Диссертация (1026154), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Так же, как и карбид вольфрама проявляетстойкость вплоть до 2755 °C (3028 К).Отмечается окисление карбида вольфрама на воздухе при температурахоколо 500−700 °C (773-973 К), а выше 800 °C (1073 К) полностью окисляется всвязи с большой летучестью окисла вольфрама. Окисление вольфрама идет пореакции [64]:WC + 2O2 = WO3 + CO(2.1.)Нитрид титана (TiN) представляет собой фазу внедрения с широкойобластью гомогенности, которая составляет от 14,8 до 22,6 % азота (по массе),что можно обозначить брутто-формулами от TiN0,60 до TiN1,0 соответственно[65].Имеет кубическуюгранецентрированную решётку,пространственнаягруппа Fm3m, с периодом, а = 0,4235 нм. Температура плавления нитрида титанасоставляет 2930°C (3203 К).Нитрид титана устойчив к окислению на воздухе до 700—800 °C (973- 1073К), при этих же температурах сгорает в токе кислорода:2TiN + 2O2 = 2TiO2 + N2(2.2)При высокой температуре (порядка 500-800 °C или 773-1073 К) разъедаетсяокислами железа (Fe2O3), марганца (MnO) и кремния (SiO2) [65].Оксид алюминия (Al2O3) подразделяется по строению кристаллическойрешетки на α- и γ- модификации: α-Al2O3 и γ - Al2O3.
Формы оксида алюминия –соединенияпеременногокристаллохимическогосостава,строенияинеимеющиеоднозначнойчеткоопределенногобрутто-формулы.Всепромежуточные модификации оксида алюминия имеют плотную кубическуюили близкую к ней упаковку атомов кислорода, а различия заключаются вразличном расположении катионов.Решетка γ-Al2O3 очень близка по строению к решетке шпинели (MgAl2O4),представляющей собой кубическую плотную упаковку [66].Корунд α-Al2O3 является термодинамически стойким.
Температураплавления составляет 2050 °C (2323 К).46Какизвестно,сварочнаяваннахарактеризуетсянеравномернымраспределением температуры по объему. В кратерной зоне сварочной ванны,которая непосредственно контактирует со сварочной дугой, температурарасплава сварочной ванны будет выше, чем в хвостовой части сварочной ванны,в которой происходит кристаллизация. Измерение температуры сварочнойванны является нетривиальной задачей, осложнённой высокими абсолютнымизначениями, близостью дугового разряда, а также наличием жидкой шлаковойванны, покрывающей расплав сварочной ванны при сварке под флюсом. Всоответствии с работой [67] температура жидкого металла в хвостовой частисварочной ванны вблизи фронта кристаллизации близка к температуреплавления металла, а температура расплава сварочной ванны на поверхностирасплавленного металла вблизи сварочной дуги может достигать 2300°C (2573К) для углеродистых сталей.
При этом температура расплава сварочной ваннына фронте кристаллизации может быть ниже температуры плавлениясвариваемого металла вследствие кристаллизационного переохлаждения.Теоретическое распределение температур в сварочной ванне при сварке подфлюсом соответствует Рис. 2.2., где максимальная температура составляет3000°C (3273 К) [67].Таким образом, хвостовая часть сварочной ванны вблизи фронтакристаллизации характеризуется минимальной температурой расплава (около1800 К, для углеродистых сталей). Тогда как, кратерная зона сварочной ванны,находящаяся в непосредственном контакте с дуговым разрядом, характеризуетсямаксимальной температурой расплава сварочной ванны (около 3273 К дляуглеродистой стали).Несмотря на то, что согласно литературным данным соединения являютсяустойчивыми при повышенных температурах, не исключена возможность ихвзаимодействия с элементами, входящими в состав сварочной ванны при болеенизких температурах. Для оценки возможности такого взаимодействиянеобходимовоспользоватьсяхимических реакций.термодинамическимрасчетомвозможных47Рис.
2.2.Распределение температуры по длине сварочной ванны [67]2.2. Моделирование фазового и химического равновесияКак известно в состав сварочной ванны входит большое количестворазличных элементов как присутствующих в основном металле в виде примесей,так и элементов, вносимых через сварочные материалы. При том в самой ваннепротекают реакции окисления и восстановления элементов, образованиепромежуточных соединений и их распад. Кроме того, при сварке под флюсомимеют место реакции, протекающие в зоне контакта жидкой ванны срасплавленным флюсом.
В работе Н.Н. Потапова [67] описаны наиболеехарактерные реакции, протекающие в различных участках сварочной ванны взависимости от составов используемых флюсов и присадочных материалов.Такдлянизкоуглеродистыхнизколегированныхсталейнаиболеехарактерными реакциями, протекающими в хвостовой части сварочной ванныпри содержании в сварочном флюсе кремния (Si) и марганца (Mn), будут реакцииокисления кремния и марганца кислородом, растворенным в жидком металле исвязанным в виде окислов железа:Si + 2O = SiO2;(2.3)48Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe;(2.4)Mn + O = MnO;(2.5)Mn + FeO = MnO + Fe;(2.6)Таким образом, отмечается присутствие в хвостовой части сварочной ваннытаких элементов как: кремний (Si), марганец (Mn), кислород (O2) в несвязанномвиде.Взаимодействие этих и других химических элементов, входящих в составрасплава сварочной ванны в присутствии наноразмерных модификаторов можетпроисходить различным образом.
Экспериментальный способ исследованияпроцессов такого рода является достаточно трудозатраным и дорогостоящим, азачастую и вовсе не осуществим.Припроведенииисследований,связанныхсфизико-химическимвзаимодействием элементов при высоких температурах, зачастую прибегают кмоделированию их взаимодействия с привлечением математического аппаратаравновесной термодинамики. В таком случае задача сводится к анализутермодинамической системы, взаимодействие которой с окружающей средойзаключается в обмене энергией и веществом. Термодинамическая система,изолированнаяотвнешнихвоздействий,стремитсяктермическому,механическому и химическому равновесию (выравниваются температура идавление, а все возможные реакции проходят до конца).Расчет такого рода систем представляет собой сложную задачу, так какобъем вычислений для расчета нескольких систем достаточно большой.Однако на сегодняшний день для оценки возможности протекания реакцийв сложных системах имеется специально разработанное в МГТУ им.
Н. Э.Бауманапрограммноеобеспечение«Terra».Программноеобеспечениеразработано при участии доктора технических наук, профессора Б. Г. Трусова набазекафедрыИУ-7.Ключевойособенностьюданногопрограммногообеспечения является возможность расчета состава фаз, термодинамическихсвойств произвольных систем с химическими и фазовыми превращениями. Онапозволяет моделировать предельно равновесные состояния с использованием49модели идеального газа. Конденсированные фазы могут быть описаны в виденесмешивающихся однокомпонентных фаз, идеальных и регулярных растворов.Программа позволяет определить соединения, которые могут быть образованыиз химических элементов, входящих в систему с учетом их массовых илимолярных долей.В качестве граничных условий, при которых находятся параметрыравновесия системы, задаются два значения из числа следующих: давление,температура, удельный объем, энтропия, энтальпия, внутренняя энергия.Условия могут быть заданы в виде интервала, сам интервал, можно разбить научастки.
Например, для расчета системы в интервале от 300 К до 1300 К с шагом50 К.Таким образом, данное программное обеспечение позволяет выполнитьрасчет возможных реакций тугоплавких соединений с элементами, входящими врасплав сварочной ванны в зависимости от температуры при атмосферномдавлении в рассматриваемой области ванны, а также в зависимости от массовогоколичества каждого из элементов.Для проведения необходимых расчетов были приняты следующиеграничные условия и упрощения:1) Температурный диапазон: 300-5000 К с шагом в 50 К;2) Давление в расчетах принято равным атмосферному: 0,1 МПа;3) Расчет выполнялся в равновесных условиях (неограниченное времяпротекания реакции);4) Процентное количество каждого компонента расплава выбиралось изобщей его массы 100 г;5) Не учитывалась физико-химическая активность развитой поверхностинаноразмерных частиц.На первом этапе моделирования поведения тугоплавких соединений принагреве необходимо определить правильность выбранных граничных условий.
Сэтой целью необходимо произвести расчет нагрева карбида вольфрама, нитридатитана и оксида алюминия при атмосферном давлении в инертной среде.50Инертный газ (аргон) добавляется в расчет для уравнивания парциальныхдавлений при фазовом переходе нагреваемых элементов.На втором этапе моделирования поведения тугоплавких соединенийнеобходимо произвести расчёт совместного нагрева тугоплавкого соединения иэлементов, входящих в состав расплава сварочной ванны.Химический состав расплава сварочной ванны низкоуглеродистыхнизколегированных сталей может быть задан следующими химическимиэлементами: углерод (C) 0,08..0,2 масс.% , кремний (Si) 0,5..1,0 масс.% , марганец(Mn) 0,5..2,0масс.% , различные примеси (сера и фосфор) суммарно до 0,1 масс.%, железо (Fe) – остальное [68–71].
Кроме того, в расплаве сварочной ванны можетнаходиться кислород как в связанном, так и в свободном виде, при тщательнойподготовке заготовки перед сваркой удаляется значительная часть окислов ивлаги с поверхности заготовок. Однако при применении порошковых проволокдля сварки в сварочную ванну может вноситься некоторое количество кислородаи окислов, оказавшихся внутри оболочки проволоки в процессе ее изготовления.Таким образом, для расчетов было принято содержание свободного кислорода врасплаве сварочной ванны от 0,05масс.% до 0,1масс.% .Исходя из данных литературного анализа, представленного в Главе 1.наибольший интерес представляет прием использования композиционныхгранул на основе никеля для транспортировки наноразмерных частиц всварочную ванну.
Однако применение таких гранул приведет к увеличениюколичества никеля в металле шва. Для уменьшения негативного влияния никеляна ударную вязкость металла шва, необходимо ограничить его количество до1,5масс.% [72].Всоответствиихимическогосоставасвышесказаннымсварочнойванныбылидляопределеныпроведениякомбинациирасчетовпомоделированию поведения тугоплавких соединений в сварочной ванне (Таблица3). Количество вводимого модификатора варьировалось для каждого варианта от0,003 до 0,01 масс.% .51Таблица 3.Комбинации химического состава расплава сварочной ванны припроведении моделирования№CSiMnNiO1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435360,080,080,080,080,080,080,080,080,080,080,080,080,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,20,20,20,20,20,20,20,20,20,20,20,20,50,50,51,01,01,00,50,50,51,01,01,00,50,50,51,01,01,00,50,50,51,01,01,00,50,50,51,01,01,00,50,50,51,01,01,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,51,02,00,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,10,10,10,10,10,10,20,20,20,20,20,20,10,10,10,10,10,10,20,20,20,20,20,20,10,10,10,10,10,10,20,20,20,20,20,2Fe +модификатор98,3797,8796,8797,8797,3796,3798,3297,8296,8297,8297,3296,3298,3597,8596,8597,8597,3596,3598,3297,8096,8097,8097,3096,3098,2597,7596,7597,7597,2596,2598,2097,7096,7097,7097,2096,20522.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
