CC BY
26
Еремин E.H., Денисов С.С., Романовский M.B.
Омский государственный технический университет, г. Омск
МАЛООТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ ИЗДЕЛИЙ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Изделия ответственного назначения, изготавливаемые из жаропрочных сплавов, широко используются в авиационном двигателестроении. Производство заготовок таких изделий в сварном варианте позволяет существенно повысить коэффициент использования дорогостоящих сплавов. Однако такие сплавы обладают низкой свариваемостью и поэтому заготовки изготавливаются большей частью различными методами горячего передела - ковки, прошивки, раскатки, что обусловливает высокую трудоемкость их получения и низкий коэффициент использования металла. Применение таких технологических процессов является вынужденным решением, к которому прибегают из-за низкого качества сварных соединений. Поэтому изыскание технологии изготовления таких заготовок в сварном варианте является весьма актуальной задачей.
В этом отношении перспективно применение электрошлакового способа, обеспечивающего однопроходную сварку конструкций различной толщины. Однако широко зарекомендовавшие себя способы электрошлаковой сварки пластинчатым, проволочным и пластинчато-проволочным электродами не всегда обеспечивают необходимое качество сварных соединений из жаропрочных никелевых сплавов. В первую очередь, это связано с образованием в сварных соединениях специфических дефектов - непроваров, подрезов, усадочных раковин. Для их устранения значительно завышают размеры прибылей, что не решает задачи в целом и к тому же приводит кувеличению расхода электродного металла и существенному повышению затрат на последующее механическое снятие излишка металла шва из труднообрабатываемых сплавов.
С целью устранения отмеченных недостатков использовали электрошлаковую сварку "расщепленным" комбинированным электродом, осуществляемую одновременным вводом в шлаковую ванну неплавящегося и плавящегося электродов, а также устройства сигнализации оплавления корня шва и вывода усадочной раковины. Для осуществления процесса использовали специализированную установку, созданную на базе унифицированных узлов электрошлаковых аппаратов А-612 и А-433Р и источника питания TLUC-3000. Электрошлаковый процесс вели по схеме, представленной на рис. 1.
В колодец, образованный свариваемыми кромками и формирующими шов накладками медного водоох-лаждаемого приспособления, вводится мундштук специальной конструкции, совмещающей в себе электрододер-жатель с неплавящимся электродом и направляющий канал для электродной проволоки. Поскольку при работе с неохлаждаемым мундштуком устойчивость шлакового процесса нарушается вследствие возрастания контактного сопротивления поверхностей скольжения проволоки в направляющем канале, в устройстве применен водоохлаждаемыйэлектрододержатель.
\
ф> зГЪ
-Ш >
1 и--""'
Рис. 1. Схема сварки комбинированным электродом 1 - мундштук; 2 - неплавящийся электрод; 3 -направляющий канал; 4 - проволока; 5 - шлаковая ванна; 6 - металлическая ванна; 7 -затравка; 8 - свариваемые кромки;
9 - формирующая накладка
Применение водоохлаждаемого мундштука позволило через тонкостенный токоподвод пропускать ток до 1500 А и увеличить "сухой" вылет электрода до 20-30 мм. С целью предотвращения короткого замыкания с формирующими накладками при малых зазорах мундштук изолирован слоем окиси алюминия, напыленным на его поверхность. Для наведения шлаковой ванны неплавящийся электрод закорачивается с дном приспособления через подложку-затравку из свариваемого металла толщиной 1,5-2 мм, после чего засыпается флюс. Шлаковая ванна наводится путем расплавления флюса теплом, выделенным при прохождении электрического тока по цепи: неплавящийся электрод - дно приспособления.
Отработка технологии электрошлаковой сварки комбинированным электродом проводилась на образцах из сплава ЭИ-437БУВД (ХН77ТЮР) толщиной 10-25 мм с использованием флюса АНФ-21. В качестве неплавящегося электрода использовались вольфрамовые прутки диаметром 8-10 мм. Плавящимся электродом служила проволока ЭП-533 диаметром 3 мм.
Как показали эксперименты, замыкание неплавящегося электрода через тонкую подложку обеспечивало наведение шлаковой ванны практически без дуги. Процесс легко стабилизировался при 11хх = 25 В. В результате проведенных экспериментов были установлены режимы элекг-рошлаковой сварки комбинированным электродом, оптимальные значения которых приведены в табл. 1. На таких режимах швы формируются без несплавлений и подрезов.
Большое влияние на качество металла и формирование швов оказывают флюсы. Наименьший угар титана и алюминия-основных легирующих элементов, образующих у' -фазу, обеспечивают флюсы АНФ-7, АНФ-1. Поэтому их чаще используют при сварке жаропрочных сплавов, легированных этими элементами [1].
Однако флюс АНФ-7 гигроскопичен, что усложняет его применение из-за необходимости частого прокаливания при высоких температурах. Флюс АНФ-1 имеет высокую температуру плавления, что вызывает появление такого дефекта, как несплавление свариваемых кромок. Кроме того, он обладает значительной электропроводностью и не обеспечивает высокую температуру шлаковой ванны, необходимую для осуществления процесса модифицирования. В этом отношении флюс АНФ-21 системы СаР2 - А12Оз - ТЮ2, предназначенной для электрошлакового переплава титансодержащих сталей, также перспективен и для сварки, поскольку не гигроскопичен,
имеет пониженную температуру плавления и обеспечивает высокую температуру шлаковой ванны [2].
Таблица 1
Оптимальные параметры режимов сварки комбинированным электродом сплава ЭИ-437БУВД
Таблица 3
Результаты механических испытаний сплава ЭИ-437ВУБД при нормальной температуре
S.mm Параметры режимов
dro J.A ив v„„. М/Ч Vcb.M/Ч
10-15 8 800-1000 18-19 160-180 5.4-6.0
15-20 8 900-1100 19-20 180-200 4.9-5.6
20-30 10 1000-1200 20-21 190-220 4.5-5.5
Объект исследования Концентрация элементов, % вес.
Al Ti
Электрод 0,86 2,76
Шов 0,65-0,77 2,50-2,54
Требования ТУ 0,6-1,0 2,5-2,9
Другой трудностью сварки жаропрочных никелевых сплавов являются низкие механические свойства металла шва и жаропрочность. В связи с этим провели исследование качества сварных соединений с помощью металлографии, механических испытаний и испытаний на длительную прочность. Образцы проходили термическую обработку в соответствии с ТУ на основной металл: закалка 1080 °С - 8 часов, охлаждение на воздухе, старение 700 °С -16 часов, охлаждение на воздухе.
Результаты испытаний показали, что свойства металла шва, полученного с применением проволоки ЭП-533, не удовлетворяют требованиям технических условий по всем показателям. Низка также и длительная прочность швов при температуре 750 °С и нагрузке 350 МПа, которая составляет 60-70 % от требуемой. Свойства околошовной зоны превышают свойства металла шва. Поэтому разрушение всегда происходит по шву, как наиболее слабому месту сварного соединения.
Как показано авторами ряда работ [1, 3,4] наиболее целесообразно использовать при сварке металлургические пути повышения свойств сварных соединений. К основному металлургическому приему следует отнести подавление столбчатого характера кристаллизации и измельчение кристаллической структуры путем легирования элементами - модификаторами [5, 6]. Кроме того, в случае образования равноосной структуры шва появляется возможность искусственного увеличения скорости сварки при неизменной погонной энергии [7].
В связи с этим для повышения свойств металла шва было применено модифицирование его ультрадисперсным порошком карбонитрида титана (0,04 %) с помощью порошковой проволоки на никелевой основе [8, 9].
Результаты испытаний образцов из сплава ЭИ-437БУВД при нормальной температуре и на длительную прочность представлены в табл. 3 и 4.
Оценку химического состава металла шва по основным легирующим элементам, являющимся ответственными за свойства сплава, осуществляли на оптико-эмиссионном анализаторе АРС-МЕТ-ЭЗОЭР
Результаты химического анализа металла электрода и шва при сварке сплава ЭИ-437БУВД под флюсом АНФ-21, приведенные в табл. 2, показали целесообразность использования данного флюса, поскольку он обеспечивает химический состав металла шва требованиям технических условий, а также его качественное формирование.
Таблица 2
Концентрация основных легирующих элементов в сплаве ЭИ-437ВУВД
О&ьект исследований С7В, МПа О Т- МПа S. % ¥ % KCU, МДжЛг НВ 4ми
Немодифиц. шов 811-838 628-644 8.7-9.8 7.1-8.4 0.21-0.28 3,8
824 636 9.4 7.8 0.25
Модифицир. шов 1056-1072 1063 791-802 795 18.2-19.1 18.6 19.5-20.8 20.3 0.68-0.75 0.71 3,2
О.Ш.З. 920-936 929 721-732 726 12.1-13.2 12.6 14.6-15.9 15.2 0.37-0.46 0.42 3,4
Требования ТУ >950 >650 >12 >14 >0,3 <3,7
Таблица 4
Результаты испытаний сплава ЭИ-437ВУБД на длительную жаропрочность
Объект исследований 750 350 Место разрушения
Немодифицированный шов 31-42 36 —
О.Ш.З. при сварке без модифицирования 46-51 48 Шов
Модифицированный шов 92-98 94 —
О.Ш.З. при сварке с модифицированием 50-57 53 ош.з.
Требования ТУ >50 —
Металлографически исследовали место разрушения, величину зерна, распределение неметаллических включений и характер выделения упрочняющих фаз. Исследования макроструктуры показывают, что разрушение всех образцов носит межзеренный характер. Макроструктура немодифицированного шва характеризуется развитой транскристаллизацией от зоны сплавления коси (рис. 2 а). В средней части шва наблюдается область встречи двух кристаллизующихся фронтов. Столбчатые кристаллы имеют радиально-осевое направление с небольшим углом наклона. Такое расположение границ зерен представляет собой наиболее уязвимые места.
Рис. 2. Фрагменты макроструктуры сварных соединений, полученных ЭШС а - без модифицирования (х 0,5); б - с модифицированием (х 1)
При изучении мест разрушения образцов из немодифицированного металла шва после длительных жаропрочных испытаний установлено, что оно всегда происходит в зоне направленной кристаллизации. Особенно низка жаропрочность металла шва, у которого границы кристаллитов расположены перпендикулярно, либо под небольшим углом к действию главных напряжений.
В макроструктуре модифицированного шва имеют место зерна, границы которых в основном приблизительно одинаково удалены от центра (рис. 2 б). Размер зерна при этом уменьшается до 1,0-2,0 мм. Дефектов металла шва на всех шлифах не обнаружено. Разрушение образцов во время длительных жаропрочных испытаний происходит в зоне равноосных зерен. Образование такой
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
39
структуры, устраняющей зону "слабины" по оси шва, приводит к повышению технологической прочности, что позволяет в свою очередь вдвое повысить скорость сварки.
Микроструктура немодифицированного металла шва характеризуется наличием большого количества строчечных карбидов, иногда игольчатой формы, боридных эвтектических фаз на границах и значительным количеством мелких неметаллических включений вблизи границ (рис. 3,а). Близкая картина наблюдается и в околошовной зоне. Борид-ные эвтектики, имея относительно низкую температуру плавления, способствуют появлению кристаллизационных трещин при сварке.
• * .....;., • * . : *
1- ... S.
д V V ■
X 'й • •7$, . .. S ' ■
- . ■: " V'. 'i
Л \
Ж
а)
б)
Рис. 3. Микроструктура металла шва а - без модифицирования (х240); б - с модифицированием (х520)
Изучение микроструктуры металла модифицированного шва (рис. 3 б) показывает, что карбиды в этом случае скоагулированны, они имеют компактную округлую форму, расположены большей частью на границах зерен, что по-видимому и упрочняет их, обусловливая повышенную жаропрочность такого металла. Количество неметаллических включений в этом случае незначительно. Структура околошовной зоны аналогична предыдущему случаю, но вследствие более высокой скорости сварки имеет меньший размер зерна, что несколько повышает свойства сварного соединения в целом.
Изучение у' -фазы (рис. 4) показывает, что образующиеся при распаде твердого раствора выделения упрочняющей фазы уже в литом состоянии являются достаточно мелкими и равномерно распределёнными для модифицированного металла шва, кристаллизующегося при относительно высоких скоростях.
Рис. 4. Строение у -фазы в швах (х8000) а - без модифицирования; б - с модифицированием
В структуре немодифицированного шва наблюдаются обширные выделения вторичных фаз, занимающих значительную часть у - матрицы, вследствие чего количество у' -фазы существенно меньше.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что повышение свойств металла шва связано со
снижением уровня ликвации, совершенствованием у -
фазы, улучшением морфологии и топографии карбидных фаз.
Полученные результаты свидетельствуют о широких технологических и металлургических возможностях электрошлаковой сварки комбинированным электродом в производстве изделий ответственного назначения из жаропрочных сплавов.
Список литературы
1. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов.-
М.: Машиностроение, 1966. - 430 с.
2. Металлургия электрошлакового процесса /Б.И. Медовар, А.К.Цыку-
ленко, В.Л. Шевцов и др. - Киев: Наук, думка, 1986. - 248 с.
3. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. -М.: Металлургия, 1969.
- 752с.
4. Шоршоров М.Х. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов.-
М.: Машиностроение, 1973. - 224 с.
5. Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соединений. -Л.: Машинострое-
ние, 1972.-272 с.
6. Влияние переплавных процессов на структуру и свойства сталей /
Ю.А. Башнин, В.Н. Исакина, Е.А. Масленкова. - М.:Металлургия, 1991. - 240с.
7. Дудко Д.А., Сидорук B.C., Тягун-Белоус Г.С. Пути снижения тепло-
вложения в свариваемый металл при электрошлаковой сварке толстостенных конструкций //Автоматическая сварка.-1982.-№10.- С. 48-50.
8. Сабуров В.П. Упрочняющее модифицирование стали и сплавов //
Литейное производство.- 1998.- № 9.- С. 7-8.
9. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н., Радченко В.Г. Электрошлаковая сварка
элементов протяжки для производства трубных отводов // Сварочное производство.- 2002.- № 12.- С. 29-31.
М.Д. Филинков, Д.Е. Дорфман Курганский государственный университет, г. Курган
МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РЗМ-ЧУГУН
В статье излагаются материалы по взаимодействию редкоземельных металлов (церия и др.) с растворенными примесями О2, Н2, N2, S. Определены условия, при которых возможно образование оксидов, нитридов и сульфидов, оказывающих влияние на формирование структуры и механических свойств сплава.
Уровень прочностных свойств и структурное состояние конструкционных серых чугунов во многом не соответствует возрастающим требованиям, продолжает оставаться недостаточно высоким. Это существенно ограничивает область их применения в современном машиностроении.
Важнейшим направлением в улучшении структуры и механических характеристик чугунов продолжает оставаться постоянно расширяющееся применение внепеч-ной обработки расплава РЗМ-содержащими лигатурами в сочетании с последующим термическим упрочнением рабочих контактных поверхностей изделия высоконцен-трированным потоком тепловой энергии.
Закономерности взаимодействия редкоземельных металлов (РЗМ) с растворенными в расплаве чугуна химическими элементами ^ N S) и кристаллизирующимися при их затвердевании фазами изучены далеко не полностью. Недостаточность исследований в этой области ограничивает более интенсивное применение РЗМ в качестве модификаторов, раскислителей и дегазаторов рас-
