CC BY
14РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
DOI: 10.25712^т2072-8921.2019.01.027 УДК 621.78.06
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ СТАЛЕЙ, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ
Е.А. Иванайский, А. В. Ишков, В.В. Иванайский, и Я.В. Очаковский
Исследовалась различные способы сварки стали 30МпВ5, микролегированной бором. Установлено, что при сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа происходит снижение твердости металла шва, за счет уменьшения концентрации в нем бора и других легирующих элементов. При использовании нейтральных атмосфер на основе аргона твердость металла шва после закалки составляла менее 20 HRC. В металле шва наблюдалась значительная структурная неоднородность вследствие малого перемешивания основного и электродного металла, в котором отсутствовал бор, а содержание углерода не превышало 0,11%. Показано что использование в качестве защитной атмосферы монооксида углерода обеспечивает отсутствие выгорания легирующих элементов. Сварные соединения, выполненные в восстановительной атмосфере, обеспечивали твердость металла шва до 43 HRC, а так же повышенное, по сравнению с другими способами сварки содержание легирующих элементов. Установлено, что выполненные сварные соединения, хорошо закаливаются, несмотря на пониженное содержание углерода. Использование при дуговой сварке монооксида углерода в качестве защитного газа обеспечивает стабильное горение дуги и хорошее формирование сварного шва и позволяет значительно расширить область применения легированных проволок при механизированной сварке.
Ключевые слова: дуговая сварка, защитные атмосферы, монооксид углерода, микролегированные стали, бор, твердость.
В настоящее время в машиностроении начинают активно использоваться детали, изготовленные из борсодержащих сталей. Например, износостойкие накладки, ножи грейдера, гусеничные цепи, футеровочные и сортировочные плиты, дробильные установки, режущие полотна, лопасти и другие детали для сельскохозяйственных, дорожных машин и специальной техники. Состав и свойства данных сталей регламентируется требованиями EN 10083, а так же национальными стандартами, разработанными на их основе. Введение микродобавок бора существенно увеличило прокаливаемость, обеспечило снижение содержания углерода и других легирующих элементов в металле. Стали имеют низкую твердость после прокатки, хорошо поддаются формованию, гибке и резке, что позволяет изготавливать сложные детали и изделия. Закалка с отпуском обеспечивает высокую прочность в сочетании с хорошей ударной вязкостью, высокой износостойкостью и сопротивлением механическим нагрузкам. Вместе с тем при сварке данных сталей, происходит не только изменение химического состава сварного шва, но и разупрочнение зоны термического влияния под воздействием термического цикла.
Имеется ряд работ, в которых рассматриваются различные сочетания сварочных материалов для сварки сталей микролегированных бором. Так в работе [1] предлагается использовать стандартную сварочную проволоку Св-
08Г2С с добавками 0,005 % бора предназначенную для сварки в среде углекислого газа. Разработана технология изготовления данных проволок, однако не приводятся данные о составе и свойстве сварного соединения. В работе [2] приводятся данные, что положительное влияние бора на микроструктуру стали отмечается при его содержании более 0,002%.
В работе [3] исследовали свойства сварных соединений низкоуглеродистой стали 10Г2ФБ выполненных порошковой проволокой с добавками бора. При этом его содержание в сварном шве составляло порядка 0,00025%...0,0065%.
Орловым с соавторами [4] установлено, что микролегирование шва бором через флюс является недостаточно надежным, из-за низкой металлургической активности оксида бора содержащемся в сварочном флюсе. Было предложено использование специализированных порошковых проволок, обеспечивающих содержание бора в металле шва до 0,0065%. При большем содержании бора было отмечено образование трещин в сварном шве.
Во всех приведенных выше способах, а так же при ручной дуговой сварке в качестве защитной атмосферы используется углекислый газ. Известно [5] что при высокой температуре происходит диссоциация углекислого газа на углерод, мноооксид углерода и кислород, которые растворяются в расплавленной
сварочной ванне, либо рекомбинируют в более холодных областях дуги в углекислый газ. Образовавшийся свободный кислород химически взаимодействует с легирующими элементами с образованием оксидов. При этом в работах [6,7] показано, что происходит активное окисление углерода и легирующих элементов из капель в процессе плавления и дугового переноса жидкого металла. Скорость окисления повышается с ростом окислительной способности среды [6]. Потери легирующих элементов происходят как за счет окисления, так и за счет испарения с поверхности капли. Отношение между содержанием испаряющегося и окисляющего элемента определяется содержанием кислорода в газовой фазе и режимом сварки [7].
На основании изложенного выше была сформулирована задача подбора защитной газовой среды, не вызывающей окисление легирующих элементов. В настоящее время для этих целей используются либо нейтральные
газы (Аг и Не), либо восстановительные атмосферы, состоящие из инертных газов и водорода.
Целью данной работы является исследование различных способов дуговой сварки сталей, микролегированных бором.
Исследования проводились для стали 30МпБ5. Химический состав основного металла сварных швов, выполненных различными способами сварки, приведен в таблице 1.
Сталь сваривалась с использованием сварочной проволоки Св-08Г2С. Полученные образцы затем закаливали в воду с температуры 880...900оС. Исследовалась микроструктура твердость и микротвердость различных участков сварных соединений.
Для теоретических исследований возможных химических реакций, протекающих выше температуры плавления, использовалась методика приведенная в работе [8].
Химический состав, % вес
О Б1 Мп Ог Ои Б Б Р
0,348 0,225 1,259 0,015 0,044 0,003 0,0069 0,0085 1
0,120 0,617 1,109 Следы 0,104 Следы 0,0058 0,0079 2
0,072 0,456 1,093 Следы 0,061 Следы 0,0059 0,0071 3
0,178 0,692 1,268 0,010 0,131 0,002 0,0097 0,0072 4
Примечание 1 основной металл; 2 - сварка в среде СО2; 3 - сварка в среде Аг;
4 - сварка в среде СО
Таблица 1 - Результаты химического анализа (со стороны валика наплавляемого последним)
По данным производителя для стали 30МпБ5 могут применяться стандартные технологии сварки с низководородными сварочными материалами, поэтому первоначально использовалась механизированная сварка плавящимся электродом в среде углекислого газа. При этом был отмечено значительное падение ресурса работы оборудования. Было установлено, что после закалки твердость основного металла составила 46.48 HRC, а металла сварного шва 32.34 НРО. Химический анализ показал (таблица 1), что в сварном шве произошло снижение содержание углерода марганца и бора, при некотором повышение содержания кремния, по-видимому, за счет его перехода из сварочной проволоки.
С целью снижения выгорания легирующих элементов была использована технология аргонодуговой сварки. Химический состав наплавленного металла так же приведен в таблице 1.
При этом наблюдалось значительное снижение содержания практически всех легирующих элементов. Твердость металла шва ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
после закалки составляла менее 20 НРО. Выполнялось измерение микротвердости закаленных образцов по сечению сварного шва, а так же металлографический анализ структуры металла. Установлено, что образцы, сваренные аргонодуговой сваркой имеют значительную структурную неоднородность. Корневой участок имеет типичную мартенситную структуру с твердостью порядка 41.47 НРО. В средней зоне сварного шва наблюдается структура верхнего бейнита с выделением перистого феррита. Соответственно происходит снижение значений твердости металла до 30.20 НРО в зависимости от места измерения. Это может быть объяснено малым коэффициентом перемешивания основного и электродного металла, в котором отсутствовал бор, а содержание углерода не превышало 0,11%.
Верхние участки сварного шва имеют твердость менее 20 НРО. Металл имеет структуру Видманштетта, состоящую из зерен перлита с игольчатыми выделениями феррита, и
Е.А. ИВАНАЙСКИЙ, А. В. ИШКОВ, В.В. ИВАНАЙСКИЙ, И Я.В. ОЧАКОВСКИЙ
округлых зерен феррита. Отмечены отдельные участки со структурой верхнего бейнита. Скорость охлаждения даже при закалке в воду оказалась не достаточной для формирования мартенситной структуры. При этом предполагается отсутствие активных химических реакций между сварочной ванной и защитной атмосферой инертного газа.
Таким образом, было установлено, что использование технологии сварки в среде активных и инертных газов не обеспечивает требуемых механических свойств.
Известно, что под воздействием тепла сварочной дуги происходит диссоциация углекислого газа с выделением атомарного кислорода, в связи с чем, данные атмосферы считаются окислительными (1, 2).
2СО2 ^ 2СО + О2 (1) 2СО ^ 2С + О2 (2) Вместе с тем, монооксид углерода СО, обладает явно выраженными восстановительными свойствами, и широко используется в металлургии для восстановления металлов из оксидов. Использование СО при сварке сдерживалось его вредным биологическим воздействием. Предложено осуществлять предварительный подогрев монооксида выше температуры вспышки, в результате чего происходит его сгорание в атмосфере воздуха с образованием неопасного углекислого газа (2).__
Ь) х500
с) х500 С) х500
Рисунок 1 - Схема сварного шва стали 30МпВ5 выполненного в среде углекислого газа (а) и микроструктура зоны 2 (Ь), 3 (с), 4 (С)
Расчеты изобарно-изотермического потенциала ДО показал, что легирующие элементы, такие как Си, Ы1, Со, Мо, W, Сг, Мп, Б1, В, в диапазоне температур 1500... 3500 оК не вступают в химические реакции с СО. Наоборот, будут протекать реакции восстановления оксидов указанных элементов, за исключением кремния и бора.
Сварку образцов стали 30МпВ5 в восстановительной атмосфере выполняли на стандартном оборудовании для механизированной сварки в среде активных газов. При этом вместо баллона с СО2 подключался баллон с СО. Модернизированная горелка обеспечивала подогрев подаваемого монооксида углерода до температуры 870.900 оК. Как видно из таблицы 1 в металле шва увеличилось содержание углерода, кремния, марганца, хрома и меди. Это является доказательством отсутствия выгорания данных элементов при сварке в среде монооксида углерода. Соответственно увеличилась и твердость металла шва до 32.43 ИКС в зависимости от зоны сварного шва (Рис. 2).
Шов после закалки имеет микроструктуру мартенсита в нижней части, феррито-мартен-ситную смесь в середине и бейнитную структуру в верхней части. Закалочные структуры сформировались, несмотря на снижение содержания углерода, вследствие перемешивания основного и электродного металла.
Использование при дуговой сварке защитных атмосфер на основе монооксида углерода позволяет значительно расширить область применения легированных проволок при механизированной сварке. Рекомендуемая газовая среда обеспечивает стабильное горение дуги и хорошее формирование сварного шва.
В результате проведенных работ, установлено, что для сталей микролегированных бором, при использовании наиболее распространенных способов сварки имеют участки пониженной твердости, снижающие ресурс работы.
с) х500
с1) х500
Рисунок 2 - Схема сварного шва стали 30МпВ5 выполненного в среде монооксида углерода (а) и микроструктура зоны 2 (Ь), 3 (с), 4 (С)
Использование в качестве защитной атмосферы монооксида углерода обеспечивает отсутствие выгорания легирующих элементов и позволяет обеспечить требуемые механические свойства.
Применение восстановительных защитных атмосфер при механизированной сварке сталей позволит расширить область применения легированных сварочных проволок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.М. Нестеренко, А.Б Сычков, В.И. Су-хомлин Вестник МГТУ им. Г.И. Носова №3 с. 30-32 (2012) (in Russian).
2. В.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревян-ченко, М.А. Жигарев Вестник МГТУ им. Г.И. Носова №1 (9) с. 15-17 (2005) (in Russian).
3. Л.И. Файнберг, А.А. Рыбаков, А.Н. Алимов, Р. Розерт Автоматическая сварка № 5 с. 20-25 (2007).
4. Л.Н. Орлов, М.Г. Шарапов, В.Л. Волынец Судостроение № 5 с. 54-57 (2010) (in Russian).
5. www-lincolnelectric.com Gas Metal Arc Welding. Product and Procedure Selection, available at: http://www.lincolnelectric.com/ assets/ global/ Products/ Consumable_MIGGMAW-Wires-SuperArc-SuperArcL-56/c4200.pdf.
6. П.А. Норин, Н.И. Малышев, С.В. Рущиц,
Сварочное производство, № 7 с. 4-6, (1980) (in Russian).
7. П.А. Норин, Н.И. Малышев, Сварочное производство, №2 с. 21-23 (1982) (in Russian).
8. А.В. Ишков и др. Известия Алтайского государственного университета № 3 (83) с. 199-203 (2014) (in Russian).
Иванайский Евгений Анатольевич,
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова к.т.н., доцент кафедры «Наземных транспортно-технологических систем», [email protected] тел. +7-960-939-91-83.
Ишков Алексей Владимирович, Алтайский государственный аграрный университет, д.т.н., профессор кафедры «Технология конструкционных материалов и ремонт машин», [email protected].
Иванайский Виктор Васильевич, Алтайский государственный аграрный университет, д.т.н., профессор кафедры «Технология конструкционных материалов и ремонт машин», [email protected].
Очаковский Яков Владимирович Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, аспирант, [email protected].
