Научная статья на тему 'Аргоно-дуговая сварка высокопрочной цементуемой стали ВНС-63'

Аргоно-дуговая сварка высокопрочной цементуемой стали ВНС-63 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
60
12
Поделиться
Журнал
Труды ВИАМ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА / СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ / ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА / ЦЕМЕНТАЦИЯ / СТОЙКОСТЬ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН / ПРОЧНОСТЬ / УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ / МНОГОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ / TIG WELDING / WELDED SAMPLES / HEAT TREATMENT / CEMENTATION / HOT CRACKS RESISTANCE / STRENGTH / IMPACT STRENGTH / HIGH CYCLE FATIGUE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Лукин В. И., Банас И. П., Ковальчук В. Г., Голев Е. В.

Подобран режим сварки стали ВНС-63. Проведены исследования сварных образцов из стали ВНС-63. Исследованы свойства и структура сварных соединений, влияние сварки и термической обработки на механические свойства сварных соединений из стали ВНС-63.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Лукин В. И., Банас И. П., Ковальчук В. Г., Голев Е. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Tig welding of high-strengthened cemented steel VNS-63

The parameters of TIG welding technology of steel VNS-63 sampleswere selected. Investigation of welded samples made from VNS-63 were conducted. Mechanical properties and structure of welded samples, the influence of welding technology and heat treatment on the mechanical properties were investigated.

Текст научной работы на тему «Аргоно-дуговая сварка высокопрочной цементуемой стали ВНС-63»

ВИАМ/2013-Тр-08-01

УДК 621.791

АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ЦЕМЕНТУЕМОЙ СТАЛИ ВНС-63

В.И. Лукин

доктор технических наук И.П. Банас

кандидат технических наук В.Г. Ковальчук Е.В. Голев

Август 2013

Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.

В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.

За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.

Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.

Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №8, 2013 г.

УДК 621.791

В.И. Лукин, И.П. Банас, В.Г. Ковальчук, Е.В. Голев

АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ЦЕМЕНТУЕМОЙ СТАЛИ ВНС-63

Подобран режим сварки стали ВНС-63. Проведены исследования сварных образцов из стали ВНС-63. Исследованы свойства и структура сварных соединений, влияние сварки и термической обработки на механические свойства сварных соединений из стали ВНС-63.

Ключевые слова: аргоно-дуговая сварка, сварные соединения, термическая обработка, цементация, стойкость против образования горячих трещин, прочность, ударная вязкость, многоцикловая усталость.

V.I. Lukin, I.P. Banas, V.G. Koval’chuk, E.V. Golev

TIG WELDING OF HIGH-STRENGTHENED CEMENTED STEEL VNS-63

The parameters of TIG welding technology of steel VNS-63 sampleswere selected. Investigation of welded samples made from VNS-63 were conducted. Mechanical properties and structure of welded samples, the influence of welding technology and heat treatment on the mechanical properties were investigated.

Key words: TIG welding, welded samples, heat treatment, cementation, hot cracks resistance, strength, impact strength, high cycle fatigue.

В настоящее время авиационная промышленность остается одним из высокотехнологичных секторов экономики, потребляющих наукоемкую продукцию [1]. Для дальнейшего развития с целью сохранения паритета на международной арене необходимо определить перспективные и стратегически важные направления развития материалов и технологий их переработки. Технологии сварки являются жизненно важными для успешного достижения целей в рамках стратегических направлений [1]. Разработка технологий соединения современных и перспективных материалов с обеспечением высокого уровня прочности позволит существенно повысить тактикотехнические характеристики перспективных образцов новой техники [1, 2]. Поэтому

развитие технологий сварки является одним из приоритетных направлений развития материалов и технологий их переработки до 2Q3Q года [1, 2]. Несмотря на то, что в обозримом будущем высокотехнологичные методы сварки, такие как электроннолучевая, лазерная, гибридная, плазменная, трением с перемешиванием, линейная, займут приоритетные позиции для обеспечения высоких прочностных свойств соединений конструкционных материалов, являющихся, как правило, ограниченно свариваемыми в силу структурных и химических особенностей, методы аргоно-дуговой сварки еще длительное время будут широко использоваться [3, 4].

Сегодня использование этих методов при сварке сталей со специальными свойствами, в том числе с цементированным поверхностным слоем [5], дает возможность получать высокие механические свойства на уровне, близком к уровню основного материала [6]. В ВИАМ проводились работы по выбору оптимальной технологии аргоно-дуговой сварки полуфабриката из коррозионностойкой стали ВНС-63. Данные по проводимым исследованиям и полученным результатам приведены далее.

Материалы и методы исследований

Сталь ВНС-63 (15Х15НЗКЗВМ2ФБА) предназначена для высоконагруженных деталей различного назначения, подвергаемых поверхностному упрочнению посредством химико-термической обработки, работающих на воздухе в общеклиматических условиях при температурах от -55 до +500°С, а также в среде масел и топлива.

Высокопрочная коррозионностойкая сталь ВНС-63, обладающая высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью, является перспективным материалом для сварных конструкций, работающих в общеклиматических условиях. Однако сварка плавлением может оказывать значительное влияние на ее структуру и свойства [l].

Одним из целесообразных и наиболее часто применяемых в промышленности способов сварки сталей толщиной до 2Q мм является аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом с использованием присадочного материала [В]. В качестве присадочного материала для сварки стали ВНС-63 использовался основной материал в виде прутка квадратного сечения со стороной до 3 мм.

Образцы из стали ВНС-63 для исследований изготовляли из прессованного прутка 05Q мм. Пруток резали на заготовки и ковали на сутунки толщиной 4Q мм. После ковки сутунки подвергали чистовой обработке, прокатывали на толстые листы толщиной 16 и

18 мм и лист толщиной 3 мм, затем термообрабатывали под сварку по режиму: нормализация+отпуск.

Лист толщиной 3 мм после этого подвергали травлению и рубили на гильотинных ножницах на заготовки размером 5Q*5Q мм (для исследования склонности к образованию горячих трещин) и на присадочный материал сечением 3*3 мм. Листы толщиной 16 и 1В мм резали на заготовки шириной 6Q мм, длиной 15Q мм. Далее механически обрабатывали кромки до U-образной поверхности по длинной стороне. После зачистки и обезжиривания заготовки сваривали ручной аргоно-дуговой сваркой при токе прямой полярности (с использованием источника Lincoln Electric Precision TIG 3l5) с присадочным материалом из стали ВНС-63 - для дальнейшего исследования механических свойств и микроструктуры. Сварные стыки подвергали рентгеновскому контролю, в результате которого были обнаружены типичные дефекты сварных швов допустимых размеров. Качество сварных соединений было признано удовлетворительным.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При испытании на стойкость к образованию горячих трещин использовали установку, изготовленную в МГТУ им. Н.Э. Баумана - ЛТП1-6, на которой растяжение образцов в процессе сварки производится в направлении перпендикулярном направлению сварки. Методика исследования является универсальной для испытаний различных сплавов, как с присадочным материалом, так и без него. В качестве критерия используется максимальная (критическая) скорость деформации v^, при которой в образце не образуется трещина.

Исследовались характеристики прочности при температурах +2Q, +3QQ, -550С и ударной вязкости при температурах +2Q и -55°С.

Структурные исследования сварных соединений проводили методом металлографии с помощью оптического микроскопа Olympus GX51. Для выявления структуры образцы травили электролитически в Ю%-ном растворе щавелевой кислоты.

Испытания на МнЦУ проводили на машине МВИ611М в условиях чистого изгиба с вращением при частоте 5Q Гц и коэффициенте асимметрии цикла R=-l.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследовали механические свойства (ав, KCU) сварных соединений после упрочняющей термической обработки: нормализация+отпуск+закалка+отпуск.

Испытания сварных соединений из стали ВНС-63 на растяжение при температурах +2Q,

+300, -55°С (табл. 1) показали, что значения прочности после сварки составляют: оВ0' = 1505 МПа, оВ0!° = 1225 МПа, о'5,!" = 1595 МПа.

в.св ^ в.св ^ в.св

Испытания образцов по сварному шву на ударный изгиб при температурах +20 и -55°С показали более низкие значения ударной вязкости по сравнению с основным материалом: КСи+20 =320 кДж/м2, КСи-55 =137 кДж/м2. Разрушение хрупкое, по механизму отрыва с отсутствием участков среза (см. табл. 1).

Таблица 1

Механические свойства* сварных соединений стали ВНС-63

Температура испытаний, °С Предел прочности ов.св, МПа К Св.св^в Ударная вязкость кСи, кДж/см2

+20 1490-1520 1505 0,96 252-389 320

+300 1140-1310 1225 0,90 -

-55 1590-1600 1595 0,99 125-150 137

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

Испытания на многоцикловую усталость (МнЦУ) проводились на гладких корсетных образцах, изготовленных из сварных соединений стали ВНС-63 после термообработки (нормализация+отпуск+закалка+отпуск) и цементации при температурах +20 и +300°С, на базе 2-107 циклов. Сварной шов совпадал с минимальным сечением образца ^=7,5 мм [9-13].

По результатам испытания определены средние значения пределов выносливости сварных образцов (табл. 2).

Таблица 2

Пределы многоцикловой усталости сварных образцов из стали ВНС-63

Состояние материала образцов Температура испытания, °С Среднее значение предела выносливости а-ь МПа (на базе 2-107 циклов)

Сварка+термообработка 20 500

300 400

Сварка+термообработка 300 440

+цементация

Проведенные исследования структуры сварных соединений показали, что микроструктура сварного шва без термической обработки отличается неоднородностью. В сварном шве зерно значительно мельче, чем в околошовной зоне,

где размеры зерен достигают 0,2-0,25 мм (рис. 1). Термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются (рис. 2).

Длительный нагрев при цементации приводит к некоторому росту зерна в сердцевине сварного шва и выявляет границы крупных зерен в зоне термического влияния (рис. 3) [14]. Цементованный слой в сварном шве мелкозернистый, с большим количеством карбидов, характерным для высокохромистых сталей. До глубины 0,6-0,7 мм распределение карбидов относительно равномерное, затем карбиды залегают преимущественно по границам зерен и около них. На глубине 1,1-1,3 мм -мелкодисперсная переходная зона (рис. 4).

В зоне термического влияния наблюдается фрагментация крупных зерен исходного размера (рис. 5). Такая структура склонна к трещинообразованию (рис. 6). В связи с этим целесообразно защищать от цементации зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм [15].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Исследования образцов из стали ВНС-63 толщиной 3 мм на стойкость к образованию горячих трещин проводили на установке ЛТП1-6 на выбранном режиме. Исследование показало удовлетворительный уровень критической скорости деформации в процессе сварки - укр=5,2 мм/мин.

Рисунок 1. Микроструктура сварного шва стали ВНС-63 без термической обработки

Рисунок 2. Микроструктура сварных образцов стали ВНС-63 после термической обработки

(нормализация + отпуск+закалка + отпуск)

Рисунок 3. Микроструктура сердцевины после цементации и термической обработки сварных образцов стали ВНС-63 (нормализация + отпуск+цементация+отпуск)

Рисунок 4. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63

Рисунок 5. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63:

а - сварной шов; б - зона термического влияния

Рисунок 6. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63 с трещиной Выводы

1. Проведенные исследования партии сварных образцов после механических испытаний показали, что аргоно-дуговая сварка стали ВНС-63 с присадкой основного материала позволяет получить сварные соединения с прочностью 0,9-0,99 от прочности основного материала.

2. Исследования структуры сварных соединений из стали ВНС-63 показали, что микроструктура сварного шва отличается неоднородностью, в сварном шве зерно гораздо мельче, чем в околошовной зоне, термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются.

3. Для предотвращения трещинообразования в результате роста зерна (в процессе цементации) целесообразно защищать зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

2. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19-36.

3. Лащенко Г.И. Тенденция развития технологий сварочного производства //Сварщик. 2011. №6. С. 6-11.

4. Миддельдорф К., Хофе Фон Д. Тенденции развития технологий соединения материалов //Автоматическая сварка. 2008. №11. С. 37-48.

5. Жуков А. А., Навоев А.П. Определение модуля упругости цементованного слоя //Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. №5. С. 37-40.

6. Лукин В.И., Вознесенская Н.М., Ковальчук В.Г., Голев Е.В., Саморуков М. Л. Сварка высокопрочной коррозионностойкой стали ВНС-72 //Сварочное производство. 2012. №10. С. 31-35.

7. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Шалькевич А.Б., Петраков А.Ф. Исследование влияния высокотемпературной термомеханической обработки на структуру, технологические, механические и коррозионные свойства высокопрочной коррозионностойкой стали переходного класса с повышенным содержанием азота //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 31-36.

8. Ерасов В.С., Нужный Г.А. Жесткий цикл нагружения при усталостных испытаниях //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 35-40.

9. Yang Z.G., Li S.X., Li Y.D., Liu Y.B., Hui W.J., Weng Y.Q. Relationship among fatigue life, inclusion size and hydrogen concentration for high-strength steel in the VHCF regime //Mater. Sci. and Eng. A. 2010. V. 527. №3. С. 559-564.

10. Kim Hye Sung, Kim Tae Guy, Chung Tai-Joo, Kim Hyun Soo, Hong Soon-Jik. Fatigue characteristics of high strength C70S6 and SMA40 steels //Mater. Sci. and Eng. A. 2010. V. 527. №12. С. 2813-2818.

11. Dimitriu R.C., Bhadeshia H.K.D.H. Fatigue crack growth rate model for metallic alloys //Mater. And Des. 2010. V. 31. №4. С. 2134-2139.

12. Фуруя Есиюки Оценка усталости сверхпрочных сталей и увеличение их срока службы //Mater. Sci. and Technol. 2011. V. 81. №8. С. 19-24.

13. Xiong Y., Hu X.X. The effect of microstructures on fatigue crack growth in Q345 steel welded joint //Fatigue and Fract. Eng. Mater. аnd Struct. 2010. V. 35. №6. С. 500-512.

14. Демьянушко И.В., Великанова Н.П. Влияние эксплуатационных факторов на долговечность роторных деталей турбин газотурбинных двигателей //Машиностроение и инженерное образование. 2011. №4. С. 51-55.

15. Контроль качества материалов и полуфабрикатов, используемых при изготовлении изделий авиационной, космической, оборонной техники и техники двойного применения, на предприятиях поставщиках. Общие требования по ГОСТ Р 52745-2007 //Справочник. Инженерный журнал. 2010. №10. С. 40-44.