Зубенко Л.Н.
Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический
университет»
УДК 621.791:620.22
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИКАТОРОВ В МЕТАЛЛУРГИИ И СВАРОЧНОМ
ПРОИЗВОДСТЕ (ОБЗОР)
В данной работе представлено назначение и виды модификаторов для управления процессом кристаллизации металла. Краткий обзор применения модификаторов в различных отраслях машиностроения. Рассмотрено использование модификаторов и модификаторов с наноразмерными частицами в сварочном производстве. Ключевые слова: сварочное производство, модификаторы, модифицирование, наноразмерные частицы, нанопорошки, металл шва.
По природе воздействия модификаторы можно разделить на три вида: модификаторы 1-го рода, 2-го и 3-го рода. Модификаторы 1-го рода влияют на структуру за счет изменения энергетических характеристик (энергия активации и поверхностное натяжение) з а р о ж д е н и я н о в о й ф а з ы . Модификаторы 2-го рода изменяют структуру, влияя на нее, как зародыши твердой фазы. Модификаторы 3-го рода - холодильники / инокуляторы -снижают температуру металла и повышают скорость кристаллизации, тормозя тем самым развитие ликвации элементов [1].
Наибольшее применение получили модификаторы 1-го рода. Модификаторы первого типа могут тормозить рост твердой фазы только за счет концентрационного барьера на границе расплав-кристалл. При этом не происходит изменения энергетических характеристик процесса. Добавки второго типа, снижают поверхностное натяжение на границе расплав-к р и с т а л л и и з б и р а т е л ь н о концентрируются на поверхности кристаллов (дендритов). Таким
образом, ввод модификаторов 1-го рода сопровождается изменением поверхностного натяжения и энергии активации в противоположных н а п р а в л е н и я х, о д н о в р е м е н н о и з м е л ьч а е т с я м а к р о з е р н о и укрупняется микрозерно, т.е. оказывается комплексное воздействие на макро- и микроструктуру. Модификаторы 1-го рода представлены в таблице 1 [1].
Т а к ж е н а п а р а м е т р ы кристаллизации и отражающую ее м а кр о ст р у к т ур у м о гу т в л и я т ь модификаторы 2-го рода. Это влияние связано с контактным действием на процесс зарождения центров кристаллизации. При введении в расплав нерастворимой примеси со свойствами, близкими к свойствам кристаллизующегося вещества, происходит существенное снижение интервала метастабильности расплава и измельчение макрозерна. Такие примеси называют изоморфными с кристаллизующимся веществом и модификаторами 2-го рода. Обычное содержание модификаторов этого типа менее 0,1 %. Модификаторы 2-го рода 3 представлены в таблице 1 [1].
Ввод модификаторов 3-го рода X (инокуляторов) в кристаллизующийся расплав обеспечивает повышение однородности и дисперсности литой ■ структуры, оптимизацию формы и ' распределения неметаллических включений, уменьшение некоторых литейных дефектов. Попадая в металл, в инокуляторы приводят к локальному > о х л а ж д е н и ю м е т а л л и ч е с к о г о
расплава, при этом сначала на них происходит намораживание корочки твердой фазы, которая в дальнейшем вследствие нагрева от окружающего расплава расплавляется, позже расплавляется и сам инокулятор. Таким образом, инокуляторы в р а с п л а в е о т б и р а ю т т е п л о н а собственный нагрев и расплавление, в результате чего снижается температура расплава. Эффект охлаждения приводит к росту скорости кристаллизации, что отражается на п о в ы ш е н и и о д н о р о д н о с т и механических свойств в крупных кованых изделиях ответственного назначения. С увеличение массы вводимых инокуляторов скорость кристаллизации возрастает [1].
На практике элементы -м о д и ф и к а т о р ы н а ш л и с в о е применение в различных отраслях машиностроения.
Например, в работе [2] при п р о и з в о д с т в е р е л ь с о в , с та л ь модифицируют сплавами Fe-Si-Ca-Ba, она имеет более высокую пластичность, чем пластичность стали, модифицированной сплавами Fe-Si-Са. В силу размерного несоответствия атомов кальция и бария с атомами железа и различия в электронном строении при их введении в сталь происходят необратимые изменения наноструктуры (кластерной структуры) расплава и приближение его к более равновесному состоянию.
В работе [3] представлено управление структурным состоянием расплава чугуна, а, следовательно, и процессом формирования заданных свойств при кристаллизации, с п о м о щ ь ю ф у л л е р е н о в ы х наномодификаторов. Одним из св о й ст в ф ул л е р е н о в , ко то р о е кардинально изменяет взгляды на структуру жидкого чугуна, является наличие физической поверхности раздела фуллерен-расплав со всеми термодинамическими параметрами,
присущими фазовым поверхностям раздела, что открывает возможности объяснения целого ряда явлений при модифицировании и кристаллизации расплавов чугуна. Наномодификатор э ф ф е к т и в н о в л и я е т н а кристаллизацию не только графитной фазы, но и на фосфидную эвтектику, и на первичное зерно чугуна, и на фазу н е м е та л л и ч е ск и х в к л ю ч е н и й , активизируя последнюю в качестве дополнительных гетерогенных центров графитизации.
В современном мире сварочное производство занимает одно из важнейших мест в машиностроении, т.к. большинство изделий производится при помощи различных способов сварки. Поэтому становится актуальным вопрос о применение м о д и ф и к а т о р о в , в т о м ч и с л е модификаторов с наноразмерными частицами в сварочном производстве. Хотя данное направление является новым, уже есть некоторые научные разработки в данной области.
Так в работе [4] представлены исследования по использованию в качестве модификатора бария при выплавке трубных сталей и сварке нефтегазопроводов. Введение 1-3% Ва в электродное покрытие обеспечивает высокую трещиностойкость сварных соединений, как на воздухе, так и в коррозионно-агрессивных средах. С к о р о с т ь к о р р о з и и с в а р н ы х металлоконструкций нефтегазопроводов снижается в 4-7 __ р а з . П р и это м б ол е е в ы со к а я эффективность бария в сравнении с кальцием, достигается только за счет снижения содержания серы и £ фосфора.
Введение в расплав стали X нанодисперсных металлических и неметаллических порошков [5], ^ свойства которых существенно® отличаются от свойств макро- и микропорошков того же химического с о с т а в а , с п о с о б с т в у е т
м од и ф и ц и р о в а н и ю м ет а л л а и в ы з ы в а ет п е р е р а сп р ед ел е н и е вредных примесей между границами и объемами зерен. Размер зерен при этом уменьшается, что приводит к повышению пределов текучести и прочности, увеличению пластичности и деформируемости стали, а также к снижению коэффициента трения. В качестве нанодисперсного компонента испол ьзовал и п орошок карби да вольфрама. Материалом, транспортирующим нанодисперсный порошок, служил порошок никеля, в который при совместной обработке в планетарной мельнице внедряли карбид вольфрама. В результате получали никелевые гранулы , в которых содержалось около 30 масс. % нанокарбидов. Введение никеля и н а н о к а р б и д о в в о л ь ф р а м а в электродные покрытия приводит к трансформации структуры металла в модифицированный субдисперсный твердый раствор на основе Fe с о с т а т о ч н ы м а у с т е н и т о м , расположенным по границам зерен. Ко л и ч е с т в о н е м е т а л л и ч е ски х включений, которые прежде имели произвольные очертания и были н еравн ом ерн о расп редел ен ы в металле, сократилось на 15-20%. Такая структура металла должна способствовать повы шен ию его пластических свойств в условиях отрицательных температур и циклического нагружения. Изменение структуры и химического состава металла привело к увеличению его твердости на 23-25%.
В работе [6] представлена технология сварки жаропрочны х никелевых сплавов с применением частиц тугоплавких соединений. Для повышения свойств металла шва было п р и м е н е н о м од и ф и ц и р о в а н и е металлической ванны дисперсными ино кул я тора м и , в частности карбонитридом титана. Введение к о м п о н е н т о в о с у щ е с т в л я л и
п е р е п л а в о м д о п о л н и т ел ь н о го трубчатого электрода на никелевой основе, внутренняя полость которого зап ол н я л ась п орош кообразн ы м модификатором. В макроструктуре металла шва имеют места зерна, г р а н и ц ы к о т о р ы х в о сн о в н о м приблизительно одинаково удалены от центра. Размер зерна при этом уменьшается до 1-2 мм. Микроструктура модифицированного шва показывает, что карбиды имеют к о м п а к т н у ю о к р угл ую ф о р м у, расположены в большей части на границах зерен, что, по-видимому, и у п р о ч н я е т и х , о б у с л а в л и в а я п о в ы ш е н н у ю ж а р о п р о ч н о с т ь . Структура околошовной зоны имеет меньший размер зерна, что несколько повышает свойства всего сварного соединения. Таким образом, и с с л е д о в а н и я п о к а з а л и , ч т о повышение свойств металла шва при его модифицировании связано со с н и же н и е м ур о в н я л и кв а ц и й , у л у ч ш е н и е м м о р ф о л о г и и и топографии карбидных фаз.
На данный момент уже имеется т е х н о л о г и я п р и м е н е н и е н а н о м а т е р и а л о в п р и высокотемпературной обработки никельхромовых сплавов при э л е к т р о ш л а к о в о м л и т ь е и электрошлаковой сварке [7]. При этом возможно управление микро- и м а кр о структур ой жар о п роч н ы х никельхромовых сплавов и их физико-механическими свойствами при п о м о щ и в в е д е н и я в р а с п л а в наночастиц карбонитрида титана в виде нанокристаллов, которые служат центрами кристаллизации.
Также разработана технология лазерной сварки с применениемд нанопорошка, позволяющая получать с в а р н о й ш о в с с у щ е с т в е н н о ул у ч ш е н н ы м и п р о ч н о с т н ы м и свойствами [8]. Основная идея новой § представленной технологии — > введение в сварной шов порошка
тугоплавкого соединения (например, карбида или н итрида титан а) с наноразмерными частицами. Это даёт возможность управлять процессом кристаллизации металла при сварке. Введение нанопорошка в сварной шов и з м е н я е т п р о ц е с с зароды ш еобразован и я, которое происходит на наноразмерн ых частицах на границе контакта трёх фаз (наночастица - зародыш - расплав) и резко изменяет строение и величину (морфологию и дисперсность) растущего зерна. Структура шва в м е сто и го л ьч а то - д е н д р и т н о й ста н ови тся квази равн оо сн ой и мелкодисперсной. Сварной шов с дендритно-игольчатой структурой не столь прочен, как с мелкодисперсной. Уменьшается размер неметаллических в к л ю ч е н и й , с о о т в е т с т в е н н о повышаются механические свойства (прочность и пластичность) металла шва, возрастает в несколько раз относительное удлинение, увеличиваются предел прочности и предел текучести.
Изучен процесс лазерной сварки с п ри м ен ен и ем н а н оп о ро ш ко вы х инокуляторов [9, 10]. В качестве н ан оп орош ковы х и н о кул я торов и с п о л ь з о в а л и с ь т у го п л а в к и е соединения "Ш, ТЮ, У2О3, а также их смесь, плакированные хромом. Подготовленная композиция наносилась в виде суспензии на поверхность свариваемых пластин. Применение наномодификаторов позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет у в е л и ч е н и я к о э ф ф и ц и е н т а поглощения интенсивности лазерного излучения. При этом уменьшается ш и р и н а с в а р н о г о ш в а , з о н а термического влияния улучшается качество соединения, измельчается структура сварного шва, существенно во з р а ста ют е го м еха н и ч е ски е характеристики. В работе [11] рассматривалась лазерная сварка
стали с титановым сплавом. Для проведения экспериментов использовались коррозионно-стойкая сталь и титановый сплав с промежуточными вставками. Наиболее эффективной оказалась вставка на основе меди М1. При этом сварное соединение с медной вставкой о бл а да ет д о статоч н о в ы со ко й прочностью.
Для изготовления строительной и дорожной техники, оборудования для горно-добывающей промышленности, подъемно-транспортного о б о р у д о в а н и я и д р у г и х металлоконструкций в основном и сп о л ь з уют ко н ст р укц и о н н ы е , легированные стали. Основным способом получения неразъемных соединений данных сталей является сварка плавящимся электродом, к недостаткам которой относятся механическая, структурная и химическая неоднородность сварного соединения. Актуальным становится вопрос применения модификаторов, а в частности наноразмерн ых эл ем ен тов, при дуговой сварке плавящимся электродом. Это позволит управлять процессом кристаллизации металла сварочной ванны; прогнозировать структуру и свойства металла шва, а также получать равнопрочные сварные соединения.
Список литературы
1. Задиранов А.Н., Кац А.М. Теоретические основы кристаллизации __ металлов и сплавов. Из-во. РУДН, ¿3 2008. - 227 с. g
2. Гольштейн Я.Е., Мизин В.Г. в Модифицирование и J микролегирование чугуна и стали. М: 3 Металлургия, 1986. - 271 с. X
3. Давыдов С. В. ^ Наномодификатор как инструмент ^ генной инженерии структурного g состояния расплава чугуна - Сб. докладов Литейного консилиума №1 у «Модифицирование как эффективный
метод повышения качества чугунов и сталей» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006. - 40 с.
4. Дерябин А.А, Цепелев В.С., Конашков В.В., Берестов Е.Ю., Могильный В.В. Кинетическая вязкость рельсовой стали, модифицированной сплавами Fe^-Са и Fe-Si-Са-Ва. Известие высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2008. - №4. -с. 3-6.
5. Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама. // Физика и химия обработки материалов. - 2009. - №6. -с. 41-47.
6. Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов. // Омский научный вестник. - 2009. - №3. - с. 63-67.
7. Жеребцов С. А. Применение н а н о м а т е р и а л о в и высокотемпературной обработки никельхромовых сплавов при электрошлаковом литье: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -
Новокузнецк, 2006. - 22 с.
8. Наночастицы в каждый самолет // Наука и жизнь. - 2008. - №4.
- с. 8.
9. Афонин Ю.В., Черепанов А.Я., Оришич А.М., Батаев А.А., Буров В.Г., Маликов А.Г. Лазерная сварка титана с использованием нанопорошковых инокуляторов. // Исследование, разработка и применение высоких техн ол огий в п ром ы ш л ен н ости : сборник трудов 5 Международной научной - практической конференции.
- Санкт - Петербург, 2008 - Т. 12 - с. 322-324.
10. Черепанов А.Н., Афонин Ю.В., Маликов А. Г., Оришич А.М. О п р и м е н е н и и н а н о п о р о ш к о в тугоплавких соединений при лазерной сварке и обработке м еталлов и сплавов // Тяжелое машиностроение. -2008. - №4. - с. 25-26.
11. Черепанов А.Н., Афонин Ю.В., Оришич А.М. Лазерная сварка стали с титановым сплавом с применением п р о м е ж у т о ч н ы х в с т а в о к и нанопорошковых инокуляторов // Тяжелое машиностроение. - 2009. -№8. - с. 24-26.
Зубенко Л.Н.
Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический __
университет» ^
УДК 621.791.92:620.03 £
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИКАТОРОВ В СОСТАВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ПОКРЫТИЙ
В работе приведены элементы-модификаторы, которые можно применять в составе д функциональных покрытий для улучшения процесса сварки, свойств и структуры наплавленного д металла.
Ключевые слова: элементы-модификаторы, защитные покрытия, структура наплавленного е металла.
Дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов занимает одно я из ведущих мест во всех отраслях промышленности. Одним из существенных и недостатков дуговой сварки в среде защитных газов является повышенное