Array
(
[TAGS] =>
[~TAGS] =>
[ID] => 51144
[~ID] => 51144
[NAME] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[~NAME] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[IBLOCK_ID] => 1
[~IBLOCK_ID] => 1
[IBLOCK_SECTION_ID] => 115
[~IBLOCK_SECTION_ID] => 115
[DETAIL_TEXT] =>
Анализ исследований и публикаций последних лет указывает на роль неметаллических включений как фактора управления структурой и свойствами литого металла. Показано, что инжиниринг включений можно использовать для оптимизации микроструктуры стали, а включения (оксиды, сульфиды, карбиды) размером <1 мкм, способствующие зарождению игольчатого феррита (ИФ), через свои малые размеры выделены в отдельную группу и названы «дисперсоидами», как не оказывающие негативного влияния на снижение механических свойств, но определяющие условия формирования микроструктуры металла.
В работах изучено как влияние размера неметаллических включений на гетерогенное зарождение структуры игольчатого феррита, так и состав и особенности распределения неметаллических включений при наличии оксидов алюминия, оксидов и нитридов титана.
Систематические исследования в этом направлении проведены сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона. В работах экспериментально изучено и теоретически обосновано влияние карбидов, нитридов и оксидов на условия образования игольчатого феррита и повышение механических свойств металла шва низколегированных сталей.
Особенностью указанных выше работ является исследование роли неметаллических включений, в том числе наноразмерного диапазона, как образовавшихся в металле шва при соответствующих изменениях концентраций вводимых элементов и их реакций с образованием оксидов, нитридов, карбидов , так и при их вводе размером не больше 1 мкм через шихту порошковой проволоки, а также в виде наноразмерных порошковых инокуляторов.
Развитие работ в этом направлении требует накопления и анализа экспериментальных данных как применительно к номенклатуре низколегированных сталей так и схемам ввода наноразмерных частиц в сварочную ванну.
Цель работы — исследование влияния неметаллических включений на структуру и свойства металла швов при вводе непосредственно порошков нанооксидов в сварочную ванну.
Для выявления общих закономерностей исследования проводились как при сварке низколегированных сталей 09Г2С и 10Г2ФБ проволокой Св-10ХГН2СМФТЮ, так и стали А–514 (18ГСХ- НФ) проволокой Св-09Г2С . Во всех случаях сварку выполняли в смеси газов 72 % Ar + 28 % CO2
на погонной энергии 12,3 кДж/см.
Нанокомпоненты вводились в сварочную ванну в виде лигатуры после прессования и спекания гомогенной смеси порошка железа фракцией 40 мкм и наноразмерных порошков оксидов алюминия или титана (27…41 нм) с заданным объемным соотношением.
Приготовленная лигатура использовалась как расходный электрод заданной длины и диаметра, заложенный в разделку кромок перед сваркой по длине стыка . В этом случае исключалось влияние процессов, связанных с прохождением нанопорошков через дугу.
Исследование структур и неметаллических включений проводили методами оптической и © В.Д. Кузнецов, Д.В. Степанов, 2015 электронной микроскопии с использованием микроскопа NEOPHOT-30, электронного сканирующего микроскопа JSM35CF с приставкой для локального рентгеноспектрального анализа INCA Energy 350, а также компьютерных программ, разработанных в ИЭС им. Е.О. Патона для анализа микроструктурных составляющих и распределения неметаллических включений по размерам и составу. Теплофизические характеристики литого металла исследовали на термоанализаторе DSK 404 F1 фирмы «NETZSCH».
Исследования показали, что количество нанопорошка, вводимого в сварочную ванну приводит к изменению количества неметаллических включений в металле шва.
Зависимость общей объемной доли неметаллических включений от содержания нанооксидов алюминия в сварном шве приведена на рис. 1.
Если в исходном шве доля неметаллических включений составляет 0,45 % то с введением в сварочную ванну нанопорошка оксида алюминия в количестве 0,5 % происходит резкое увеличение объемной доли неметаллических включений до 0,65 %. Введение нанопорошка оксида алюминия в диапазоне от 0,5 до 2,5 об. % не оказывает заметного влияния на объемную долю неметаллических включений. Дальнейшее увеличение более 2,5 % нанопорошка вновь приводит к росту объемной доли неметаллических включений с 0,7 до 0,86 %.
Однако результаты оценки структурных изменений для указанного диапазона вводимых нанооксидов показали, что превышение объемной доли выше 0,5 % не сопровождается существенными структурными изменениями.
Для примера на рис. 2 приведены структуры металла шва при сварке стали 09Г2С для указанного диапазона изменений объемной доли нанопорошка оксида алюминия.
В исходных условиях в металле шва формируется структура, основными составляющими которой являются выделения полигонального феррита, игольчатого и пластинчатого с упорядоченными и неупорядоченными вторыми фазами. Особенностью структуры является наличие укрупненных образований указанных морфологических форм феррита (рис. 2, а). Микротвердость составляющих изменяется от HV 145 до HV 187.
Микроструктура металла шва с добавлением нанопорошка Al2O3 в количестве 0,5% имеет измельченную дисперсную структуру, состоящую в основном из верхнего бейнита, частично нижнего и игольчатого феррита (рис. 2, б). Микротвердость составляющих изменяется от HV 264 до HV 304.
Металл шва с добавлением нанопорошка Al2O3 в количестве 2,5 % объемных долей преимущественно имеет микроструктуру внутризеренного феррита и феррита с упорядоченными и неупорядоченными вторыми фазами (рис. 2, в). Микротвердость составляющих практически не меняется и находится в пределах HV 180…189.
Добавление нанопорошка Al2O3 в количестве 4, 5 % объемных долей приводит к формированию в структуре внутризеренного феррита с выделениями игольчатого и феррита с упорядоченными вторыми фазами (рис. 2, г). Микротвердость составляющих изменяется соответственно от HV 188 до HV 236. Отсюда можно сделать вывод, что основную роль в формировании структуры с повышенными прочностными и вязкими свойствами выполняют введенные только в небольшом количестве (0,5 %) нанооксиды, а повышение их концентрации, видимо, способствует коагуляции и коалисценции с неметаллическими включениями материала во время кристаллизации сварочной ванны и существенного влияния на структурообразование не оказывает.
Действительно, компьютерная обработка результатов распределения неметаллических включений по размеру позволила выделить из общего массива данных три размерных диапазона: включения размера- ми до 0,3 мкм, от 0,3 до 0,8 мкм и более 0,8 мкм.
Характерной особенностью неметаллических включений в металле шва является их меньший размерный диапазон при вводе в сварочную ванну нанооксидов (рис. 3).
Так, если в исходном шве на размерный диапазон 0,1…0,25 мкм приходится от 5 до 10 включений и на диапазон 0,5…1 мкм от 5 до 40 включений, то в случае ввода нанооксида на первый диапазон приходится от 8 до 22 включений и на второй от 5 до 27 включений.
Выявленные закономерности подтверждаются также результатами обработки размеров включений только сферической формы по показателю диаметра равнозначной окружности. Для примера на рис. 4 приведены гистограммы по объемному содержанию и распределению таких включений в металле шва для исходного состояния и с наличием нанооксида титана.
В исходном состоянии без добавления нанопорошка оксида основная часть сферических включе- ний от 4 до 6 % приходится как на диапазон размеров до 0,3 мкм, так и на диапазоны 0,3…0,8 мкм и выше. При этом наблюдаются выделения до 9 % частиц размерами до 0,31…0,37 мкм (рис. 4, а).
При добавлении нанопорошка оксида ТiО2 в количестве 0,5 об. % часть сферических включений как размером до 0,3 мкм, так и в диапазоне 0,3…0,55 мкм возрастает от 6 до 14 %. При этом практически не наблюдается наличие включений с размера- ми больше 0,8 мкм (рис. 4, б).
Результаты локального спектрального анализа химического состава включений показали, что независимо от размера в каждом из них наблюдается существенное повышение концентрации углерода, кислорода, алюминия, серы, титана, марганца. Особенно это заметно для углерода, кислорода, серы (несколько порядков).
Ввод нанооксидов, при сохранении общей картины по составу указанных эле- ментов, несколько изменяет ее в сторону более высокого содержания кислорода, алюминия и титана, что указывает на наличие во включениях оксидов этих элементов.
Анализ тройных диаграмм оксидов систем SiO2–Al2O3–MnO и ТiO2–Al2O3–MnO для наиболее характерного диапазона размера включений 0,3…0,8 мкм также подтверждает повышенное содержание оксидов Al2O3 и ТiO2 (рис. 5).
Так, если в исходном шве значительная часть включений как одной, так и другой системы содержит оксид марганца от 50 до 90 % , оксид алюминия до 40 % и оксид титана до 20 % (рис. 5, а, б), то при введении в сварочную ванну ТiO2 в количестве 0,5% высокое содержание оксида марганца встречается только в единичных включениях, а присутствие во включениях как оксида алюминия, так и титана увеличивается до 55 и 40 % соответственно (рис. 5, в, г).
Таким образом, комплексный анализ включений указывает на существенное отличие их размеров, плотности распределения и состава в металлической матрице при вводе нанооксидов, что оказывает влияние на структуру металла швов.
Действительно, по результатам металлографического анализа установлено, что наиболее распространенными морфологическими формами феррита в структуре металла швов являются блочный феррит (БФ), пластинчатый феррит (ПФ), внутризеренный игольчатый феррит (ИФ), феррит Видманштетта (ФВ), верхний (ВБ) и нижний бейнит (НБ). Процентное содержание каждой из форм в исследованных швах при сварке стали 10Г2ФБ приведено в табл. 1.
Исходная структура сварных швов характеризуется повышенным содержанием хрупких составляющих (блочный феррит, феррит Видманштетта, верхний бейнит) и формированием игольчатого феррита до 10 % с высоким коэффициентом формы (L/B) 4…7 и длиной игл до 20 мкм.
Микроструктура металла шва имеет достаточно высокое содержание внутризеренного полигонального феррита с выделениями по границам зерен аллотриоморфного феррита (рис. 6, а–в). Швы с такой структурой характеризуются низким уровнем вязкости и пластичности металла. Значения микротвердости структурных составляющих изменяются от HV 231 до HV 253.
Структура метала шва с нанооксидом ТiO2 в количестве 0,5 % характеризуется пониженным содержанием хрупких составляющих (блочный феррит, феррит Видманштетта, верхний бейнит) и повышенным содержанием игольчатого феррита до 40 % с более благоприятным коэффициентом формы (L/B) 3…5 и длиной игл до 5 мкм в сравнении с исходной структурой (рис. 6, г–е).
Швы с такой структурой характеризуются сочетанием достаточно высокого уровня показателей вязкости, пластичности и прочности металла. Измерения показали, что значения микротвердости структурных составляющих изменяются от HV 230 до HV 250.
Таким образом, введение в сварочную ванну нанооксидов, в частности титана, приводит к позитивным структурным изменениям с точки зрения формирования вязких морфологических форм феррита, что приводит к повышению механических свойств металла швов (табл. 2).
Как следует из данных табл. 2, наблюдается повышение предела текучести на 157 МПа и прочности на 105 МПа при введении в сварочную ванну нанооксидов титана, при этом ударная вязкость также увеличивается в 2 раза. Таким образом, независимо от марки исследованных низколегированных сталей и типа введенных нанооксидов общим является изменение как размера, плотности распределения и состава включений, так и их положительное влияние на структуру и механические свойства металла швов.
О роли введенных нанооксидов в структурообразовании свидетельствуют также данные термограмм дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Исследования выявили отличия как в температурах плавления, так и кристаллизации металла, модифицированного нанооксидами (табл. 3).
Общей закономерностью является некоторое снижение температур плавления металла швов при введении нанооксидов. Известно, что наноструктурные материалы отличаются существенно более низкой температурой плавления, следовательно, некоторое снижение температур ликвидуса может быть связано с наличием нанооксидов в металле швов. Снижение температуры плавления проявляется по разному для оксидов титана и алюминия. Так, при температуре плавления исходного металла 1543,4 ºС ее снижение до 1535,8 ºС наблюдается при введении0,5 % TiO2 и в большей степени до 1522,5 ºС при 1 % Al2O3.
В то же время, за исключением 1% Al2O3, наблюдается повышение температур кристаллизации металла швов, модифицированных нанооксидами. При этом общей закономерностью является, независимо от исследованного диапазона изменений объемной доли введенных нанооксидов, уменьшение интервала кристаллизации модифицированного металла. Так, если для исходного металла он составляет 43,9 ºС, то наблюдаемое уменьшение для исследованного диапазона изменений каждого из нанооксидов практически одинаково и для оксида алюминия составляет ΔТ = 23,3 ºС, для оксида титана ΔТ = 11,8 ºС.
Отсюда можно сделать вывод, что действие нанооксидов проявляется уже на стадии кристаллизации, изменяя ее условия в сторону более ускоренного прохождения, возможно как следствие появления на включениях дополнительных центров зародышеобразования, то есть их действия как модификаторов 2-го рода.
На данном этапе исследований не представляется возможным дать однозначную трактовку роли нанооксидов в механизме управления структурообразованием металла швов. Их роль может также проявляться как модификаторов 3-го рода (инокуляторов), которые находясь в расплаве и отбирая тепло на собственный нагрев и, при определенных условиях, расплавление снижают температуру расплава, что приводит к росту скорости кристаллизации. Кроме того, как установлено в работах ИЭС им. Е.О. Патона, их воздействие может также проявляться и на этапе вторичной кристаллизации, влияя на устойчивость аустенита к превращению.
Накопление и анализ экспериментальных данных в этом направлении работ позволит выделить наиболее существенные стороны проявления неметаллических включений, в том числе наноразмерного диапазона, на структурообразование сварного шва.
Выводы
Показано, что увеличение объемной доли введенных в сварочную ванну нанооксидов от 0,5 до 4,5 % при- водит к увеличению от 0,46 до 0,87 общей доли неметаллических включений в металле шва, при этом существенные структурные изменения проявляются при вводе объемной доли нанооксида, не превышающей 0,5 %. Характерным в этом случае является увеличение доли включений в малом размерном диапазоне 0,07…0,5 мкм. В металле швов, модифицированных нанооксидами включения содержат повышенное содержание кислорода, алюминия и титана, что указывает на их преимущественный состав из оксидов этих элементов.
Введение нанооксида титана способствует сни-жению хрупких составляющих феррита и повышению содержания игольчатого, что приводит к повышению механических свойств металла швов, в частности ударной вязкости. Введение нанооксидов уменьшает интервал кристаллизации металла швов, что может свидетельствовать о их действии как модификаторов 2–го рода.
Источник: журнал "Автоматическая сварка"
[~DETAIL_TEXT] =>
Анализ исследований и публикаций последних лет указывает на роль неметаллических включений как фактора управления структурой и свойствами литого металла. Показано, что инжиниринг включений можно использовать для оптимизации микроструктуры стали, а включения (оксиды, сульфиды, карбиды) размером <1 мкм, способствующие зарождению игольчатого феррита (ИФ), через свои малые размеры выделены в отдельную группу и названы «дисперсоидами», как не оказывающие негативного влияния на снижение механических свойств, но определяющие условия формирования микроструктуры металла.
В работах изучено как влияние размера неметаллических включений на гетерогенное зарождение структуры игольчатого феррита, так и состав и особенности распределения неметаллических включений при наличии оксидов алюминия, оксидов и нитридов титана.
Систематические исследования в этом направлении проведены сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона. В работах экспериментально изучено и теоретически обосновано влияние карбидов, нитридов и оксидов на условия образования игольчатого феррита и повышение механических свойств металла шва низколегированных сталей.
Особенностью указанных выше работ является исследование роли неметаллических включений, в том числе наноразмерного диапазона, как образовавшихся в металле шва при соответствующих изменениях концентраций вводимых элементов и их реакций с образованием оксидов, нитридов, карбидов , так и при их вводе размером не больше 1 мкм через шихту порошковой проволоки, а также в виде наноразмерных порошковых инокуляторов.
Развитие работ в этом направлении требует накопления и анализа экспериментальных данных как применительно к номенклатуре низколегированных сталей так и схемам ввода наноразмерных частиц в сварочную ванну.
Цель работы — исследование влияния неметаллических включений на структуру и свойства металла швов при вводе непосредственно порошков нанооксидов в сварочную ванну.
Для выявления общих закономерностей исследования проводились как при сварке низколегированных сталей 09Г2С и 10Г2ФБ проволокой Св-10ХГН2СМФТЮ, так и стали А–514 (18ГСХ- НФ) проволокой Св-09Г2С . Во всех случаях сварку выполняли в смеси газов 72 % Ar + 28 % CO2
на погонной энергии 12,3 кДж/см.
Нанокомпоненты вводились в сварочную ванну в виде лигатуры после прессования и спекания гомогенной смеси порошка железа фракцией 40 мкм и наноразмерных порошков оксидов алюминия или титана (27…41 нм) с заданным объемным соотношением.
Приготовленная лигатура использовалась как расходный электрод заданной длины и диаметра, заложенный в разделку кромок перед сваркой по длине стыка . В этом случае исключалось влияние процессов, связанных с прохождением нанопорошков через дугу.
Исследование структур и неметаллических включений проводили методами оптической и © В.Д. Кузнецов, Д.В. Степанов, 2015 электронной микроскопии с использованием микроскопа NEOPHOT-30, электронного сканирующего микроскопа JSM35CF с приставкой для локального рентгеноспектрального анализа INCA Energy 350, а также компьютерных программ, разработанных в ИЭС им. Е.О. Патона для анализа микроструктурных составляющих и распределения неметаллических включений по размерам и составу. Теплофизические характеристики литого металла исследовали на термоанализаторе DSK 404 F1 фирмы «NETZSCH».
Исследования показали, что количество нанопорошка, вводимого в сварочную ванну приводит к изменению количества неметаллических включений в металле шва.
Зависимость общей объемной доли неметаллических включений от содержания нанооксидов алюминия в сварном шве приведена на рис. 1.
Если в исходном шве доля неметаллических включений составляет 0,45 % то с введением в сварочную ванну нанопорошка оксида алюминия в количестве 0,5 % происходит резкое увеличение объемной доли неметаллических включений до 0,65 %. Введение нанопорошка оксида алюминия в диапазоне от 0,5 до 2,5 об. % не оказывает заметного влияния на объемную долю неметаллических включений. Дальнейшее увеличение более 2,5 % нанопорошка вновь приводит к росту объемной доли неметаллических включений с 0,7 до 0,86 %.
Однако результаты оценки структурных изменений для указанного диапазона вводимых нанооксидов показали, что превышение объемной доли выше 0,5 % не сопровождается существенными структурными изменениями.
Для примера на рис. 2 приведены структуры металла шва при сварке стали 09Г2С для указанного диапазона изменений объемной доли нанопорошка оксида алюминия.
В исходных условиях в металле шва формируется структура, основными составляющими которой являются выделения полигонального феррита, игольчатого и пластинчатого с упорядоченными и неупорядоченными вторыми фазами. Особенностью структуры является наличие укрупненных образований указанных морфологических форм феррита (рис. 2, а). Микротвердость составляющих изменяется от HV 145 до HV 187.
Микроструктура металла шва с добавлением нанопорошка Al2O3 в количестве 0,5% имеет измельченную дисперсную структуру, состоящую в основном из верхнего бейнита, частично нижнего и игольчатого феррита (рис. 2, б). Микротвердость составляющих изменяется от HV 264 до HV 304.
Металл шва с добавлением нанопорошка Al2O3 в количестве 2,5 % объемных долей преимущественно имеет микроструктуру внутризеренного феррита и феррита с упорядоченными и неупорядоченными вторыми фазами (рис. 2, в). Микротвердость составляющих практически не меняется и находится в пределах HV 180…189.
Добавление нанопорошка Al2O3 в количестве 4, 5 % объемных долей приводит к формированию в структуре внутризеренного феррита с выделениями игольчатого и феррита с упорядоченными вторыми фазами (рис. 2, г). Микротвердость составляющих изменяется соответственно от HV 188 до HV 236. Отсюда можно сделать вывод, что основную роль в формировании структуры с повышенными прочностными и вязкими свойствами выполняют введенные только в небольшом количестве (0,5 %) нанооксиды, а повышение их концентрации, видимо, способствует коагуляции и коалисценции с неметаллическими включениями материала во время кристаллизации сварочной ванны и существенного влияния на структурообразование не оказывает.
Действительно, компьютерная обработка результатов распределения неметаллических включений по размеру позволила выделить из общего массива данных три размерных диапазона: включения размера- ми до 0,3 мкм, от 0,3 до 0,8 мкм и более 0,8 мкм.
Характерной особенностью неметаллических включений в металле шва является их меньший размерный диапазон при вводе в сварочную ванну нанооксидов (рис. 3).
Так, если в исходном шве на размерный диапазон 0,1…0,25 мкм приходится от 5 до 10 включений и на диапазон 0,5…1 мкм от 5 до 40 включений, то в случае ввода нанооксида на первый диапазон приходится от 8 до 22 включений и на второй от 5 до 27 включений.
Выявленные закономерности подтверждаются также результатами обработки размеров включений только сферической формы по показателю диаметра равнозначной окружности. Для примера на рис. 4 приведены гистограммы по объемному содержанию и распределению таких включений в металле шва для исходного состояния и с наличием нанооксида титана.
В исходном состоянии без добавления нанопорошка оксида основная часть сферических включе- ний от 4 до 6 % приходится как на диапазон размеров до 0,3 мкм, так и на диапазоны 0,3…0,8 мкм и выше. При этом наблюдаются выделения до 9 % частиц размерами до 0,31…0,37 мкм (рис. 4, а).
При добавлении нанопорошка оксида ТiО2 в количестве 0,5 об. % часть сферических включений как размером до 0,3 мкм, так и в диапазоне 0,3…0,55 мкм возрастает от 6 до 14 %. При этом практически не наблюдается наличие включений с размера- ми больше 0,8 мкм (рис. 4, б).
Результаты локального спектрального анализа химического состава включений показали, что независимо от размера в каждом из них наблюдается существенное повышение концентрации углерода, кислорода, алюминия, серы, титана, марганца. Особенно это заметно для углерода, кислорода, серы (несколько порядков).
Ввод нанооксидов, при сохранении общей картины по составу указанных эле- ментов, несколько изменяет ее в сторону более высокого содержания кислорода, алюминия и титана, что указывает на наличие во включениях оксидов этих элементов.
Анализ тройных диаграмм оксидов систем SiO2–Al2O3–MnO и ТiO2–Al2O3–MnO для наиболее характерного диапазона размера включений 0,3…0,8 мкм также подтверждает повышенное содержание оксидов Al2O3 и ТiO2 (рис. 5).
Так, если в исходном шве значительная часть включений как одной, так и другой системы содержит оксид марганца от 50 до 90 % , оксид алюминия до 40 % и оксид титана до 20 % (рис. 5, а, б), то при введении в сварочную ванну ТiO2 в количестве 0,5% высокое содержание оксида марганца встречается только в единичных включениях, а присутствие во включениях как оксида алюминия, так и титана увеличивается до 55 и 40 % соответственно (рис. 5, в, г).
Таким образом, комплексный анализ включений указывает на существенное отличие их размеров, плотности распределения и состава в металлической матрице при вводе нанооксидов, что оказывает влияние на структуру металла швов.
Действительно, по результатам металлографического анализа установлено, что наиболее распространенными морфологическими формами феррита в структуре металла швов являются блочный феррит (БФ), пластинчатый феррит (ПФ), внутризеренный игольчатый феррит (ИФ), феррит Видманштетта (ФВ), верхний (ВБ) и нижний бейнит (НБ). Процентное содержание каждой из форм в исследованных швах при сварке стали 10Г2ФБ приведено в табл. 1.
Исходная структура сварных швов характеризуется повышенным содержанием хрупких составляющих (блочный феррит, феррит Видманштетта, верхний бейнит) и формированием игольчатого феррита до 10 % с высоким коэффициентом формы (L/B) 4…7 и длиной игл до 20 мкм.
Микроструктура металла шва имеет достаточно высокое содержание внутризеренного полигонального феррита с выделениями по границам зерен аллотриоморфного феррита (рис. 6, а–в). Швы с такой структурой характеризуются низким уровнем вязкости и пластичности металла. Значения микротвердости структурных составляющих изменяются от HV 231 до HV 253.
Структура метала шва с нанооксидом ТiO2 в количестве 0,5 % характеризуется пониженным содержанием хрупких составляющих (блочный феррит, феррит Видманштетта, верхний бейнит) и повышенным содержанием игольчатого феррита до 40 % с более благоприятным коэффициентом формы (L/B) 3…5 и длиной игл до 5 мкм в сравнении с исходной структурой (рис. 6, г–е).
Швы с такой структурой характеризуются сочетанием достаточно высокого уровня показателей вязкости, пластичности и прочности металла. Измерения показали, что значения микротвердости структурных составляющих изменяются от HV 230 до HV 250.
Таким образом, введение в сварочную ванну нанооксидов, в частности титана, приводит к позитивным структурным изменениям с точки зрения формирования вязких морфологических форм феррита, что приводит к повышению механических свойств металла швов (табл. 2).
Как следует из данных табл. 2, наблюдается повышение предела текучести на 157 МПа и прочности на 105 МПа при введении в сварочную ванну нанооксидов титана, при этом ударная вязкость также увеличивается в 2 раза. Таким образом, независимо от марки исследованных низколегированных сталей и типа введенных нанооксидов общим является изменение как размера, плотности распределения и состава включений, так и их положительное влияние на структуру и механические свойства металла швов.
О роли введенных нанооксидов в структурообразовании свидетельствуют также данные термограмм дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Исследования выявили отличия как в температурах плавления, так и кристаллизации металла, модифицированного нанооксидами (табл. 3).
Общей закономерностью является некоторое снижение температур плавления металла швов при введении нанооксидов. Известно, что наноструктурные материалы отличаются существенно более низкой температурой плавления, следовательно, некоторое снижение температур ликвидуса может быть связано с наличием нанооксидов в металле швов. Снижение температуры плавления проявляется по разному для оксидов титана и алюминия. Так, при температуре плавления исходного металла 1543,4 ºС ее снижение до 1535,8 ºС наблюдается при введении0,5 % TiO2 и в большей степени до 1522,5 ºС при 1 % Al2O3.
В то же время, за исключением 1% Al2O3, наблюдается повышение температур кристаллизации металла швов, модифицированных нанооксидами. При этом общей закономерностью является, независимо от исследованного диапазона изменений объемной доли введенных нанооксидов, уменьшение интервала кристаллизации модифицированного металла. Так, если для исходного металла он составляет 43,9 ºС, то наблюдаемое уменьшение для исследованного диапазона изменений каждого из нанооксидов практически одинаково и для оксида алюминия составляет ΔТ = 23,3 ºС, для оксида титана ΔТ = 11,8 ºС.
Отсюда можно сделать вывод, что действие нанооксидов проявляется уже на стадии кристаллизации, изменяя ее условия в сторону более ускоренного прохождения, возможно как следствие появления на включениях дополнительных центров зародышеобразования, то есть их действия как модификаторов 2-го рода.
На данном этапе исследований не представляется возможным дать однозначную трактовку роли нанооксидов в механизме управления структурообразованием металла швов. Их роль может также проявляться как модификаторов 3-го рода (инокуляторов), которые находясь в расплаве и отбирая тепло на собственный нагрев и, при определенных условиях, расплавление снижают температуру расплава, что приводит к росту скорости кристаллизации. Кроме того, как установлено в работах ИЭС им. Е.О. Патона, их воздействие может также проявляться и на этапе вторичной кристаллизации, влияя на устойчивость аустенита к превращению.
Накопление и анализ экспериментальных данных в этом направлении работ позволит выделить наиболее существенные стороны проявления неметаллических включений, в том числе наноразмерного диапазона, на структурообразование сварного шва.
Выводы
Показано, что увеличение объемной доли введенных в сварочную ванну нанооксидов от 0,5 до 4,5 % при- водит к увеличению от 0,46 до 0,87 общей доли неметаллических включений в металле шва, при этом существенные структурные изменения проявляются при вводе объемной доли нанооксида, не превышающей 0,5 %. Характерным в этом случае является увеличение доли включений в малом размерном диапазоне 0,07…0,5 мкм. В металле швов, модифицированных нанооксидами включения содержат повышенное содержание кислорода, алюминия и титана, что указывает на их преимущественный состав из оксидов этих элементов.
Введение нанооксида титана способствует сни-жению хрупких составляющих феррита и повышению содержания игольчатого, что приводит к повышению механических свойств металла швов, в частности ударной вязкости. Введение нанооксидов уменьшает интервал кристаллизации металла швов, что может свидетельствовать о их действии как модификаторов 2–го рода.
Источник: журнал "Автоматическая сварка"
[DETAIL_TEXT_TYPE] => html
[~DETAIL_TEXT_TYPE] => html
[PREVIEW_TEXT] => Приведены результаты исследований структуры и свойств металла швов при вводе в сварочную ванну порошков нанооксидов. Показано, что доля нанопорошков, вносимых в сварочную ванну, не должна превышать 0,5 % в диапазоне рекомендуемых режимов сварки низколегированных сталей. Установлено, что ввод нанооксидов приводит к преимущественному формированию неметаллических включений как в наноразмерном диапазоне 0,07…0,13 мкм так и в диапазоне 0,3…0,8 мкм при этом, в них наблюдается повышенное по отношению к исходным швам содержание углерода, кислорода титана, алюминия и марганца.
[~PREVIEW_TEXT] => Приведены результаты исследований структуры и свойств металла швов при вводе в сварочную ванну порошков нанооксидов. Показано, что доля нанопорошков, вносимых в сварочную ванну, не должна превышать 0,5 % в диапазоне рекомендуемых режимов сварки низколегированных сталей. Установлено, что ввод нанооксидов приводит к преимущественному формированию неметаллических включений как в наноразмерном диапазоне 0,07…0,13 мкм так и в диапазоне 0,3…0,8 мкм при этом, в них наблюдается повышенное по отношению к исходным швам содержание углерода, кислорода титана, алюминия и марганца.
[PREVIEW_TEXT_TYPE] => text
[~PREVIEW_TEXT_TYPE] => text
[DETAIL_PICTURE] =>
[~DETAIL_PICTURE] =>
[TIMESTAMP_X] => 22.03.2017 17:46:39
[~TIMESTAMP_X] => 22.03.2017 17:46:39
[ACTIVE_FROM] => 22.03.2017
[~ACTIVE_FROM] => 22.03.2017
[LIST_PAGE_URL] => /news/
[~LIST_PAGE_URL] => /news/
[DETAIL_PAGE_URL] => /news/115/51144/
[~DETAIL_PAGE_URL] => /news/115/51144/
[LANG_DIR] => /
[~LANG_DIR] => /
[CODE] => ctruktura_i_svoystva_metalla_svarnogo_shva_modifitsirovannogo_nanooksidami
[~CODE] => ctruktura_i_svoystva_metalla_svarnogo_shva_modifitsirovannogo_nanooksidami
[EXTERNAL_ID] => 51144
[~EXTERNAL_ID] => 51144
[IBLOCK_TYPE_ID] => news
[~IBLOCK_TYPE_ID] => news
[IBLOCK_CODE] => news
[~IBLOCK_CODE] => news
[IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
[~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
[LID] => s1
[~LID] => s1
[NAV_RESULT] =>
[DISPLAY_ACTIVE_FROM] => 22.03.2017
[IPROPERTY_VALUES] => Array
(
[SECTION_META_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[SECTION_META_KEYWORDS] => cтруктура и свойства металла сварного шва, модифицированного нанооксидами
[SECTION_META_DESCRIPTION] => Приведены результаты исследований структуры и свойств металла швов при вводе в сварочную ванну порошков нанооксидов. Показано, что доля нанопорошков, вносимых в сварочную ванну, не должна превышать 0,5 % в диапазоне рекомендуемых режимов сварки низколегированных сталей. Установлено, что ввод нанооксидов приводит к преимущественному формированию неметаллических включений как в наноразмерном диапазоне 0,07…0,13 мкм так и в диапазоне 0,3…0,8 мкм при этом, в них наблюдается повышенное по отношению к исходным швам содержание углерода, кислорода титана, алюминия и марганца.
[SECTION_PAGE_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[ELEMENT_META_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[ELEMENT_META_KEYWORDS] => cтруктура и свойства металла сварного шва, модифицированного нанооксидами
[ELEMENT_META_DESCRIPTION] => Приведены результаты исследований структуры и свойств металла швов при вводе в сварочную ванну порошков нанооксидов. Показано, что доля нанопорошков, вносимых в сварочную ванну, не должна превышать 0,5 % в диапазоне рекомендуемых режимов сварки низколегированных сталей. Установлено, что ввод нанооксидов приводит к преимущественному формированию неметаллических включений как в наноразмерном диапазоне 0,07…0,13 мкм так и в диапазоне 0,3…0,8 мкм при этом, в них наблюдается повышенное по отношению к исходным швам содержание углерода, кислорода титана, алюминия и марганца.
[ELEMENT_PAGE_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
[ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
)
[FIELDS] => Array
(
[TAGS] =>
)
[DISPLAY_PROPERTIES] => Array
(
)
[IBLOCK] => Array
(
[ID] => 1
[~ID] => 1
[TIMESTAMP_X] => 15.02.2016 17:09:48
[~TIMESTAMP_X] => 15.02.2016 17:09:48
[IBLOCK_TYPE_ID] => news
[~IBLOCK_TYPE_ID] => news
[LID] => s1
[~LID] => s1
[CODE] => news
[~CODE] => news
[NAME] => Пресс-центр
[~NAME] => Пресс-центр
[ACTIVE] => Y
[~ACTIVE] => Y
[SORT] => 500
[~SORT] => 500
[LIST_PAGE_URL] => /news/
[~LIST_PAGE_URL] => /news/
[DETAIL_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/#ELEMENT_ID#/
[~DETAIL_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/#ELEMENT_ID#/
[SECTION_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/
[~SECTION_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/
[PICTURE] =>
[~PICTURE] =>
[DESCRIPTION] =>
[~DESCRIPTION] =>
[DESCRIPTION_TYPE] => text
[~DESCRIPTION_TYPE] => text
[RSS_TTL] => 24
[~RSS_TTL] => 24
[RSS_ACTIVE] => Y
[~RSS_ACTIVE] => Y
[RSS_FILE_ACTIVE] => N
[~RSS_FILE_ACTIVE] => N
[RSS_FILE_LIMIT] => 0
[~RSS_FILE_LIMIT] => 0
[RSS_FILE_DAYS] => 0
[~RSS_FILE_DAYS] => 0
[RSS_YANDEX_ACTIVE] => N
[~RSS_YANDEX_ACTIVE] => N
[XML_ID] => clothes_news_s1
[~XML_ID] => clothes_news_s1
[TMP_ID] => 7892ec079502a4fafaa420df15fe1cad
[~TMP_ID] => 7892ec079502a4fafaa420df15fe1cad
[INDEX_ELEMENT] => Y
[~INDEX_ELEMENT] => Y
[INDEX_SECTION] => Y
[~INDEX_SECTION] => Y
[WORKFLOW] => N
[~WORKFLOW] => N
[BIZPROC] => N
[~BIZPROC] => N
[SECTION_CHOOSER] => L
[~SECTION_CHOOSER] => L
[LIST_MODE] =>
[~LIST_MODE] =>
[RIGHTS_MODE] => S
[~RIGHTS_MODE] => S
[SECTION_PROPERTY] => N
[~SECTION_PROPERTY] => N
[PROPERTY_INDEX] => N
[~PROPERTY_INDEX] => N
[VERSION] => 1
[~VERSION] => 1
[LAST_CONV_ELEMENT] => 0
[~LAST_CONV_ELEMENT] => 0
[SOCNET_GROUP_ID] =>
[~SOCNET_GROUP_ID] =>
[EDIT_FILE_BEFORE] =>
[~EDIT_FILE_BEFORE] =>
[EDIT_FILE_AFTER] =>
[~EDIT_FILE_AFTER] =>
[SECTIONS_NAME] => Разделы
[~SECTIONS_NAME] => Разделы
[SECTION_NAME] => Раздел
[~SECTION_NAME] => Раздел
[ELEMENTS_NAME] => Новости
[~ELEMENTS_NAME] => Новости
[ELEMENT_NAME] => Новость
[~ELEMENT_NAME] => Новость
[CANONICAL_PAGE_URL] =>
[~CANONICAL_PAGE_URL] =>
[EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
[~EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
[LANG_DIR] => /
[~LANG_DIR] => /
[SERVER_NAME] => www.alfa-industry.ru
[~SERVER_NAME] => www.alfa-industry.ru
)
[SECTION] => Array
(
[PATH] => Array
(
[0] => Array
(
[ID] => 115
[~ID] => 115
[TIMESTAMP_X] => 2015-11-25 18:37:33
[~TIMESTAMP_X] => 2015-11-25 18:37:33
[MODIFIED_BY] => 2
[~MODIFIED_BY] => 2
[DATE_CREATE] => 2015-09-29 20:10:16
[~DATE_CREATE] => 2015-09-29 20:10:16
[CREATED_BY] => 1
[~CREATED_BY] => 1
[IBLOCK_ID] => 1
[~IBLOCK_ID] => 1
[IBLOCK_SECTION_ID] =>
[~IBLOCK_SECTION_ID] =>
[ACTIVE] => Y
[~ACTIVE] => Y
[GLOBAL_ACTIVE] => Y
[~GLOBAL_ACTIVE] => Y
[SORT] => 500
[~SORT] => 500
[NAME] => Технические статьи
[~NAME] => Технические статьи
[PICTURE] =>
[~PICTURE] =>
[LEFT_MARGIN] => 21
[~LEFT_MARGIN] => 21
[RIGHT_MARGIN] => 22
[~RIGHT_MARGIN] => 22
[DEPTH_LEVEL] => 1
[~DEPTH_LEVEL] => 1
[DESCRIPTION] =>
[~DESCRIPTION] =>
[DESCRIPTION_TYPE] => text
[~DESCRIPTION_TYPE] => text
[SEARCHABLE_CONTENT] => ТЕХНИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
[~SEARCHABLE_CONTENT] => ТЕХНИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
[CODE] =>
[~CODE] =>
[XML_ID] => 115
[~XML_ID] => 115
[TMP_ID] =>
[~TMP_ID] =>
[DETAIL_PICTURE] =>
[~DETAIL_PICTURE] =>
[SOCNET_GROUP_ID] =>
[~SOCNET_GROUP_ID] =>
[LIST_PAGE_URL] => /news/
[~LIST_PAGE_URL] => /news/
[SECTION_PAGE_URL] => /news/115/
[~SECTION_PAGE_URL] => /news/115/
[IBLOCK_TYPE_ID] => news
[~IBLOCK_TYPE_ID] => news
[IBLOCK_CODE] => news
[~IBLOCK_CODE] => news
[IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
[~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
[EXTERNAL_ID] => 115
[~EXTERNAL_ID] => 115
[IPROPERTY_VALUES] => Array
(
[SECTION_META_TITLE] => Технические статьи
[SECTION_META_KEYWORDS] => технические статьи
[SECTION_META_DESCRIPTION] =>
[SECTION_PAGE_TITLE] => Технические статьи
[ELEMENT_META_TITLE] => Технические статьи
[ELEMENT_META_KEYWORDS] => технические статьи
[ELEMENT_META_DESCRIPTION] =>
[ELEMENT_PAGE_TITLE] => Технические статьи
[SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи
[SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи
[SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи
[SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи
[ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи
[ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи
[ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи
[ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи
)
)
)
)
[SECTION_URL] => /news/115/
)
CТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНООКСИДАМИ
22.03.2017
Анализ исследований и публикаций последних лет указывает на роль неметаллических включений как фактора управления структурой и свойствами литого металла. Показано, что инжиниринг включений можно использовать для оптимизации микроструктуры стали, а включения (оксиды, сульфиды, карбиды) размером <1 мкм, способствующие зарождению игольчатого феррита (ИФ), через свои малые размеры выделены в отдельную группу и названы «дисперсоидами», как не оказывающие негативного влияния на снижение механических свойств, но определяющие условия формирования микроструктуры металла.
В работах изучено как влияние размера неметаллических включений на гетерогенное зарождение структуры игольчатого феррита, так и состав и особенности распределения неметаллических включений при наличии оксидов алюминия, оксидов и нитридов титана.
Систематические исследования в этом направлении проведены сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона. В работах экспериментально изучено и теоретически обосновано влияние карбидов, нитридов и оксидов на условия образования игольчатого феррита и повышение механических свойств металла шва низколегированных сталей.
Особенностью указанных выше работ является исследование роли неметаллических включений, в том числе наноразмерного диапазона, как образовавшихся в металле шва при соответствующих изменениях концентраций вводимых элементов и их реакций с образованием оксидов, нитридов, карбидов , так и при их вводе размером не больше 1 мкм через шихту порошковой проволоки, а также в виде наноразмерных порошковых инокуляторов.
Развитие работ в этом направлении требует накопления и анализа экспериментальных данных как применительно к номенклатуре низколегированных сталей так и схемам ввода наноразмерных частиц в сварочную ванну.
Цель работы — исследование влияния неметаллических включений на структуру и свойства металла швов при вводе непосредственно порошков нанооксидов в сварочную ванну.
Для выявления общих закономерностей исследования проводились как при сварке низколегированных сталей 09Г2С и 10Г2ФБ проволокой Св-10ХГН2СМФТЮ, так и стали А–514 (18ГСХ- НФ) проволокой Св-09Г2С . Во всех случаях сварку выполняли в смеси газов 72 % Ar + 28 % CO2
на погонной энергии 12,3 кДж/см.
Нанокомпоненты вводились в сварочную ванну в виде лигатуры после прессования и спекания гомогенной смеси порошка железа фракцией 40 мкм и наноразмерных порошков оксидов алюминия или титана (27…41 нм) с заданным объемным соотношением.
Приготовленная лигатура использовалась как расходный электрод заданной длины и диаметра, заложенный в разделку кромок перед сваркой по длине стыка . В этом случае исключалось влияние процессов, связанных с прохождением нанопорошков через дугу.
Исследование структур и неметаллических включений проводили методами оптической и © В.Д. Кузнецов, Д.В. Степанов, 2015 электронной микроскопии с использованием микроскопа NEOPHOT-30, электронного сканирующего микроскопа JSM35CF с приставкой для локального рентгеноспектрального анализа INCA Energy 350, а также компьютерных программ, разработанных в ИЭС им. Е.О. Патона для анализа микроструктурных составляющих и распределения неметаллических включений по размерам и составу. Теплофизические характеристики литого металла исследовали на термоанализаторе DSK 404 F1 фирмы «NETZSCH».
Исследования показали, что количество нанопорошка, вводимого в сварочную ванну приводит к изменению количества неметаллических включений в металле шва.
Зависимость общей объемной доли неметаллических включений от содержания нанооксидов алюминия в сварном шве приведена на рис. 1.
Если в исходном шве доля неметаллических включений составляет 0,45 % то с введением в сварочную ванну нанопорошка оксида алюминия в количестве 0,5 % происходит резкое увеличение объемной доли неметаллических включений до 0,65 %. Введение нанопорошка оксида алюминия в диапазоне от 0,5 до 2,5 об. % не оказывает заметного влияния на объемную долю неметаллических включений. Дальнейшее увеличение более 2,5 % нанопорошка вновь приводит к росту объемной доли неметаллических включений с 0,7 до 0,86 %.
Однако результаты оценки структурных изменений для указанного диапазона вводимых нанооксидов показали, что превышение объемной доли выше 0,5 % не сопровождается существенными структурными изменениями.
Для примера на рис. 2 приведены структуры металла шва при сварке стали 09Г2С для указанного диапазона изменений объемной доли нанопорошка оксида алюминия.
В исходных условиях в металле шва формируется структура, основными составляющими которой являются выделения полигонального феррита, игольчатого и пластинчатого с упорядоченными и неупорядоченными вторыми фазами. Особенностью структуры является наличие укрупненных образований указанных морфологических форм феррита (рис. 2, а). Микротвердость составляющих изменяется от HV 145 до HV 187.
Микроструктура металла шва с добавлением нанопорошка Al2O3 в количестве 0,5% имеет измельченную дисперсную структуру, состоящую в основном из верхнего бейнита, частично нижнего и игольчатого феррита (рис. 2, б). Микротвердость составляющих изменяется от HV 264 до HV 304.
Металл шва с добавлением нанопорошка Al2O3 в количестве 2,5 % объемных долей преимущественно имеет микроструктуру внутризеренного феррита и феррита с упорядоченными и неупорядоченными вторыми фазами (рис. 2, в). Микротвердость составляющих практически не меняется и находится в пределах HV 180…189.
Добавление нанопорошка Al2O3 в количестве 4, 5 % объемных долей приводит к формированию в структуре внутризеренного феррита с выделениями игольчатого и феррита с упорядоченными вторыми фазами (рис. 2, г). Микротвердость составляющих изменяется соответственно от HV 188 до HV 236. Отсюда можно сделать вывод, что основную роль в формировании структуры с повышенными прочностными и вязкими свойствами выполняют введенные только в небольшом количестве (0,5 %) нанооксиды, а повышение их концентрации, видимо, способствует коагуляции и коалисценции с неметаллическими включениями материала во время кристаллизации сварочной ванны и существенного влияния на структурообразование не оказывает.
Действительно, компьютерная обработка результатов распределения неметаллических включений по размеру позволила выделить из общего массива данных три размерных диапазона: включения размера- ми до 0,3 мкм, от 0,3 до 0,8 мкм и более 0,8 мкм.
Характерной особенностью неметаллических включений в металле шва является их меньший размерный диапазон при вводе в сварочную ванну нанооксидов (рис. 3).
Так, если в исходном шве на размерный диапазон 0,1…0,25 мкм приходится от 5 до 10 включений и на диапазон 0,5…1 мкм от 5 до 40 включений, то в случае ввода нанооксида на первый диапазон приходится от 8 до 22 включений и на второй от 5 до 27 включений.
Выявленные закономерности подтверждаются также результатами обработки размеров включений только сферической формы по показателю диаметра равнозначной окружности. Для примера на рис. 4 приведены гистограммы по объемному содержанию и распределению таких включений в металле шва для исходного состояния и с наличием нанооксида титана.
В исходном состоянии без добавления нанопорошка оксида основная часть сферических включе- ний от 4 до 6 % приходится как на диапазон размеров до 0,3 мкм, так и на диапазоны 0,3…0,8 мкм и выше. При этом наблюдаются выделения до 9 % частиц размерами до 0,31…0,37 мкм (рис. 4, а).
При добавлении нанопорошка оксида ТiО2 в количестве 0,5 об. % часть сферических включений как размером до 0,3 мкм, так и в диапазоне 0,3…0,55 мкм возрастает от 6 до 14 %. При этом практически не наблюдается наличие включений с размера- ми больше 0,8 мкм (рис. 4, б).
Результаты локального спектрального анализа химического состава включений показали, что независимо от размера в каждом из них наблюдается существенное повышение концентрации углерода, кислорода, алюминия, серы, титана, марганца. Особенно это заметно для углерода, кислорода, серы (несколько порядков).
Ввод нанооксидов, при сохранении общей картины по составу указанных эле- ментов, несколько изменяет ее в сторону более высокого содержания кислорода, алюминия и титана, что указывает на наличие во включениях оксидов этих элементов.
Анализ тройных диаграмм оксидов систем SiO2–Al2O3–MnO и ТiO2–Al2O3–MnO для наиболее характерного диапазона размера включений 0,3…0,8 мкм также подтверждает повышенное содержание оксидов Al2O3 и ТiO2 (рис. 5).
Так, если в исходном шве значительная часть включений как одной, так и другой системы содержит оксид марганца от 50 до 90 % , оксид алюминия до 40 % и оксид титана до 20 % (рис. 5, а, б), то при введении в сварочную ванну ТiO2 в количестве 0,5% высокое содержание оксида марганца встречается только в единичных включениях, а присутствие во включениях как оксида алюминия, так и титана увеличивается до 55 и 40 % соответственно (рис. 5, в, г).
Таким образом, комплексный анализ включений указывает на существенное отличие их размеров, плотности распределения и состава в металлической матрице при вводе нанооксидов, что оказывает влияние на структуру металла швов.
Действительно, по результатам металлографического анализа установлено, что наиболее распространенными морфологическими формами феррита в структуре металла швов являются блочный феррит (БФ), пластинчатый феррит (ПФ), внутризеренный игольчатый феррит (ИФ), феррит Видманштетта (ФВ), верхний (ВБ) и нижний бейнит (НБ). Процентное содержание каждой из форм в исследованных швах при сварке стали 10Г2ФБ приведено в табл. 1.
Исходная структура сварных швов характеризуется повышенным содержанием хрупких составляющих (блочный феррит, феррит Видманштетта, верхний бейнит) и формированием игольчатого феррита до 10 % с высоким коэффициентом формы (L/B) 4…7 и длиной игл до 20 мкм.
Микроструктура металла шва имеет достаточно высокое содержание внутризеренного полигонального феррита с выделениями по границам зерен аллотриоморфного феррита (рис. 6, а–в). Швы с такой структурой характеризуются низким уровнем вязкости и пластичности металла. Значения микротвердости структурных составляющих изменяются от HV 231 до HV 253.
Структура метала шва с нанооксидом ТiO2 в количестве 0,5 % характеризуется пониженным содержанием хрупких составляющих (блочный феррит, феррит Видманштетта, верхний бейнит) и повышенным содержанием игольчатого феррита до 40 % с более благоприятным коэффициентом формы (L/B) 3…5 и длиной игл до 5 мкм в сравнении с исходной структурой (рис. 6, г–е).
Швы с такой структурой характеризуются сочетанием достаточно высокого уровня показателей вязкости, пластичности и прочности металла. Измерения показали, что значения микротвердости структурных составляющих изменяются от HV 230 до HV 250.
Таким образом, введение в сварочную ванну нанооксидов, в частности титана, приводит к позитивным структурным изменениям с точки зрения формирования вязких морфологических форм феррита, что приводит к повышению механических свойств металла швов (табл. 2).
Как следует из данных табл. 2, наблюдается повышение предела текучести на 157 МПа и прочности на 105 МПа при введении в сварочную ванну нанооксидов титана, при этом ударная вязкость также увеличивается в 2 раза. Таким образом, независимо от марки исследованных низколегированных сталей и типа введенных нанооксидов общим является изменение как размера, плотности распределения и состава включений, так и их положительное влияние на структуру и механические свойства металла швов.
О роли введенных нанооксидов в структурообразовании свидетельствуют также данные термограмм дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Исследования выявили отличия как в температурах плавления, так и кристаллизации металла, модифицированного нанооксидами (табл. 3).
Общей закономерностью является некоторое снижение температур плавления металла швов при введении нанооксидов. Известно, что наноструктурные материалы отличаются существенно более низкой температурой плавления, следовательно, некоторое снижение температур ликвидуса может быть связано с наличием нанооксидов в металле швов. Снижение температуры плавления проявляется по разному для оксидов титана и алюминия. Так, при температуре плавления исходного металла 1543,4 ºС ее снижение до 1535,8 ºС наблюдается при введении0,5 % TiO2 и в большей степени до 1522,5 ºС при 1 % Al2O3.
В то же время, за исключением 1% Al2O3, наблюдается повышение температур кристаллизации металла швов, модифицированных нанооксидами. При этом общей закономерностью является, независимо от исследованного диапазона изменений объемной доли введенных нанооксидов, уменьшение интервала кристаллизации модифицированного металла. Так, если для исходного металла он составляет 43,9 ºС, то наблюдаемое уменьшение для исследованного диапазона изменений каждого из нанооксидов практически одинаково и для оксида алюминия составляет ΔТ = 23,3 ºС, для оксида титана ΔТ = 11,8 ºС.
Отсюда можно сделать вывод, что действие нанооксидов проявляется уже на стадии кристаллизации, изменяя ее условия в сторону более ускоренного прохождения, возможно как следствие появления на включениях дополнительных центров зародышеобразования, то есть их действия как модификаторов 2-го рода.
На данном этапе исследований не представляется возможным дать однозначную трактовку роли нанооксидов в механизме управления структурообразованием металла швов. Их роль может также проявляться как модификаторов 3-го рода (инокуляторов), которые находясь в расплаве и отбирая тепло на собственный нагрев и, при определенных условиях, расплавление снижают температуру расплава, что приводит к росту скорости кристаллизации. Кроме того, как установлено в работах ИЭС им. Е.О. Патона, их воздействие может также проявляться и на этапе вторичной кристаллизации, влияя на устойчивость аустенита к превращению.
Накопление и анализ экспериментальных данных в этом направлении работ позволит выделить наиболее существенные стороны проявления неметаллических включений, в том числе наноразмерного диапазона, на структурообразование сварного шва.
Выводы
Показано, что увеличение объемной доли введенных в сварочную ванну нанооксидов от 0,5 до 4,5 % при- водит к увеличению от 0,46 до 0,87 общей доли неметаллических включений в металле шва, при этом существенные структурные изменения проявляются при вводе объемной доли нанооксида, не превышающей 0,5 %. Характерным в этом случае является увеличение доли включений в малом размерном диапазоне 0,07…0,5 мкм. В металле швов, модифицированных нанооксидами включения содержат повышенное содержание кислорода, алюминия и титана, что указывает на их преимущественный состав из оксидов этих элементов.
Введение нанооксида титана способствует сни-жению хрупких составляющих феррита и повышению содержания игольчатого, что приводит к повышению механических свойств металла швов, в частности ударной вязкости. Введение нанооксидов уменьшает интервал кристаллизации металла швов, что может свидетельствовать о их действии как модификаторов 2–го рода.
Источник: журнал "Автоматическая сварка"
Просмотров: 1878
Распечатать