НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КАБАЦЬКИЙ Олексій Володимирович

УДК 621.791.75.01:669.15.018.8 – 194.3

ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ ПРОТИ ХОЛОДНИХ ТРІЩИН ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ СЕРЕДНЬОВУГЛЕЦЕВИХ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Карпенко Володимир Михайлович, Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ), завідуючий кафедрою

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лебедєв Юрій Михайлович, Національний університет кораблебудування (м. Миколаїв), професор кафедри

кандидат технічних наук, Поздняков Валерій Дмитрович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона, завідуючий відділом

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь)

Захист відбудеться 21.03.2005 року о 14 на засіданні спеціалізованої ради Д26.002.15 по присудженню вченого ступеню кандидата технічних наук у Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано 20.02.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

доктор технічних наук, професор Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як відомо, при виробництві зварних конструкцій і вузлів у машинобудуванні широке застосування знаходять низько- і середньолеговані сталі перлітного і бейнітно-мартенситного класів (наприклад, 20ХН3МА, 25ГСМА, 35ХМ, 33ХСН2МА й ін.). Відомо, що прагнення забезпечити рівноміцність металу шва основному металу часто збільшує схильність до утворення холодних тріщин у металі шва і ЗТВ для з'єднань даних сталей. При цьому в ряді випадків (при виготовленні, монтажі і ремонті великогабаритних виробів) застосування розроблених до дійсного часу заходів боротьби з утворенням тріщин є важким через специфіку цих робіт, технологічних і економічних особливостей, погіршення умов праці зварювальників. Необхідно також відзначити відсутність повної єдності в поглядах дослідників на особливості утворення холодних навколошовних тріщин, зокрема, на область найбільш ймовірного їхнього зародження, а також на роль окремих факторів у цьому процесі.

Важливим моментом при зварюванні сталей, що гартуються, є також досягнення оптимального сполучення механічних властивостей металу швів і його стійкості проти холодних тріщин. Відомо, що рішення поставленої проблеми є безпосередньо взаємозалежним з досягненням поліпшення структури наплавленого металу. Разом з тим, обмежені дані про вплив комплексного легування і деяких елементів в його складі на механічні властивості і стійкість проти холодних тріщин.

Усе це робить подальші дослідження, спрямовані на ефективне запобігання утворенню холодних тріщин при зварюванні та ремонті виробів з середньовуглецевих низьколегованих сталей дуже актуальними.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до тематичних планів ДДМА 1996-2000 рр. у рамках госпрозрахункових науково-дослідних робіт, в тому числі:

· НДР/ДДМА №ГР U000703 “Дослідження і розробка зварювальних матеріалів для зварювання високоміцних сталей, які загартовуються”.

Мета роботи: визначення можливого способу ефективного підвищення стійкості проти холодних тріщин та розробка нових електродних матеріалів, що дозволяють без використання додаткових технологічних мір ефективно запобігати утворенню холодних тріщин у зварних з'єднаннях ряду середньовуглецевих низьколегованих сталей.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі були вирішені наступні задачі:

а) вибір перспективної легуючої основи на підставі оптимізації сполучення механічних властивостей металу високоміцних низьколегованих зварних швів і їхньої стійкості проти холодних тріщин;

б) на підставі вивчення особливостей зародження відколів визначення можливого способу ефективного підвищення стійкості проти утворення холодних навколошовних тріщин сталей, що гартуються;

в) розробка електродів для ручного дугового зварювання та ремонту виробів з ряду застосовуваних на виробництві середньовуглецевих низьколегованих сталей;

г) лабораторна перевірка і промислове впровадження розроблених електродів.

Методи досліджень. Механічні властивості металу шва оцінювали з використанням стандартних методів механічних випробувань (ГОСТ 6996 – 66). Стійкість проти утворення холодних тріщин визначалася з застосуванням технологічних проб Теккен, методу Implant і „жорстких” галузевих технологічних проб. Для вивчення структури зварних з'єднань використані сучасні методи оптичної металографії, електронної мікроскопії, хімічного і спектрального аналізів. Відбувалося також якісне вивчення форми і розподілу включень, кількісне визначення об'ємної частки включень і їхнього розмірного розподілу стосовно одиниці площі перетину шліфа (зокрема, металу шва). Зміст дифузійного водню в наплавленому металі оцінювали за допомогою гліцеринової проби. Методики проведення досліджень, що застосовувались у роботі, базувалися на використанні сучасних приладів. У роботі використовувалися методи математичної статистики і планування експериментів. Результати експериментів оброблялися на ПЕОМ.

Об'єкт досліджень – фактори, що визначають утворення холодних тріщин у металі шва і ЗТВ зварних з'єднань високоміцних сталей, що гартуються, і технологічні способи, що забезпечують одержання якісних бездефектних виробів з високоміцних сталей, що гартуються.

Предмет досліджень – стійкість зварних з'єднань проти холодних тріщин, механічні властивості, структурні перетворення на ділянці великого зерна ЗТВ під впливом термічного циклу зварювання, зміст у металі швів дифузійно-рухливого водню, характеристики структури і морфології неметалічних включень різних ділянок металу зварних з'єднань, зварювально-технологічні властивості покритих електродів для ручного дугового зварювання.

Наукова новизна отриманих результатів

Показано, що умовою створення високоміцного низьколегованого металу шва, що має оптимальні механічні властивості і задовільну стійкість проти утворення холодних тріщин є забезпечення диспергування первинної і вторинної структури, а також рівномірний розподіл дрібнодисперсних фаз виділення і неметалічних включень. Зазначена умова досягається за рахунок вибору легуючої основи металу шва типу 10ХГНМТ (0,08...0,10; 0,4...0…0,6%Si; 1,4…1,6%Mn; 1,3…1,5%Ni, (можливе співвідношення 0,5...0,6%Mn і 2,8...3,0%Ni); 0,5…0,6%0,3…0,4%0,15…0,20%Ti), модифікованої ванадієм (0,05...0,15%V)

Встановлено, що істотно стабілізувати ефект підвищення стійкості зварних швів проти утворення холодних тріщин зі збереженням гарного сполучення механічних властивостей дозволяє введення в метал швів ванадію в сполученні з азотом (0,025…0,035%N, 0,1…0,15%V), що сприяє більш значному диспергуванню структури і стимулює переважне утворення у вторинній структурі голчастого фериту.

Вперше встановлено, що висока стабільна стійкість проти холодних навколошовних тріщин досягається при спільній добавці в метал зварних швів азоту, ванадію і церію (0,025…0,035%N, 0,1…0,15%Vі 0,05...0,1%Се) при співвідношенні добавок азоту, ванадію і церію, яке складає ((V) (N))/(Се) = 2,5...4, де (V), (N) – загальні частки добавок азоту і ванадію; (Се) – кількість введеного в метал церію.

Встановлено, що сприятливий вплив на тріщиностійкість модифікування нітридами ванадію і церієм має комплексний характер. Особливо чітко цей вплив виявляється в зміні структури, морфології і розподілу неметалічних включень перехідної ділянки зварних з'єднань – зони, де створюються досить сприятливі умови для зародження і розвитку холодних навколошовних тріщин (“відколів”).

Практична цінність і реалізація наукових результатів роботи.

1. Отримано необхідне співвідношення добавок легуючих і модифікуючих елементів, що забезпечує стабільне одержання оптимального сполучення механічних властивостей низьколегованого високоміцного металу зварних швів і його стійкості проти холодних тріщин.

2. На підставі досліджень розроблені основні принципи легування і модифікування, що забезпечують одержання високої опірності утворенню холодних навколошовних тріщин у зварних з'єднаннях сталей, що гартуються.

3. Розроблено склади фтористо-кальцієвих електродів для зварювання і ремонту виробів з високоміцних сталей, що гартуються, із межею текучості 400...800 МПа.

4. Розроблені електродні матеріали пройшли ретельну лабораторну перевірку і промислові випробування, на підставі результатів якої електроди рекомендовано до широкого впровадження при зварюванні і ремонті виробів зі сталей, що гартуються, на машинобудівних підприємствах регіону.

Апробація роботи. За результатами досліджень опубліковано 7 робіт, отримано патент “Спосіб зварювання сталей, що гартуються”. Основні результати роботи доповідалися на конференціях “Нові науково-технічні досягнення в області зварювання і споріднених технологій” (Миколаїв, 1999), “Проблеми техніки, технології, і економіки машинобудівного виробництва” (Краматорськ, 1996), “Проблеми технології, керування й економіки” (Краматорськ, 1999), “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (Харків, 2003), науковому семінарі “Сучасні досягнення в області зварювання, наплавлення і споріднених технологій”, (Маріуполь, 2000), наукових конференціях ДДМА.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові і практичні результати дисертації, що виноситься на захист, розроблені і отримані особисто здобувачем та у співавторстві. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автором дисертації проведені планування і виконання експериментів, розроблені методики, проведено моделювання впливу змін у легуванні та модифікуванні на характеристики зварних швів, виконано аналіз і узагальнення отриманих результатів, прийнята участь у впровадженні отриманих результатів у виробництво. Використання запропонованих автором електродних матеріалів дозволяє забезпечити значну економію матеріальних і трудових ресурсів.

Основними співавторами опублікованих робот були кандидати техн. наук Кабацький В.І. і Карпенко В.М. Спільно зі співробітниками Донбаської державної машинобудівної академії здійснювалися дослідження зварювально-технологічних властивостей та лабораторні випробування розроблених електродів, спільно зі співробітниками лабораторії електродугового зварювання ЗАО НКМЗ – промислові випробування розроблених електродів.

Публікації. Результати дисертаційного дослідження відображено у 8 публікаціях: 5 статтях у фахових виданнях, 1 патенті України, 2 тезах доповідей на міжнародних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури, додатків. Загальний обсяг роботи – 210 сторінок. Дисертація містить 36 малюнків, 48 таблиць, список використаної літератури з 181 найменувань, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані її мета і задачі, наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі розглядається стан питання з проблем зародження холодних тріщин, загальні питання оптимізації механічних властивостей низьколегованого високоміцного металу зварних швів і основних факторів, що визначають характер кінцевої структури металу і його властивості. Розглянуті також сучасні дані щодо основних напрямків розробки електродів для зварювання високоміцних сталей, що гартуються. На підставі проведеного огляду визначено основну мету і задачі досліджень.

Холодні тріщини, як відомо, є найбільш розповсюдженим дефектом при зварюванні легованих сталей. Вивченню механізму й особливостей їхнього виникнення присвячено багато робіт дослідників з різних країн. У рішення проблеми зварювання таких сталей внесли великий внесок вітчизняні і закордонні вчені А.М. Макара, Б.С. Касаткін, В.Ф. Мусіяченко, Ю.А. Стеренбоген, В.В. Підгаєцький, Л.І. Міходуй, Н.Н. Прохоров, Е.Л. Макаров, І. Гривняк, та ін. Розроблені на базі цих досліджень рекомендації широко використовуються при виготовленні конструкцій з високоміцних сталей. Однак, у ряді випадків (при виготовленні, монтажу і ремонті великогабаритних конструкцій) застосування цих рекомендацій є скрутним через специфіку названих робіт, технологічні і економічні міркування, погіршення умов праці зварювальників. Не можна не відзначити також деяких протиріч у поглядах дослідників на особливості утворення холодних навколошовних тріщин, зокрема, на область найбільш ймовірного їх зародження, а також на роль окремих факторів у цьому процесі.

Важливим моментом у відношенні експлуатаційних характеристик зварних швів з'єднань сталей, що гартуються, є також досягнення оптимального сполучення механічних властивостей металу швів і його стійкості проти холодних тріщин. Практика досліджень показує, що рішення поставленої проблеми є безпосередньо взаємозалежним з досягненням поліпшення структури наплавленого металу. Разом з тим, більшість даних про вплив комплексного легування й окремих елементів на механічні властивості і схильність до утворення тріщин в швах є обмеженими і зводяться, в основному, до порівняння в даному плані різних систем легування.

Виходячи з вищесказаного, основною метою роботи, що представляється, є визначення можливого способу ефективного підвищення стійкості проти холодних тріщин та розробка нових електродних матеріалів, що дозволяють без використання додаткових технологічних мір ефективно запобігати утворенню холодних тріщин у зварених з'єднаннях ряду середньовуглецевих низьколегованих сталей, забезпечувати оптимальні механічні властивості, а також мати задовільні зварювально-технологічні властивості.

У другому розділі наводиться опис методик, використаних у ході роботи. Обґрунтовано вибір якісного та кількісного способів випробування стійкості проти холодних тріщин, названо та описано інші методики.

Серед якісних та напівкількісних способів оцінки схильності до утворення холодних тріщин було обрано пробу Теккен. Як критерій оцінки стійкості проти холодних тріщин було використане порівняльне визначення тривалості інтервалу, що фіксувався з моменту закінчення зварювання до виходу тріщини на поверхню зразка. Це було зроблено виходячи з необхідності досягнення досить високої чутливості, а також зі здатності реагувати на зміну в дії різних факторів, що визначають протікання процесу утворення тріщин, а також на параметри режиму зварювання. Названий спосіб також відрізняється простотою і відносно невисокою трудомісткістю, що полегшує його застосування при випробуванні великих серій зразків. Проби збиралися з пластин стали товщиною 15 і 20 мм із постійним зазором 2 мм на ділянці контрольного шва. Контрольний шов виконувався випробовуваним електродом діаметром 4 мм за один прохід на режимі Iзв .= 160...180 А, Uд. = 22...24 В. Кожним варіантом електродів зварювалося по 3...5 проб Теккен.

При порівнянні стійкості проти холодних тріщин розроблених електродів із стандартними в роботі використовувався кількісний метод Імплант. Даний метод характеризують висока чутливість, малий розмір вставки, можливість дослідження характеру ТЦЗ при однаковому хімічному складі металу вставки, незалежність напруг, що прикладаються, від складу і режиму зварювання, що дозволяє не враховувати вплив залишкових напруг у з'єднанні. Зразок-вставку вирізали з пластин сталі 35ХМЛ товщиною 15 мм. Вкладиш виготовляли діаметром 6 мм відповідно до рекомендацій для зварювання на малих погонних енергіях. Надріз на вставці виконували у виді гвинтової канавки довжиною близько 10 мм і кроком 2 мм. Пластини під наплавлення виготовляли зі сталі ВСт3 товщиною 20 мм. Наплавлення здійснювалося ручним дуговим зварюванням досліджуваними електродами діаметром 4 мм на режимі Iзв.=160...180 А, Uд.=22...24 В.

При вивченні особливостей перетворень в структурі ЗТВ методом високотемпературної металографії досліджувалися зразки з одношарових з'єднань стали 33ХСН2МА. При цьому в зразках, оброблених по термічному циклу, близькому до зварювального (нагрів до 12000С зі швидкістю 100 0С/с, витримка 15 с, охолодження зі швидкістю 7 – 10 0С/с) здійснювалося фіксування змін структури ділянки великого зерна ЗТВ. При охолодженні до 2000С відбувалася ініціація руйнування зразків шляхом їх уповільненого розтягуючого навантаження, що створює в металі зразка напруги, що досягають 550 - 600 МПа .

Для вивчення структури зварних з'єднань використані сучасні методи оптичної металографії, електронної мікроскопії з використанням просвічуючого мікроскопу, хімічного і спектрального аналізів. Для підтвердження металографічних спостережень здійснювався також вимір мікротвердості металу досліджуваної ділянки на твердомірі ПМТ  М при навантаженні 100 Н. Відбувалося також якісне вивчення форми і розподілу включень, кількісне визначення об'ємної частки включень і їхнього розмірного розподілу стосовно одиниці площі перетину шліфа (зокрема, металу шва) відповідно до ГОСТ 1778-70 (метод П). Розподіл по розмірах визначався за допомогою телевізійного мікроскопа “Quantimet – 720”. Зміст дифузійного водню в наплавленому металі оцінювали за допомогою гліцеринової проби.

У третьому розділі викладено результати досліджень по вибору оптимальної легуючої основи на базі досліджень по отриманню оптимального сполучення механічних характеристик низьколегованого високоміцного металу зварних швів і їхньої стійкості проти холодних тріщин у взаємозв'язку з мікроструктурою металу і морфологією неметалічних включень. Розроблено математичну модель, що визначає залежність механічних властивостей металу шва і його стійкості проти холодних тріщин від концентрації у шві легуючих і модифікуючих елементів. Вивчено вплив характеру модифікування на тріщиностійкість зварних швів, встановлена наявність у модифікованому азотом і ванадієм металі швів нитридів ванадію і їх вплив на структуру і властивості металу.

Для визначення базових принципів легування на прикладі з'єднань стали 25ГСМА експериментально вивчалася залежність характеристик міцності, пластичності, в'язкості, а також стійкості проти холодних тріщин від хімічного складу металу шва.

При проведенні досліджень зміст легуючих елементів у наплавленому металі варіювався в наступних межах: 0,05...0,150,5...2,00...2,00,5...3,00,2...0,80...0,30...0,3Встановлено, що за рахунок ускладнення легування швів можна помітно (до 800   МПа) збільшити міцність металу шва. У той же час оцінка стійкості швів проти холодних тріщин показує, що з підвищенням міцності металу шва стійкість його проти тріщин помітно знижується. Так, при міцності металу більш 600   МПа у випадку легування елементами, що підвищують ступінь стійкості аустеніту, задовільної стійкості металу шва проти холодних тріщин досягти практично не вдається.

Аналіз результатів випробувань досліджуваних електродів показав, що для створення високоміцного низьколегованого металу шва, що має задовільну стійкість проти утворення холодних тріщин кращим є введення до швів типу 10ХГНМТ малих кількостей ванадію. При оптимальному змісті ванадію в електродному дроті (0,05  ,15%) появи тріщин у швах можна уникнути. Концентрація інших елементів при цьому повинна знаходитися в межах 1,5 – ,7; 1,3 – ,5; (можливе сполучення 0,5  ,6і 2,8  ,0; до 0,3  ,4; 0,5  ,6

Концентрація титану в електродах повинна обов'язково обмежуватися 0,15  ,20Надлишок титану приводить до істотного падіння стійкості проти утворення тріщин, що може бути зв'язане з розвитком важко контрольованого процесу утворення прикордонних сегрегацій нітридних і карбонітридних фаз, що містять титан і ванадій.

Металографічні дослідження мікроструктури металу шва показали, що шви з оптимальним сполученням механічних характеристик і високою стійкістю проти тріщин мають переважно дрібноосередчасту дезорієнтовану первинну структуру. При цьому створюються умови для відносно рівномірного розподілу дрібнодисперсних фаз виділення і неметалічних включень, що можуть служити центрами активного внутрішньозеренного зародження структурних складових. Вторинна структура таких швів являє собою дисперсну суміш, що складається, очевидно, з нижнього бейниту і голчастого фериту (до 45 – 60%) – найбільш сприятливої за механічними властивостями мікроструктури для низьколегованого металу швів.

Продовженням досліджень з вибору оптимальних параметрів комплексного легування стало створення математичної моделі, що описує вплив характеристик легування на властивості наплавленого металу високоміцних низьколегованих зварних швів. Оцінювався вплив чотирьох факторів: змісту нікелю, молібдену, а також титану і ванадію. Як відгуки були обрані межа міцності металу шва (в,), його в'язкість при температурі 200С (КCU+20), а також показник схильності до утворення холодних тріщин = 1 / t, де t – час до виходу тріщини на поверхню проби Теккен. Змінення факторів здійснювалося з наступними інтервалами варіювання 0,3% - для нікелю і молібдену; 0,1% – для титану і ванадію. Як основний рівень приймалися наступні параметри:  ,1 С; 1,5;  ,3; 1,5; 0.5; 0,15 Ti; 0,15

За результатами випробувань було обчислено коефіцієнти рівнянь регресії. Остаточно рівняння регресії мають такий вигляд:

в. = 844 + 14,75х1 + 14х2 + 24,13х3 + 14,75х4 + 8,125х1х3 + 2,75х1х4 +
+ ,125х2 х3 + 3,75х2 х4 + 2,375х3х4 (1);

КСU+20 = 81 – 0,375 х1 – 1,5х2 + 0,625х3 + 1,125х4 – 2,375х1х3 – ,5х1х4 –
– ,875х2 х3 – 1,125х2 х4 – 6х3х4 (2);

= 0,864 + 0,415х1 – 0,086х2 + 0,211х3 – 0,031х1х2 – 0,099х1х30,083х1х4 +
+ ,171х2 х3 – 0,085х2 х4 – 0,525х3х4 (3).

Аналіз отриманих за наведеними рівняннями поверхонь відгуку, показує, що найбільш оптимальні характеристики в'язкості металу шва і його стійкості проти тріщин у сполученні з підвищенням міцності на 40 – 60 МПа (мал. , а) досягаються при роздільному модифікуванні титаном чи ванадієм. Видно також, що модифікування ванадієм підвищує опірність тріщинам більш ефективно (див. мал. 1, в), що, мабуть, зумовлюється його меншою активністю до кисню і вуглецю, а також більш близькими параметрами кристалічної ґратки нітридів ванадію та кристалічної ґратки фериту.

Разом з тим, випробування показують, що й у випадку оптимального легування існує проблема стабілізації результатів. Обумовлене це, імовірно, тим, що стабільність досліджуваних показників значним образом залежить від розвитку ефекту модифікування, а також від умов зварювання, зокрема, від швидкості охолодження металу.

Для розв’язання даної проблеми були здійснені дослідження впливу сумісного модифікування нітридотвірними елементами (насамперед, ванадієм) а також азотом на механічні властивості високоміцних зварних швів та їх тріщиностійкість. Досліджувалися низьколеговані шви з введенням азоту (типу 10ХГНМАФ, 10ХГНМАФТ, 10ХГНМАФЮ) у порівнянні зі швами типу 10ХГНМТФ. Досліджувалися шви, виконані на сталі 25ГСМА електродами з покриттям основного виду. Легуючі елементи вводилися через стержень електродів, модифікуючі елементи - через електродне покриття у вигляді феросплавів.

Як показали випробування, модифікування призводить до одержання досить високих стабільних меж міцності і текучості металу швів (відповідно 740  і 860 –  МПА для шва 10ХГНМАФ) при незначній зміні їхньої пластичності і в'язкості.

При вивченні стійкості проти тріщин встановлено, що добавлення в метал ванадію без введення азоту не дозволяє у всіх випадках запобігти утворенню тріщин у пробах. При випробуваннях металу з введенням азоту результати істотно відрізняються. Так, у зварних швах з азотом і ванадієм, введених в межах 0,025 – 0,035% та 0,1 – 0,15% спостереження за поверхнею зразків з наступним розрізанням на темплети і вивченням макрошліфів не виявили тріщин у металі з'єднань. При цьому додаткове введення в модифікований азотом і ванадієм наплавлений метал титану або алюмінію значно знижує тріщиностійкість металу.

Встановлений ефект підвищення стійкості проти тріщин, очевидно, пов'язаний зі створенням сприятливих умов для утворення нітридної фази на основі ванадію. Про її наявність у металі дозволяють говорити термодинамічні розрахунки, а також якісний рентгеноструктурний аналіз, проведений у діапазоні кутів найбільш ймовірного виявлення нітридів ванадію.

Сприятливий вплив оптимального модифікування азотом та ванадієм виявляється насамперед у диспергуванні первинної структури (мал. 2, а), переважному формуванні голчастого фериту у вторинній структурі (до 70 – 80%) (мал. 2, б), диспергуванні та більш рівномірному розподілі неметалічних включень (мал. 3).

У четвертому розділі розглянуті результати досліджень особливостей зародження і розвитку холодних навколошовних тріщин у металі з'єднань. На підставі цих досліджень вивчено вплив характеру модифікування металу низьколегованих швів на стійкість з'єднань проти холодних навколошовних тріщин-відколів з визначенням найбільш оптимального варіанта і параметрів модифікування. Наведено дослідження впливу оптимального модифікування на основні фактори, що визначають утворення відколів.

Мал. 2. Структура наплавленого металу, модифікованого ванадієм і азотом: а) первинна,  50; б) вторинна,  1500.

Розглянуті вище дослідження з оптимізації механічних властивостей і тріщиностійкості високоміцного низьколегованого металу зварних швів дозволили визначити оптимальні добавки легуючих та модифікуючих елементів у наплавлений метал при зварюванні низьколегованих сталей, що містять до 0,2 0,25С. Разом з тим, слід зазначити, що при зварюванні сталей з більш високим змістом вуглецю (особливо, вище 0,3 С) на перший план виходить проблема утворення відколів – тріщин у зоні термічного впливу з'єднань. Як показали випробування, при зварюванні сталей даної групи використання визначених співвідношень легування і модифікування не дозволяє одержати досить стійких до утворення відколів з'єднань.

Мал. 3. Неметалічні включення в модифікованому металі швів при модифікуванні ванадієм і азотом, 1500

З урахуванням сказаного для підвищення стійкості проти холодних тріщин при зварюванні середньовуглецевих низьколегованих сталей типу 30ХГСА, 33ХСН2МА, 35ХМ і ін. були проведені додаткові дослідження особливостей зародження і поширення руйнування і, зокрема, відколів у зварних з'єднаннях цих сталей.

Існує думка, що дуже сприятливі умови для утворення холодних тріщин створюються на оплавлених межах зерен ділянки ЗТВ, що примикає до основного металу (т. зв. ділянки підплавлення). Разом з тим вивчення особливостей стану металу перехідної зони (ступеня дефектності ґратки, насиченості воднем та іншими домішками) дозволяє з великою підставою думати, що лінія сплавлення, тобто ділянка, яка формується з металу, що піддавався при зварюванні повному чи частковому розплавлюванню, може відігравати помітну роль у механізмі утворення холодних навколошовних тріщин.

Детальне вивчення траєкторії розповсюдження тріщин у пробах Теккен показало (мал. ), що тріщини дуже часто мають змішаний характер, спостерігається проникнення тріщин з металу шва в навколошовну зону і навпаки. При цьому необхідно відзначити, що руйнування в багатьох випадках захоплює ділянку сплавлення з'єднань, що зазнає повну чи часткову перекристалізацію при зварюванні. Досить часто також спостерігається зародження мікротріщин саме в перехідній зоні на наявних тут дефектах (непроварах, включеннях і т. ін.). У багатьох випадках утворення тріщин спостерігається на ділянках з підвищеним змістом плівкових і стрічкових включень, що, очевидно, є легкоплавкими сульфідними евтектиками.

Мал. . Ділянки поширення навколошовної холодної тріщини по зоні сплавлення зварного з'єднання стали 33ХСН2МА з низьколегованим швом ( ): а – по межі сплавлення з боку шва; ; б – з боку ділянки неповного розплавлювання.

Для доповнення матеріалів, отриманих шляхом металографічних досліджень, нами також здійснювалися спостереження за процесом пластичної деформації і наступного руйнування зразків, вирізаних у поперечному напрямку з реальних зварних з'єднань. Дані дослідження проводилися з використанням установки високотемпературної металографії “Ала-Тоо”. Для досліджень використовували зразки, виготовлені з одношарових стикових зварних з'єднань середньолегованої високоміцної сталі 33ХСН2МА.

Металографічні дослідження показали (мал. 5), що у багатьох випадках після термообробки зразка відповідно до термічного циклу, близького до термічного циклу зварювання, у металі спостерігалася поява надривів на ділянці сплавлення з'єднання. Подальший розвиток руйнування також у багатьох випадках відбувався по зоні сплавлення. Отримані результати дають можливість припустити, що вплив на структуру і властивості даної ділянки може істотно впливати на стійкість проти тріщин.

Для рішення даної проблеми досліджувалося комплексне мікролегування зварних швів, при якому в якості модифікаторів використовуються азот і мікродобавки активних карбідо- і нітридотвірних елементів (ванадію, титану, бору, алюмінію). Здійснювалося також введення в наплавлений метал добавок поверхнево-активних елементів (церію, кальцію) для впливу, насамперед, на особливості перебування присутніх у металі домішок (сірки, фосфору, водню, кисню й ін.), а також на морфологію неметалічних включень. Вплив комплексного мікролегування оцінювалося на прикладі добавки у покриття фтористо-кальцієвих електродів типу УОНІІ при наступних концентраціях в швах легуючих та мікролегуючих елементів: 0,09...0,11% С; 1,0...1,5% Mn; 0,4…0,6%; 0,1…0,3%; 1,0…1,5%; 0,4…0,6%; 0…0,10%Ti; 0...0,15%Al; 0...0,15%V; 0,015…0,025%; 0…0,005%; 0…0,15%; 0…0,05%.

Мал. 5. Зародження руйнування в перехідній зоні зразків, що навантажуються ( )

Аналіз отриманих результатів показує (мал. 6), що за рахунок оптимального сполучення поверхнево-активних мікролегуючих добавок вдається досягти цілком задовільної, однак недостатньо стабільної, стійкості проти тріщин (варіанти 1, 3, 7) при досить високій міцності метала шва. Навпроти, підвищення змісту активних фазотвірних елементів (наприклад, бору – варіанти 2 і 8, титану – варіант 6, алюмінію – варіант 4) веде до істотного падіння стійкості проти тріщин-відколів.

Найбільш стабільний ефект модифікування спостерігається при спільному легуванні швів ванадієм, азотом і РЗМ (вариант 10). При цьому тріщин у пробах Теккен вдається уникнути й у випадку тиражування електродів. У той же час, як показують дослідження, позитивна дія модифікування виявляється тільки при строго визначеному співвідношенні модифікаторів. Було знайдено, що оптимальним є введення 0,1 – 0,15% ванадію та 0,015 – 0,035% азоту при співвідношенні добавок нітридів і церію ((V) (N))/(Се) = 2,5...4, де (V), (N) – загальні частки добавок азоту і ванадію; (Се) – кількість введеного в метал церію.

Для пояснення отриманих результатів виконувалося детальне дослідження зварних з'єднань, виконаних розглянутими варіантами електродів. Дослідження включало вивчення характеру розпаду аустеніту в ОШЗ, аналіз характеру руйнування в пробах Теккен і зразках для високотемпературних досліджень, що піддаються при охолодженні дії розтягуючих напруг, вивчення структури металу і морфології неметалічних включень у зварному з'єднанні методами оптичної й електронно-мікроскопічної металографії, визначення змісту дифузійно-рухливого водню методом гліцеринової проби.

При вивченні ходу перетворень у зразках спостерігалося бейнитно-мартенситне перетворення (початок при 340...3300С) з утворенням переважно суміші нижнього бейниту і відпущеного мартенситу (середній бал первинного аустенітного зерна 5 - 6). Така структура є сприятливою для високоміцного металу зварних з'єднань, оскільки має досить високі пластичність, в'язкість і опірність крихкому руйнуванню.

Разом з тим, експерименти показують що при дуже близьких параметрах перетворення (Бн = 330 – 3600 С; Мн = 320 – 3500 С; Мк = 200 – 2600 С) з'єднання можуть досить істотно відрізнятися за стійкістю проти відколів (наприклад, варіанти 2 і ). Таким чином, вивчення особливостей структури ділянки великого зерна не дозволяє однозначно пояснити причини різної стійкості розглянутих з'єднань проти утворення холодних тріщин.

Зіставлення вимірів вмісту дифузійного водню при зварюванні досліджуваними електродами носило порівняльний характер. Воно показує, що вміст водню мало відрізняється і у всіх випадках відносно невелике (не перевищує 1,6 - 2,0 мл/100г. наплавленого металу). З огляду на істотні розходження розглянутих варіантів по показниках стійкості проти тріщин при близьких значеннях вмісту водню, можна твердити, що водень при такому вмісті не має вирішального впливу на стійкість проти відколів. Разом з цим, слід відзначити, що більш точно на дане питання може дозволити відповісти лише вивчення кінетики виділення водню в зварному з'єднанні.

Мал. . Неметалічні включення в зварних з'єднаннях стали 33ХСН2МА зі швом 10ХГНМАФЧ (?1500).

У багатьох дослідженнях виявлена також помітна роль неметалічних включень у механізмі утворення холодних тріщин на ділянці зони сплавлення. Металографічні дослідження зони сплавлення розглянутих у даній роботі зварних з'єднань за допомогою оптичної й електронної мікроскопії показують, що при оптимальному модифікуванні тут переважають рівномірно розподілені глобулярні включення (мал. 7). Включення розташовуються, здебільшого, у тілі зерна, причому спостерігається збільшення кількості дрібних включень (мал. 8, а). Останнє випливає також з підрахунку кількості включень з розподілом по розмірах. У випадку відхилення від оптимального модифікування характер розподілу включень змінюються: помітні скупчення включень спостерігаються по межах зерен (мал. 8, б). Відмічені включення є, вірогідно, комплексними з'єднаннями мікролегуючих добавок з киснем, азотом, вуглецем і сіркою. Як відомо, при досить високій концентрації напруг включення можуть бути місцями зародження зернограничного прослизання, що сприяє утворенню зародків холодних тріщин в умовах зварювального термодеформаційного циклу. Холодні тріщини можуть зароджуватися і від гарячих мікронадривів, що проходять по скупченнях включень несприятливої форми, які виділяються з маткового розчину в процесі кристалізації в зоні контакту рідкого і твердого металу.

Одним з можливих пояснень суттєвого впливу на стійкість проти утворення навколошовних тріщин оптимального модифікування може також, очевидно, служити вплив мікролегуючих добавок на структуру металу і характер включень зони сплавлення і ділянки підплавлення, що примикає до неї. Останнє, мабуть, зумовлене дифузією, що особливо інтенсивно протікає при контакті розплавленого металу ванни з ділянкою підплавлення. Проникнення по межах зерен, що підправляються, поверхнево-активних елементів (зокрема, церію) може обумовлювати зменшення розміру зерна і ступені травимості меж зерен (мал. 9). Можливість такого проникнення обумовлена здатністю церію утворювати твердий розчин у залізі, а також високою поверхневою активністю і переважною схильністю до адсорбції атомів церію в порівнянні з іншими елементами.

Мал. . Електронно-мікроскопічне дослідження структури наплавленого металу, що примикає до границі сплавлення (?6000): а – зі швом 10ХГНМАФЧ;

б – зі швом 10ГНМТРЮЧ.

Мал. . Первинна структура металу перехідної зони зварених з'єднань ( ): а – зі швом типу 10ХГНМТФ; б – типу 10ХГНМАФЧ

Таким чином, отримані нами результати досліджень дозволяють пояснити досягнуте підвищення стійкості проти відколів. Ці результати були реалізовані при розробці низьколегованих електродів для зварювання та ремонту конструкцій з високоміцних сталей.

П’ятий розділ присвячений питанням розробки складу покриття електродів для зварювання високоміцних сталей, що гартуються. Викладено рекомендації з технічних умов виготовлення електродів, особливостей зварювання виробів. Наведено результати дослідно-промислової перевірки розроблених електродів і розрахунок передбачуваного економічного ефекту від їх впровадження.

Розробка низьколегованих електродних матеріалів проводилася з урахуванням виробничих потреб ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (НКМЗ) для зварювання та виправлення дефектів без підігріву у великогабаритних виливках зі сталі 35ХМЛ. Для усунення дефектів лиття на заводі застосовуються електроди УОНІІ /55, технологія передбачає використання попереднього підігріву і подальшої термічної обробки виливок. Параметри легування при розробці були скоректовані виходячи з одержання ощадливо легованого наплавленого металу з механічними характеристиками, що відповідають пропонованим за технологією підприємства вимогам.

На підставі отриманих даних були розроблені електроди з покриттям основного фтористо-кальцієве виду, призначені для зварювання конструкцій зі сталей, що гартуються. Електроди забезпечують наплавлений метал, що відповідає за ГОСТ 9467 – 80 типу Е60 (метал шва типу 10ХМАФ, марка ЕФК – 40) і Е65 (метал шва типу 10ХН3МАФ, марка ЕФК – 46). При зварюванні сталі 35ХМ метал швів має хімічний склад і механічні властивості, приведені в табл. 2 і 3.

Результати випробувань стабільності горіння дуги, характеристик плавлення і криючої здатності для електродів ЕФК-40 близькі до відповідних результатів іспитів стандартних електродів, а за деякими показниками (наприклад, по віддільності жужільної кірки) навіть перевершують електроди типу УОНІІ.

Таблиця 2.

Хімічний склад металу зварних швів, виконаних розробленими електродами

Метал

шва | Вміст елементів в металі шва, %

C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | V | N | Ce

10ХМАФЧ

(ЕФК – 40) | 0,07-

0,12 | 0,2-

0,6 | 0,10-

0,45 | 0,15-0,35 | 0,15-0,30 | 0,02-0,10 | 0,025-0,03 | 0,05-0,10

10ХН3МАФЧ (ЕФК – 46) | 0,07-

0,12 | 0,2-

0,6 | 0,10-

0,45 | 0,15-0,35 | 2,8-3,2 | 0,15-0,30 | 0,02-0,15 | 0,025-0,03 | 0,05-0,10

Примітка: азот і церій вводяться за розрахунком і аналізом в металі не визначаються.

Таблиця 3.

Механічні властивості металу зварних швів

Метал

шва | 0,5 ,

МПа | в ,

МПа | 5 ,

% | ,

% | КCU, Дж/см2 , при

+200 С | -400 С | -600 С

10ХМАФЧ (ЕФК–40) | 470 | 620 | 20 | 55 | 102 | 65 | -

10ХН3МАФЧ (ЕФК–46) | 580 | 670 | 15,5 | 66,5 | 104 | 53 | 50

З метою порівняння розроблених електродних матеріалів з існуючими виконувалися випробування проб Теккен зі сталей 25ХН3МФА та 35ХМ для електродів ЕФК-40, ЕФК-46, УОНІІ 13/55, ЦЛ-45 і АНП-2. Порівняння показує, що в з'єднаннях, виготовлених із застосуванням електродів ЕФК-40 і ЕФК-46, тріщин не виявлено, у той час як у пробах, заварених стандартними електродами УОНІІ 13/55, ЦЛ-45 і АНП-2, спостерігається утворення відколів.

Промислові випробування електродів ЕФК-40 (заварювання дефектів у натурних виробах без підігріву) не виявили тріщин у металі виробів. Це дозволяє говорити про те, що в багатьох випадках можлива досить ефективна заміна використовуваних у даний час стандартних низьколегованих електродів на розроблені.

Порівняння витрат на виправлення дефектів у кутих і литих деталях з високовуглецевих і середньовуглецевих низьколегованих сталей на прикладі відливок зі сталі 35ХМЛ показує, що заміна при виготовленні і ремонті виробів з високоміцних сталей, що гартуються, стандартних електродів розробленими економічно виправдана. Передбачуваний економічний ефект складає 353,13 тис. грн. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження показують, що сполучення оптимального легування і модифікування швів типу 10ХГНМТФ дозволяє забезпечити досить високу стійкість металу шва проти утворення холодних тріщин при підвищеній його міцності. Це досягається за рахунок диспергування первинної і вторинної структури, а також завдяки рівномірному розподілу дрібнодисперсних фаз виділення і неметалічних включень, що можуть служити центрами активного внутрішньозеренного зародження структурних складових.

2. Істотно стабілізувати даний ефект дозволяє введення в метал швів ванадію в сполученні з азотом. Оптимальне сполучення механічних властивостей металу і його стійкості проти тріщин досягається при введенні в наплавлений метал добавок 0,025 – 0,035% азоту і 0,1 – 0,15% ванадію.

3. Металографічне вивчення траєкторії поширення відколів, а також спостереження за процесом руйнування зразків зварних з'єднань сталей, що гартуються, дозволили досить часто спостерігати уповільнене руйнування в їхній перехідній зоні, що підтверджує аналіз стану металу зони сплавлення зварних з'єднань. Це дає можливість припустити, що вплив на структуру і властивості даної ділянки може істотно впливати на стійкість проти тріщин.

4. Встановлено, що найбільш висока стійкість проти холодних навколошовних тріщин досягається при спільній добавці в метал зварних швів азоту, ванадію і церію (0,025…0,035%N, 0,1…0,15%Vі 0,05...0,1%Се). Було знайдено, що оптимальне співвідношення добавок у метал азоту, ванадію і церію складає (VN) / (R) = 2,5…4, де (VN)– загальна частка добавок нітридів ванадію; (R) – загальна кількість введеного у метал церію.

5. На підставі проведених досліджень по поясненню отриманого ефекту був зроблений висновок, що сприятливий вплив на тріщиностійкість модифікування нітридами ванадію і церієм має комплексний характер. Особливо чітко цей вплив виявляється в зміні зеренної структури, морфології і розподілу неметалічних включень перехідної ділянки зварених з'єднань.

6. На підставі результатів іспитів зварювально-технологічних властивостей були розроблені електроди ЕФК-40 і ЕФК-46 з покриттям основного виду, призначені для зварювання конструкцій зі сталей, що гартуються, із межею текучості 400…800 МПа. Порівняння з тріщиностійкістю, що досягається при використанні електродних матеріалів, що випускаються серійно, показує, що в з'єднаннях, виготовлених із застосуванням електродів ЕФК-40 і ЕФК-46, тріщин не виявлено.

7. Промислові випробування (заварювання дефектів у натурних виробах без підігріву) не виявили дефектів у металі виробів. Це дозволяє говорити про те, що в багатьох випадках можлива досить ефективна заміна використовуваних у даний час стандартних низьколегованих електродів на розроблені.

8. Порівняння витрат на виправлення дефектів у кутих і литих деталях з високовуглецевих і низьколегованих сталей на прикладі відливок зі сталі 35ХМЛ показує, що використання розроблених електродів при виготовленні і ремонті виробів з високоміцних сталей, що гартуються, є економічно виправданим. Передбачуваний економічний ефект складає 353,1 тис. грн.

Основний зміст роботи відбитий у наступних публікаціях:

1 Кабацкий В.И., Кабацкий А.В., Карпенко В.М. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства низколегированных высокопрочных