Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона

Головко

Віктор Володимирович

УДК 621.791.754:541.428

Взаємодія металу зі шлаком

при зварюванні

під агломерованими флюсами низьколегованих сталей

Спеціальність 05.03.06“

Зварювання та споріднені технології”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ — 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона

Національної академії наук України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, академік НАНУ

Походня Ігор Костянтинович

завідувач відділом Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАНУ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, академік НАНУ, Махненко Володимир Іванович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАНУ, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор Потапов Микола Миколайович, ЦНДІТМАШ (м.Москва), завідувач лабораторією

доктор технічних наук, професор Кондратюк Станіслав Євгенович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАНУ, завідувач відділом

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра зварювання, МОН України, м. Київ

Захист відбудеться: “_29_” _березня__2006р о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАНУ за адресою: 03680, МСП, м. Київ-150, вул. Боженка, 11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ІЕЗ ім.Є.О.Патона НАНУ

Автореферат розісланий “_14_” _лютого____ 2006р

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01

доктор технічних наук Л.С.Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Виявлення і теоретичне узагальнення закономірностей взаємодії в системі метал-шлак при зварюванні під агломерованими флюсами на умови формування структури металу швів, розробка методів прогнозування і керування складом, структурою і властивостями металу швів, створення сучасних агломерованих флюсів для зварювання низьколегованих сталей, що забезпечують високі службові властивості металу швів і зварних з'єднань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота проводилася в рамках виконання Державних науково-технічних програм 04.05 “Нові технології зварювання і суміжних процесів” і 05.06 “Комп'ютерне матеріалознавство й інформатизація створення нових з'єднань і матеріалів”, а також Програми міжнародного співробітництва, затвердженої Міністерством утворення і науки і завданнями по темі 10/12, 10/7 і 10/10 відомчого замовлення НАНУ.

Протягом останніх 50-ти років конструкційні сталі залишалися самим розповсюдженим видом матеріалів, що використовуються при виготовленні зварних споруджень, апаратів, блоків і вузлів. Подібна ситуація збережеться і на найближчу чверть століття, що зв'язано з таким основним показником, як співвідношення ціна/властивості. Сучасні конструкційні сталі вирізняються високими службовими властивостями, а їхнє виробництво достатнє економічно, постійно розвивається й вдосконалюється. Особливо помітні зміни в останні десятиліття перетерплюють низьколеговані сталі. За рахунок використання технологій, що передбачають мікролегування і модифікування структури, контрольовану термомеханічну обробку, дисперсійне і дислокаційне зміцнення металургам вдалося істотно підвищити показники міцності, пластичності і в'язкості сталевого прокату без помітної зміни співвідношення ціна/властивості.

Для одержання швів при зварюванні таких сталей, механічні властивості яких знаходяться на рівні основного металу, необхідно сформувати в зварному шві структуру з високим рівнем показників міцності і в'язкості. Підвищенню вмісту подібних структур у металі швів сприяє наявність неметалевих включень певного типу і розміру, а також цільове мікролегування твердого розчину.

На підприємствах України при зварюванні низьколегованих сталей традиційно використовуються плавлені флюси. Номенклатура цих флюсів являє собою розробки 50-70-х років минулого століття, а використання процесів плавлення при їх виготовленні істотно знижує можливості металургійного впливу флюсу на зварювальну ванну. Як правило, такі можливості обмежуються процесами відновлення оксидів зі шлаку при взаємодії його з металом зварювальної ванни. В результаті, плавлені флюси не в змозі гнучко реагувати на зміну вимог до забезпечення формування в металі швів неметалевих включень певного типу і розміру, а також здійснювати спрямоване мікролегування твердого розчину. Механічні властивості металу швів і зварних з'єднань, у таких випадках, не відповідають рівню показників характерних для низьколегованих сталей.

Промислово-розвинуті країни для зварювання низьколегованих сталей перейшли на використання агломерованих флюсів, що зв'язано з більш широкими можливостями цих флюсів справляти рафінуючий, мікролегуючий і модифікуючий вплив на метал зварного шва. Відсутність вітчизняних агломерованих флюсів на ринку зварювальних матеріалів України викликає постійно зростаючий їхній імпорт. Використання закордонних зварювальних флюсів зв'язано з двома основними негативними факторами. По-перше, використання імпортних матеріалів позначається на підвищенні вартості робіт при виготовленні зварних конструкцій, а, по-друге, постійне поновлення номенклатури низьколегованих сталей з метою підвищення їхніх службових властивостей вимагає відповідного поновлення номенклатури зварювальних матеріалів, що приводить до все більш зростаючої залежності вітчизняних виробників від закордонних постачальників. Таким чином, питання, зв'язані з розробкою сучасних вітчизняних агломерованих флюсів є в даний час дуже актуальними.

Виконані вітчизняними фахівцями дотепер дослідження особливостей зварювання під агломерованими флюсами були орієнтовані на вирішення окремих задач. При цьому був відсутній системний підхід до проблем металургії зварювання під флюсами цього виду, що дозволив би узагальнити на базі наукових уявлень про комплекс металургійних взаємодій, що протікають при дугових способах зварювання, наявний досвід і сформувати принципи моделювання в системі склад - структура - властивості стосовно до розробки складу агломерованих флюсів.

Розробка сучасних агломерованих флюсів можлива тільки як результат проведення багатофакторного аналізу хіміко-металургійних процесів, що протікають при зварюванні під флюсом. Для виконання такого аналізу необхідно на базі фундаментальних законів термодинаміки і фізичної хімії, створити фізико-хімічні моделі, що описують взаємодії між металом, шлаком і газовою фазою при дугових методах зварювання, виконати їхній математичний опис і сформувати комп'ютерні програми для проведення числових експериментів на базі розроблених моделей. Висновок про адекватність розроблених моделей може бути отриманий на основі зіставлення розрахункових даних з результатами експериментів, виконаних у лабораторних умовах.

З викладеного видно, що дослідження в області взаємодії металу зі шлаком при зварювання під агломерованими флюсами, що дозволяють на основі застосування і розвитку наукових положень термодинаміки і фізичної хімії одержати принципово новий результат у науці і техніці, можуть розглядатись як рішення великої наукової проблеми.

Виявлення і теоретичне узагальнення закономірностей взаємодії металу зі шлаком при зварюванні під флюсом на умови формування структури металу швів, розробка на їхній базі методів прогнозування і керування складом, структурою і властивостями металу швів, створення сучасних агломерованих флюсів для зварювання низьколегованих сталей, що забезпечують високі службові властивості металу швів і зварних з'єднань, має велике народногосподарське значення відносно до виготовлення металоконструкцій з низьколегованих сталей.

Об'єктом дослідження були термодинамічні, термокінетичні і фізико-хімічні процеси, що визначають характер взаємодії між металом і шлаком при зварюванні під агломерованими флюсами низьколегованих сталей.

Мета дослідження полягала в розробці шляхів вирішення науково-технічної проблеми комплексного багатофакторного аналізу процесів взаємодії металу зі шлаком при створенні сучасних агломерованих флюсів.

Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

1.Дослідити умови формування структурних складових металу швів з урахуванням процесів у рідкому металі зварювальної ванни і металі зварного шва, що знаходиться у твердому-рідкому стані. Розробити фізико – хімічні моделі, що описують в інтегрованому виді взаємодії в системі метал-шлак і визначають склад, кількість і розподіл неметалевих включень, а також рівень легування твердого розчину металу швів, виконати їхній математичний опис і комп'ютерну реалізацію.

2.Провести комплекс лабораторних досліджень з метою виявлення впливу кисневого потенціалу флюсу на склад і розподіл неметалевих включень, на механічні властивості зварних з'єднань. Виконати оцінку адекватності розроблених моделей на основі зіставлення результатів експериментів з розрахунковими даними по формуванню неметалевих включень.

3.Вивчити особливості впливу легуючих і мікролегуючих елементів на умови формування структури металу швів. Запропонувати розрахунково-експериментальний метод розрахунку вмісту легуючих елементів у твердому розчині металу швів при зварюванні під агломерованими флюсами

4.Провести оцінку основних факторів, що визначають вміст водню в металі швів при зварюванні під агломерованими флюсами. Розробити технологічні прийоми виготовлення агломерованих флюсів, що дозволяють одержувати наднизький (менш 3 см3/100г) вміст водню в металі зварних швів.

5.На основі оптимізації системи флюс-дріт розробити агломеровані флюси, що забезпечують вимоги, які висуваються до зварних з'єднань конструкцій з низьколегованих сталей, провести перевірку результатів розробки в промислових умовах.

Методи дослідження. У роботі були використані: мас-спектрометрія, діфрактометрія, термогравіметрія, інфрачервона спектроскопія, газова хроматографія, ренгенфлюоресцентний аналіз, мас-спектрометрія вторинних іонів, мікрорентгенспектральний аналіз, математичне моделювання і чисельний аналіз, оптична й електронна мікроскопія.

Наукова новизна. На базі досліджень термодинамічних і кінетичних залежностей взаємодії металу зі шлаком при зварюванні під агломерованими флюсами низьколегованих сталей, побудовані фізико-хімічні моделі, що дозволяють прогнозувати структуру і властивості металу зварних швів.

Основні наукові положення роботи, встановлені закономірності, запропоновані принципи і засоби їхньої реалізації полягають у наступному:

1. На основі вивчення впливу кисневого потенціалу агломерованих флюсів на формування неметалевих включень, створено інтегровану фізико-хімічну модель утворення неметалевих включень у металі швів, що враховує особливості росту і конденсування неметалевої фази в зварювальній ванні й в області твердо - рідкого стану металу шва. Розроблено комп'ютерну програму, яка дозволила виконати розрахунки складу і кількості неметалевих включень з урахуванням термодинаміки і кінетики металургійних реакцій, що протікають у шлаковій і металевій фазах, а також технологічних параметрів процесу зварювання.

2. Виходячи з проведених розрахунків встановлено, що для зварювання низьколегованих сталей доцільно використовувати флюси, кисневий потенціал яких знаходиться в межах ( 370...340) кДж/моль. Показано, що в зумовленому діапазоні значень кисневого потенціалу, агломеровані флюси сприяють рафінуванню металу зварювальної ванни по неметалевим включенням.

3. Встановлено, що для одержання швів, що мають механічні властивості на рівні основного металу, необхідне використання зварювальних матеріалів, які забезпечують вміст кремнію й алюмінію у твердому розчині металу швів не більш 0,1 % і 0,003 %, відповідно, а вміст титана в межах 0,005...0,015 % . Дотримання цих вимог дозволяє збільшити вміст в зварних швах структурних складових з підвищеною стійкістю до крихкого руйнування.

4. Проведено оцінку основних факторів, що визначають вміст водню в металі швів при зварюванні під агломерованими флюсами. Для одержання наднизьких вмістів водню в металі швів низьколегованих сталей (менш 3 см3 на 100г) запропоновано використання флюсів, що забезпечують парціальний тиск кисню над розплавом шлаку в межах lgpo = 9,5...10,5 і спеціальні технологічні прийоми виготовленні низьководневих агломерованих флюсів.

5. На основі розроблених комп'ютерних моделей і з використанням експериментально числових методів створені агломеровані флюси АНК-57, АНК-561 (Патенти України 5156, 5157) для зварювання низьколегованих сталей підвищеної міцності, що забезпечують формування металу зварних швів з високим вмістом в’язких структурних складових та властивостями міцності на рівні суднобудівних сталей категорії D36, E36 і вмістом дифузійного водню не більш 1,5 см3/100г. Зварювально-технологічні властивості розроблених флюсів дозволяють їхнє використання в широкому діапазоні технологічних режимів.

Практична цінність. Розроблено програми для проведення комп'ютерних досліджень особливостей утворення мікроструктури і неметалічних включень в металі швів. Розроблено агломерований флюс і технологію зварювання під ним у сполученні з низьколегованим дротом, що призначені для застосування при виготовленні корпусних конструкцій загального суднобудування. Сполучення флюс - дріт атестований Det Norske Veritas, Lloyd Register і Російським Морським Регістром судноплавства.

Основні положення роботи використані при створенні, нормативно-технічній документації на виготовлення, іспит і застосування агломерованих флюсів.

Розроблені флюси пройшли дослідно-промислову перевірку і рекомендовані до впровадження на ряді суднобудівних підприємствах України. Застосування розробок забезпечує поліпшення якості зварних з'єднань, підвищення продуктивності праці, економію трудових і матеріальних ресурсів.

На захист виносяться:

n

n

n

n

Особистий внесок здобувача полягає в:

n

n

n

n

Апробація роботи. Основні положення, наукові і практичні результати роботи доповідалися на конгресах МІЗ (ЧССР, Братислава, 1982; СФРЮ, Любляна, 1987; Австрія, Відень, 1988; Канада, Монреаль, 1989; Італія, Флоренція, 2000), міжнародних конференціях (РФ, Краснодар, 1990, Україна, Нікополь, 1991; РФ, СПб, 1993; РФ, Краснодар, 1998; КНР, Пекін, 2001; РФ, Москва, 2002; Австрія, Грац, 2003; РФ, Магнітогорськ, 2005), і симпозіумах (Словаччина, Кошице,1996; Україна, Запорожжя, 1998; Україна, Київ, 2001).

Дисертаційна робота обговорювалася на об'єднаному науковому семінарі технологічних відділів ИЭС ім.Є.О.Патона.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 35 робіт, отримано 6 патентів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, викладених на 300 стор. машинописного тексту, включає 65 таблиць, 65 малюнків, список літератури з 238 найменувань, 5 додатків.

У вступі наведено обґрунтування доцільності виконання роботи за обраною тематикою, показана її актуальність, зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Визначена мета дослідження та встановлені задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Орані методи дослідження, наведено наукову новизну роботи та її практичну цінність. Окреслені питання, які виносяться на захист, наведені дані про апробацію роботи.

В першому розділі приведені результати вивчення металургійних і технологічних проблеми, що виникають при зварюванні низьколегованих сталей. Намічено металургійні шляхи вирішення проблеми підвищення механічних властивостей зварних з'єднань при зварюванні низьколегованих сталей під агломерованими флюсами. Сформульовано мету і задачі дослідження.

У другому розділі вивчені питання взаємодії металу зі шлаком при зварюванні під агломерованими флюсами. Вивчено вплив зміни кисневого потенціалу агломерованих флюсів у широких межах на формування неметалевих включень. Виходячи з результатів досліджень створена інтегрована фізико-хімічна модель утворення неметалевих включень в металі швів низьколегованих сталей, що враховує особливості росту і конденсування неметалевої фази як у зварювальній ванні, так і в області існування твердого-рідкого стану металу шва. Вивчено можливості спрямованого мікролегування твердого розчину в залежності від способу легування металу швів.

В третьому розділі наведені результати дослідження шляхів керування мікроструктурою, кількістю, складом і розподілом неметалевих включень в металі швів при зварюванні під агломерованими флюсами. Виконано зіставлення експериментальних даних з результатами моделювання процесів утворення неметалевих включень в металі зварних швів і рівня легування структурних складових. Дано обґрунтування оптимального рівня кисневого потенціалу агломерованих флюсів, їх легуючий здатності з метою забезпечення механічних властивостей металу швів у межах вимог, що висуваються до низьколегованих сталей.

В четвертому розділі проведена кількісна оцінка основних факторів, що визначають вміст водню в металі швів при зварюванні під агломерованими флюсами. Встановлено, що для одержання металу швів на низьколегованих сталях з наднизьким вмістом водню (менш 3 см3 на 100г) необхідно використання флюсів, що забезпечують визначений рівень парціального тиску кисню над розплавом шлаку. Вивчено особливості твердофазових реакції, що протікають в агломерованих флюсах у процесі їх нагрівання. Приведено результати експериментальних досліджень по розробці агломерованих флюсів зі зниженою сорбційною здатністю, а також технології агломерування, з урахуванням впливу параметрів цього процесу на вміст вологи у флюсах.

В п’ятому розділі представлені результати розробки нових агломерованих флюсів, призначених для зварювання корпусних конструкцій загального суднобудування. Приведено результати дослідно – промислових перевірок флюсів на промислових підприємствах України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Проблеми, що виникають при зварюванні низьколегованих сталей. Низьколеговані сталі є одним із самих перспективних конструкційних матеріалів, обсяг застосування яких постійно збільшується.

Оптимальне сполучення показників міцності і в'язкості сучасних низьколегованих сталей досягається за рахунок глибокого рафінування металу по неметалевих включеннях при його виготовленні, як на стадії конвертерної плавки, так і в ковші, комплексного легування елементами, що підвищують стабільність - фази з метою зниження температури перетворення. У результаті підвищується ефективність твердофазового зміцнення фериту, а зведення вмісту вуглецю до мінімуму (нижче 0,05 %) цілком виключається процес вторинного твердіння за рахунок утворення карбідів і дозволяє одержати в результаті термомеханічної обробки гартівні структури типу дислокаційного мартенситу.

Структура металу швів, що утворюється при зварюванні таких сталей, формується в умовах малого часу існування зварювальної ванни, обмеження можливостей металургійного впливу на розплавлений метал і відсутності термомеханічної обробки швів, при цьому механічні властивості металу швів повинні бути на рівні основного металу. Для задоволення таких високих вимог до металу зварних швів потрібно, насамперед, максимально використовувати можливості металургійного впливу зварювальних матеріалів для легування, мікролегування і рафінування металу зварювальної ванни, комплексного керування кількістю, складом і розподілом неметалевих включень починаючи від рідкого металу зварювальної ванни і закінчуючи процесами, що проходять в області твердого-рідкого стану металу швів. Тільки в цьому випадку можливе одержання зварних з'єднань низьколегованих сталей, що не поступаються за своїми характеристиками службовим властивостям основного металу.

Відомо, що в залежності від свого складу і розмірів неметалеві включення сприяють формуванню в металі певних структурних складових. Наприклад, комплексні оксиди алюмінію розміром 0,5...1,5 мкм, сприяють утворенню в низьколегованих сталях структури голчастого фериту, а силікатні розміром більше 1,5 мкм полігонального фериту. У випадку зварювання під флюсом, при цьому, існує ряд вимог до легуючої і окислюючої здатності шлаків. Встановлено, що вміст кисню в металі, що визначає кількість включень, повинен знаходитися в межах 0,02...0,04 %. У зварних швах, що мають більш високу кількість кисню, зростає об'ємна частка включень типу силікатів марганцю, що знижує в'язкість металу швів. У випадку зменшення вмісту кисню нижче 0,02 %, підвищується рівень мікролегування структурних складових марганцем, алюмінієм, титаном, що приводить до їхнього зміцнення і збільшення схильності зварних з'єднань до крихкого руйнування.

Для одержання металу швів з високими механічними властивостями необхідно формувати в них структури з підвищеним вмістом складових, що характеризуються оптимальним сполученням показників міцності і в'язкості. Утворення таких структур в металі швів при зварюванні під флюсом можливо домогтися за рахунок формування в швах включень визначеного складу і кількості, а також забезпечення необхідного рівня легування твердого розчину.

Особливості металургії зварювання під агломерованими флюсами. Металургійний вплив флюсу на утворення неметалевих включень і легування структурних складових твердого розчину металу швів при дуговому зварюванні визначається умовами розвитку таких реакцій як

( R ) [ R ]

{ O } [ O ]

( O ) [ O ]

n[ R ] + m[ O ] [RnOm]

[RnOm] ( RnOm),

де R і O розкисювач і окислювач у металургійних реакціях.

Технологія виготовлення агломерованих флюсів дозволяє вводити до їх складу у дозованій кількості компоненти, що мають підвищену окисюючу здатність, а також розкислювачі, які можуть одночасно виконувати функції мікролегування структурних складових. Завдяки цим особливостям агломеровані флюси мають більш широкі можливості металургійного впливу на метал шва для одержання високоякісних зварних з'єднань низьколегованих сталей. Для створення сучасних флюсів необхідно вивчити особливості взаємодії металу зі шлаком при зварюванні і розробити на базі проведених досліджень моделі прогнозування кількості і складу неметалевих включень, а також вмісту легуючих елементів у твердому розчину металу швів. Успішне використання агломерованих флюсів неможливо без розробки питань технології їх виготовлення, що дозволяють максимально використовувати переваги цього виду зварювальних матеріалів і мінімізувати їхні недоліки.

Дотепер металургійна активність зварювальних флюсів оцінюється виходячи з індексу його основності (BI). Цей показник носить якісний характер, тому для більш точного прогнозу і побудови фізико-хімічних моделей, що піддаються математичному опису, доцільно використовувати показник кисневого потенціалу шлаків (?о) чи активності кисню в шлаку (lgao), що знайшли застосування в металургії. Експериментальне визначення цих величин виконують за допомогою концентраційних елементів, що дозволяють встановити величину струму в електролітичній ячейці. Застосування такої методики для зварювальних матеріалів утруднено наявністю в зварювальних шлаках високого вмісту фтористих з'єднань, що зумовлюває значну величину струму іонів фтору в ланцюзі елемента і зниження вірогідності результатів визначення активності іонів кисню в шлаку. Зіставлення результатів визначення активності кисню в модельних шлакових системах з даними мас-спектрального аналізу шлаків дозволили встановити межі допустимості використання методу виміру е.р.с. в електролітичній ячейці для зварювальних шлаків. Була отримана регресійна залежність, що дозволяє розрахувати величини парціального тиску кисню над розплавом шлаку (Ро) і кисневого потенціалу флюсу виходячи з даних про склад шлакової композиції.

Кисневий потенціал флюсу, поряд з його хімічним складом, визначає склад і вміст неметалевих включень в металі швів. Численними дослідженнями було встановлено, що неметалеві включення впливають на умови формування структурних складових металу швів, а, отже, і на службові властивості зварних з'єднань. Експериментальні дослідження такого впливу дуже трудомісткі, вимагають великих витрат часу і спеціального устаткування. Значно більш оперативними і доступними можуть бути дослідження складу, розмірів і вмісту неметалевих включень у зварних швах низьколегованих сталей методами моделювання і числового експерименту.

При дугових способах зварювання шлак, як правило, є окисним середовищем стосовно розплавленого металу, тому реакцію взаємодії між домішками, розчиненими в зварювальній ванні і шлаком можна записати в загальному виді:

x[Ме2+] + y[О2-] = (МеxОy) (1)

З цього рівняння видно, що ключовим питанням при прогнозуванні складу включень є проблема розрахунку розподілу кисню між металом і шлаком.

У результаті власних досліджень було встановлено, що рівень легування твердого розчину металу швів алюмінієм, титаном і кремнієм залежить від основності флюсу, а також його типу і впливає на механічні властивості зварних швів. У випадку зварювання під плавленими флюсами вплив легування з флюсу в більшій мері позначається на складі, кількості і розподілі неметалевих включень, а у випадку агломерованих флюсів як на легуванні твердого розчину, так і на морфології неметалевих включень. Особливо перспективним з цього погляду є використання агломерованих флюсів з низьким кисневим потенціалом. За рахунок вмісту легуючих компонентів у таких флюсах можливо змінювати рівень легування твердого розчину металу швів, а також кількість і склад неметалевих включень.

Керування мікроструктурою, кількістю, складом і розподілом неметалевих включень в металі швів при зварюванні низьколегованих сталей.

Процес формування включення в цілому фактично складається з двох різних за своєю фізико-хімічною основою процесів: утворення включення в рідкій сталі і наступне виділення конденсованої фази на поверхні розподілу в двофазовій зоні. Виходячи з цього, моделювання проводилося для кожного з зазначених процесів окремо.

При створенні фізико-хімічної моделі процесу утворення включень в рідкій сталі виходили зі звичайно прийнятого допущення, що висока інтенсивність перемішування металу і шлаку в зварювальній ванні, нагрів розплавленого електродного металу на стадії краплі до температур значно перевищуючих температуру плавлення, забезпечують наближення системи до рівноважних умов у фіксований момент часу, достатнє для складання достовірних прогнозів. Термодинамічні розрахунки рівноваги для реакцій метал-шлак дозволяють встановити найбільш сприятливі умови для формування включень визначеного складу.

При моделюванні процесів конденсації включень в області температур нижче температури кристалізації сталі виходили з положень квазірівноважної теорії двофазної зони. Інтенсивність росту оксидної фази на поверхні розподілу в цьому випадку визначається часткою рідкої складової в двофазній області (S).

У результаті реакцій взаємодії між елементами-розкислювачами, розчиненими в зварювальній ванні, і шлаком утвориться Mi кількість продуктів i-ої реакції. У результаті протікання цих реакцій, а також лікваціних процесів буде змінюватися концентрація кисню Co і баланс кисню в молях може бути записаний у такий спосіб:

d(SCo)/dt = koCodS/dt - midMi/dt (2)

Можливість тих чи інших реакцій і вихід їх продуктів залежать від концентрації i-го елемента-розкислювача Ci. Рівняння балансу (у молях) для кожного i-го елемента-розкислювача має вид:

d(SCi)/dt = kiCidS/dt - nidMi/dt (3)

При локальній термодинамічній рівновазі для концентрації кисню Со і реагуючого з ним i-го елемента-розкислювача Ci маємо:

, (4)

де Кі - константа рівноваги реакції окислювання i-го елемента-розкислювача.

Система рівнянь складається з 2N+1 замкнутих рівнянь і дозволяє знайти концентрацію кисню і N елементів-розкислювачів, що реагують з ним, а також вміст оксидів Mi, що утворилися на всіх етапах кристалізації.

Кількість докристалізацйних включень можна визначити із системи N рівнянь типу

, (5)

де Coo і Cio - початкові концентрації кисню і розкислювачів у розплаві до початку кристалізації, Аi - атомна маса i-ого елемента-розкислювача.

Тоді вихідний вміст розкислювача в розплаві буде

Сі* = Сіо - Мі* / (1+16mi/niAi), (6)

а кисню

Со* = Coo - / (1+ni Ai/16mi). (7)

Для даної системи рівнянь розроблено алгоритм рішення, що складається з наступних операцій:

·

·

·

Адекватність розробленої моделі перевіряли шляхом зіставлення розрахункових даних з даними, отриманими при металографічних дослідженнях зразків металу швів, виконаних зварюванням під модельними флюсами. Результати зіставлення, приведені на рис.1- 3, показують, що розроблена модель дозволяє описати умови формування неметалевих включень у широкому діапазоні складів флюсів при різній їхній основності і з урахуванням дії розкислювачів, введених до складу флюсу, що підтверджується адекватністю розрахункових і експериментальних даних.

Рис.1. Співставлення результатів розрахунку і експериментів по визначенню впливу кисневого потенціалу флюсу на об’ємну частку неметалевих включень в металі зварних швів

У випадку використання шлакових композицій, що забезпечують низьку активність іонів кисню в розплавах шлаку і металу, агломеровані флюси мають здатність легувати структурні складові твердого розчину металу зварних швів. Висока активність кисню сприяє утворенню в металі швів включень типу силікатів марганцю. Процес легування феритної матриці розглядали як ланцюг послідовних реакцій за схемою, відповідно до якого при охолодженні зварного шва спочатку відбувається окислювання легуючих елементів, потім та їхня частина, що не вступила в реакцію з киснем, утворює нітриди, а та кількість легуючих елементів, що залишилося не зв'язаним ні з киснем, ні з азотом, розчиняється у твердому розчині. Така послідовність реакцій у зварювальній ванні і металі шва, що остигає, певною мірою формалізована, однак зручна для розрахунків.

Розрахунки, зв'язані з утворенням нітридів базувалися на результатах, отриманих при комп'ютерному моделюванні процесів окислювання легуючих елементів і з врахуванням того, що шлакова фаза, як правило, не є джерелом надходження азоту в зварювальну ванну.

Для перевірки адекватності розробленої схеми розрахунку були проведені металографічні дослідження на дослідних зварних з'єднаннях, отриманих при зварюванні під флюсами модельного складу. Виконані експерименти показали, що розрахункові значення вмісту легуючих елементів у фериті мають деякі відмінності від результатів аналізу дослідних швів, що пояснюється складністю обліку в розрахункових схемах кінетики процесів розчинення легуючих елементів у твердому розчині. Проте, дані, приведені в табл.1, показують що припустимо розглядати розрахункові значення, як величини, що достатньою мірою вірогідно оцінюють рівень легування твердого розчину і його вплив на вміст структурних складових металу швів. |

Рис.2. Дані експериментів по визначенню складу неметалевих включень в металі швів, що були отримані при зварюванні під флюсами з різним кисневим потенціалом і різною системою розкислення

Для перевірки зробленого припущення були виконані експерименти по кількісній оцінці складу мікроструктурних складових зразків наплавленого металу. Відомо, що зміна рівня легування твердого розчину викликає зсув кривих ізотермічного перетворення низьколегованих сталей, при цьому збільшення вмісту у фериті таких легуючих елементів як марганець, кремній, титан і алюміній повинний привести до зрушення кривих перетворень вправо, що викликає скорочення вмісту голчастого фериту і збільшення кількості бейнітних структур (рис.4). |

Рис.3.Результати розрахунку складу включень в металі швів, що бали отримані при зварюванні під флюсами з різним рівнем кисневого потенціалу

З зіставлення результатів визначення кількості складових мікроструктури в зразках наплавленого металу з розрахунковими даними про вміст легуючих елементів у твердому розчині (рис.5) видно, що вміст різних морфологічних форм фериту зв'язано з наявністю у твердому розчині таких легуючих елементів як алюміній, титан і марганець. Зіставлення розрахункових даних з результатами експериментів підтверджує зроблений висновок про характер зміни мікроструктури металу, викликаного зміною рівня вмісту легуючих елементів у твердому розчині. Отримані результати аналізу служать ще одним підтвердженням вірогідності виконаних прогнозів на основі комп'ютерного моделювання.

Виконані дослідження були використані для керування розміром і складом неметалевих включень, а також рівнем легування окремих структурних складових металу швів з метою поліпшення механічних властивостей зварних з'єднань.

Збільшення кисневого потенціалу флюсів приводить до росту об'ємної частки неметалевих включень у металі зварних швів (рис.1), при цьому вміст голчастого фериту в структурі металу швів, отриманих при зварюванні під флюсами зі зниженим кисневим потенціалом (о323 кДж/моль) залишається на досить високому рівні (табл.3). Такі особливості формування структури можна пояснити рівнем легування твердого розчину. Як видно з приведених у табл.1 даних, у випадку використання флюсів, що мають кисневий потенціал понад 337 кДж/моль і легуючих наплавлений метал алюмінієм та/або титаном, у твердому розчині міститься марганець, кремній, титан і алюміній. Було відзначено, що у випадку використання флюсів з низьким кисневим потенціалом (о=369 кдж/моль) і системою легування Al+Ti у твердому розчині міститься помітно менше кремнію, при цьому істотно зростають показники в'язкості металу швів, у порівнянні з іншими варіантами флюсів.

Такий вплив легування твердого розчину на структурний склад металу швів пояснюється зміною координат характеристичних точок температурного інтервалу перетворення (рис.4).

Рис.4.Вплив вмісту легуючих елементів в твердому розчині

на зсув кривих перетворення в процесі перекристалізації

Подібний висновок підтверджується результатами експериментів по визначенню середнього розміру первинних аустенітних зерен. Результати, які представлені на рис.6, показують що зі зростанням кисневого потенціалу флюсу відбувається зменшення розміру первинного аустенітного зерна в зразках наплавленого металу. Остання обставина пов'язана зі зміною об'ємної частки неметалевих включень (табл.3) і їхнього розподілу в межах первинного аустенітного зерна.

Для підтвердження цього припущення була визначена об'ємна частка неметалевих включень в тілі і по границі первинного аустенітного зерна. Отримані результати представлені в табл.4. З приведених у цій таблиці даних видно, що найбільш ефективно гальмують ріст первинного аустеніту мілкодисперсні включення, що розташовані по його границях.

Таблиця 1

Співставлення розрахункових і експериментальних даних про вміст

легуючих елементів в твердому розчині металу швів

о,

кДж/ моль | Система розкислення

флюсу | вміст легуючих елементів

в твердому розчині, мас. %

Результати розрахунку | Результати експериментів

Mn | Si | Ti | Al | Mn | Si | Ti | Al—

369 | Al | 0,45 | 0,28 | 0,010 | 0,0001 | 0,46 | 0,20 | 0,010 | 0

Ti | 0,46 | 0,27 | 0,012 | 0,0002 | 0,48 | 0,22 | 0,015 | 0

Al+Ti | 0,47 | 0,26 | 0,015 | 0,0002 | 0,48 | 0,23 | 0,017 | 0—

337 | Al | 0,51 | 0,34 | 0,022 | 0,0005 | 0,50 | 0,31 | 0,018 | 0

Ti | 0,64 | 0,31 | 0,020 | 0,0001 | 0,65 | 0,33 | 0,018 | 0

Al+Ti | 0,68 | 0,39 | 0,025 | 0,0010 | 0,67 | 0,45 | 0,018 | 0,002—

307 | Al | 0,74 | 0,48 | 0,025 | 0,0030 | 0,70 | 0,57 | 0,020 | 0,003

Ti | 0,81 | 0,51 | 0,022 | 0,0020 | 0,87 | 0,55 | 0,025 | 0,004

Al+Ti | 0,95 | 0,54 | 0,030 | 0,0050 | 1,00 | 0,56 | 0,033 | 0,005

Вивчення розподілу включень показало, що на границі розташовуються більш дрібні включення (0.2...03 мкм), ніж у тілі зерна ( 0.4...07 мкм). Оцінку нерівномірності розподілу НВ проводили за допомогою коефіцієнта F, що представляє собою відношення:

F = Vгр / (Vгр + Vвн ) ,

де Vгр і Vвн — об'ємні частки НВ на границях і в тілі зерен первинного аустеніту відповідно, віднесені до одиниці площі. Було встановлено, що об'ємна частка включень по границі первинного аустенітного зерна вище, ніж об'ємна частка всередині зерна. Фактор F для більшості досліджених швів, склав 0.6...07. |

Рис.5. Вплив вмісту легуючих елементів в твердому розчині на вміст структурних

складових металу зварних швів

Об'ємна частка включень по границі й всередині колишнього зерна аустеніту вище при використанні флюсів з високим кисневим потенціалом (о=307 кДж/моль), у порівнянні з флюсами з більш низьким потенціалом. Порівнюючи дані, приведені в табл.4 і на рис.8, можна прийти до висновку, що в цілому підвищення вмісту включень на границі первинного аустеніту в порівнянні з їхнім вмістом у внутрішніх об’ємах зерен приводить до зменшення розмірів зерен аустеніту.

Таблиця 2

Об’ємна частка основних структурних складових

в металі досліджених швів

o | Розки-слилю-

вач | Об’ємна частка структурної складової, %

кДж/моль | ПФ | ВФ | ИФ | ФУВ | ФНУВ | МАК-фаза

Al | 15…20 | 10 | 31…37 | 14…15 | 24…27 | 5,4

307 | Ti | 15…18 | 9…12 | 25…34 | 16…27 | 20…23 | 5,0

Al+Ti | 15…20 | 6…7 | 30…40 | 24…25 | 20…27 | 3,4

Al | 13…20 | 3…5 | 40…45 | 17…20 | 23…25 | 4,0

337 | Ti | 13…20 | 3…9 | 46…49 | 13…19 | 16…18 | 5,0

Al+Ti | 13…23 | 7 | 43…46 | 13…18 | 6…14 | 2,3

Al | 6…12 | 3 | 50…55 | 16…27 | 17…21 | 2,5

369 | Ti | 5…12 | 4 | 48…50 | 12…25 | 32…37 | 3,5

Al+Ti | 4…10 | 2 | 44…50 | 11…15 | 36…38 | 2,4

Таблиця 3

Розподіл за розмірами неметалевих включень в металі досліджених швів

?о

флюсу | Розк-ислю-вач | Вміст (%) в загальній масі Vнв неметалевих включень

розміром, мкм | Vнв

0,5 | 0,5…1,0 | 1,1…1,5 | 1,6…2,0 | 2,1…2,5 | 2,6…3,0 | 3,1…3,5 | 3,6…4,5 | 4,6…6,0 | %

-307 | Al

Ti

Al+Ti | 18,6

25,1

18,1 | 37,0

37,5

34,3 | 21,2

18,7

17,9 | 10,5

9,0

14,2 | 5,4

4,6

5,5 | 2,0

1,9

4,5 | 1,7

1,4

1,2 | 1,4

0,7

1,5 | 0,2

0,1

0,4 | 1,08

1,36

1,29

- 337 | Al

Ti

Al+Ti | 19,5

21,9

19,2 | 50,8

50,8

46,9 | 20,5

19,3

19,1 | 5,6

4,6

7,9 | 2,2

2,2

3,27 | 0,7

1,0

1,5 | 0,6

0

1,5 | 0,3

0

0,6 | 0

0

0 | 0,36

0,38

0,38

-369 | Al

Ti

Al+Ti | 22,9

22,1

20,1 | 50,0

44,3

51,2 | 17,2

19,9

19,8 | 7,5

6,2

5,5 | 2,2

1,7

1,7 | 0,2

1,0

1,1 | 0

0,2

0,3 | 0

0,2

0 | 0

0

0 | 0,27

0,26

0,38

Рис.6 Вплив кисневого потенціалу флюсу (о) на розмір зерна первинного аустенита

При використанні спільного розкислення зварювальної ванни алюмінієм і титаном вміст включень нижче, ніж у випадку використання цих розкислювачів роздільно. З даних, приведених на рис.7, видно, що, у випадку комплексного розкислення зварювальної ванни, вміст ГФ у структурі вище, ніж у всіх інших варіантах. Такі зміни в структурі безсумнівно повинні позначитися на рівні механічних властивостей металу швів. Для перевірки цього припущення були виготовлені зразки і проведені іспити, результати яких приведені в табл.5.

Рис.7. Взаємозв’язок між легуванням ГФ кремнієм і об’ємною