температур ~ 703 К, при 1073 –1473 К окисляется до WO3.42Рис. 2.2.Фазовая диаграмма системы вольфрам – углерод [86]Нитрид титана — бинарное химическое соединение титана с азотом.Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, котораясоставляет от 14,8 до 22,6 масс.% азота (по массе), что можно обозначить бруттоформулами от TiN0,60 до TiN1,0 соответственно. Температура плавления TiN3220 К [87]. При этом соединение заметно окисляется на воздухе притемпературе свыше 1003 – 1103 К, а при высоких температурах взаимодействуетс углеродом, образуя твердые растворы - карбонитриды титана.432.3.Проведение моделирования2.3.1. Задание исходных данныхХимический состав расплава сварочной ванны определяется составомосновного металла, а также наплавленным металлом. Согласно [88–91] составрасплава сварочной ванны для низкоуглеродистых низколегированных сталейможет быть определен следующим диапазоном: углерод 0,08..0,2 масс.
%,кремний 0,5..1,0 масс.%, марганец 0,5..2,0 масс.%, железо - остальное. Крометого, на основании обзора, приведенного в Главе 1, установлено, что длятранспортировкинаноразмерныхчастицприменяютсякомпозиционныегранулы, представляющие собой механическую смесь наноразмерной частицы итранспортирующей частицы макроразмера. В качестве транспортирующейчастицы используют частицы никеля (Ni) ([23,54]), а также железа (Fe) ([55]).Поэтому, при моделировании учитывали возможное содержание Ni в диапазоне0,5..1,5 масс.%.
Количество наноразмерных частиц варьировалось в диапазоне0,1 – 0,2 масс.%. Полный перечень проведенных расчетов в зависимости отконцентрации исходных компонентов приведен в Приложении.При моделировании рассмотрен диапазон температур от 1500 К до 3500 К,так как он соответствует схеме введения наноразмерных частиц через«головную» часть сварочной ванны, которая реализовывается при выборесварочного материала типа «лигатура».Расчеты равновесных составов проводились в диапазоне температуры 1500– 3500 К при общем давлении в системе 0,1 МПа в изобарно-изотермическихусловиях.
При этом процентное количество каждого компонента выбиралось изобщей массы расплава 100 г.442.3.2. Выполнение расчетов и их результатыМоделирование поведения карбида вольфрамаНа первом этапе было проведено моделирование с целью установлениявлияния никеля на расплав сварочной ванны, а также на поведение вещества, изкоторого состоят наноразмерные частицы. Анализ результатов показал(Рис. 2.3), что никель не взаимодействует с компонентами расплава и не влияетна протекание реакций, в том числе и на карбид вольфрама. Поэтому припредставлении дальнейших результатов никель приведен на графиках не был,однако его содержание учитывалось.Дальнейшее моделирование выполнялось с целью определения поведенияWC при заданных условиях с варьированием по составу сварочной ванны(Приложение).Результаты моделирования показали, что остальные легирующие элементы,содержащиеся в расплаве, не оказывают влияния на стабильность карбидавольфрама в диапазоне рассматриваемых температур (Рис.
2.4 – 2.6).Концентрация, моль/кгКонцентрация, моль/кг45Т, Ка)Т, Кб)Рис. 2.3.Влиние никеля на поведение WC в сварочной ваннеа) Ni=0,5 масс. % (вариант состава № 2, Приложение)б) Ni=1,0 масс. % (вариант состава № 4, Приложение)Концентрация, моль/кгКонцентрация, моль/кг46Т, КТ, Ка)б)Рис. 2.4.Влиние углерода на поведение WC в сварочной ванне (марганец и никель не показаны)а) С=0,08 масс.
% (вариант состава № 2, Приложение);б) С=0,1 масс. % (вариант состава № 74, Приложение)Концентрация, моль/кгКонцентрация, моль/кг47Т, Ка)Т, Кб)Рис. 2.5.Влияние кремния на поведение WC в сварочной ванне (никель и марганец не показаны)а) Si=0,5 масс. % (вариант состава № 2, Приложение);б) Si=1,0 масс. % (вариант состава № 38, Приложение)Концентрация, моль/кгКонцентрация, моль/кгКонцентрация, моль/кг48Т, Ка)Т, Кб)Рис. 2.6.Влияние марганца на поведение WC в сварочной ванне (никель не показан)а) Mn=0,5 масс. % (вариант состава №2, Приложение);б) Mn=1,0 масс.
% (вариант состава №14, Приложение);в) Mn=2,0 масс. % (вариант состава №26, Приложение)Т, Кв)49В сварочной ванне неизбежно будет присутствовать кислород, которыйможет попасть туда как в свободном виде (например, между гранул засыпаннойлигатуры), так и из различных оксидов, входящих в состав сварочныхматериалов (например, содержащиеся во флюсе оксиды кремния и марганца).Для учета влияния кислорода на протекание химических реакций в расплавесварочной ванны было проведено моделирование при наличии свободногокислорода.Анализ результатов показал, что в присутствии кислорода стойкостькарбида вольфрама падает: соединение уже полностью деградирует притемпературе 2100 К (Рис. 2.7).
При этом высвободившийся углерод окисляется собразованием CO2 – газообразной фазы. Это может приводит к образованию порв наплавленном металле. Вольфрам же окисляется с образованием оксидовразличного стехиометрического состава. При этом помимо окисления этих двухэлементов также происходит окисление кремния и марганца.Увеличение количества кремния, который согласно литературным данным[92] является активным раскислителем, приводит к сохранению карбидавольфрама в рассматриваемом диапазоне температур (Рис. 2.8).
Анализрезультатов показывает, что кремний начинает окисляеться первым, тем самымзабирая кислород на себя и защищая карбид вольфрама от окисления. При этомстоит отметить, что также уменьшается количество CO2. Образовавшиеся врезультате реакции оксиды кремния и марганца могут всплывать в шлак в видуих плотности (2,65 г/см3 и 5,03 г/см3 соответственно). Однако в виду малоговремени существования шлаковой ванны, есть риск их сохранения внаплавленном металле в виде шлаковых включений.Концентрация, моль/кг50УвеличеноТ, КРис.
2.7.Влияние кислорода на протекание реакций в расплаве сварочной ванны:O2=0,5 масс.% (Si=0,5 масс.%, остальное: вариант состава № 2, Приложение)Концентрация, моль/кг51УвеличеноТ, КРис. 2.8.Влияние кислорода на протекание реакций в расплаве сварочной ванны:O2=0,5 масс.% (Si=1,0 масс.%, остальное: вариант состава № 38, Приложение)52Моделирование поведения нитрида титанаНа первом этапе было проведено моделирование с целью установлениявлияния никеля на расплав сварочной ванны, а также на поведение вещества, изкоторого состоят наноразмерные частицы. Анализ результатов показал(Рис. 2.9), что никель не взаимодействует с компонентами расплава и не влияетна протекание реакций, в том числе и на нитрид титана.
Поэтому припредставлении дальнейших результатов никель приведен на графиках не был,однако его содержание учитывалось.Результаты моделирования показали, что TiN стабилен до температуры1900 К. При этом с ростом исходной концентрации соединения незначительноувеличивается температура его устойчивости: до 2000 К (Рис. 2.9).
Придальнейшем повышении температуры TiN диссоциирует с выделением титана иазота, которые, в свою очередь, взаимодействуют с компонентами сварочнойванны.Анализ результатов показал, что наличие легирующих элементов всварочной ванне не влияет на устойчивость нитрида титана (Рис. 2.10 – 2.12).Однако, высвободившийся при диссоциации TiN титан образовывает соединениес кремнием силицид титана TiSi. Силицид обладает температурой плавления2193 К ([87]), ромбоэдрической сингонией и плотностью 4,21 г/см3. При этомсодержание TiSi растет с увеличением исходной концентрации TiN (Рис.
2.10).Присутствие кислорода ограничивает реакцию образования силицидатитана, т.к. и титан, и кремний являются сильными раскислителями. В связи сэтим, они активно образуют соответствующие оксиды, тем самым ограничиваяформирование TiSi. Так, в присутствии кислорода силицид титана склонен кокислению при температуре 2000 К с образованием оксидов титана различнойстехиометрии (Рис.
2.13 и 2.14)Концентрация, моль/кг53Т, Ка)б)Рис. 2.9.Влиние никеля на поведение TiN в сварочной ванне:а) Ni=0,5 масс. % (вариант состава № 8, Приложение)б) Ni=1,0 масс. % (вариант состава № 10, Приложение)Концентрация, моль/кгКонцентрация, моль/кг54Т, КТ, Кб)а)Рис. 2.10.Влиние исходной концентарции TiN на химические реакции в сварочной ванне (никель не показан)а) TiN=0,1 масс. % (вариант состава № 7, Приложение);б) TiN=0,2 масс. % (вариант состава № 8, Приложение)Концентрация, моль/кг55Т, Ка)б)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
