CC BY
1305.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2019.02.025 УДК 621.78.06
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА
Е. А. Иванайский, А. В. Ишков, В. В. Иванайский, А. А. Иванайский, Р. Е. Рымарь
В работе описаны основные металлургические реакции, протекающие при сварке сталей аустенитного класса. Предложены пути предотвращения окисления легирующих элементов. Установлено, что использование восстановительных атмосфер предотвращает окисление металла шва при дуговой сварке сталей типа 08Х18Н10. Показано, что выгорание легирующих элементов в столбе дуги и сварочной ванне в среде монооксида углерода не происходит. Установлено, что при сварке в среде моноксида углерода сформировался качественный сварной шов, без пор, микротрещин и других дефектов. Выполненные механические испытания и испытания на коррозионную стойкость подтвердили качество получаемых сварных соединений. Металлографические исследования показали, что в металле шва, наплавленном в среде монооксида углерода, было отмечено формирование вторичных границ, не совпадающих с направлением роста дендритов. В результате проведенных исследований было доказано, что при использовании СО в качестве защитной атмосферы при сварке стали 08Х18Н10, химический состав металла шва близок к составу металла шва, выполненного при аргонодуговой сварке. Выполненные исследования показывают возможность применения монооксида углерода в качестве дешевой альтернативы широко используемым в настоящее время инертным газам.
Ключевые слова: аустенитные стали, дуговая сварка, защитные атмосферы, монооксид углерода, металлургические процессы.
Нержавеющие стали аустенитного класса находят широкое применение за счет высокой вязкости разрушения, хорошей коррозионной стойкости, а также отсутствии небхо-димости дополнительной термообработки [1]. Гигиеничность и экологичность при высоких показателях упругости и прочности позволяют использовать данные стали в процессе изготовления оборудования и различных изделий для химической и пищевой промышленности, медицины и бытовой техники.
Практически всегда при изготовлении деталей из аустенитных сталей используются дуговые способы сварки. Преобладает сварка неплавящимся электродом в аргоне или смеси аргона, углекислого газа и водорода [2]. Однако данный способ сварки имеет низкую производительность и высокую стоимость. Введение в защитную атмосферу кислорода, углекислого газа существенно влияет на протекающие металлургические реакции, механические свойства, перенос металла, стабильность дуги и другие параметры [3]. Используемые атмосферы обычно имеют окислительные свойства, либо состоят из инертных газов. Достаточно часто в процессе сварки образуется монооксид углерода, который считается вредной примесью из-за отрицательных биологических эффектов [4]. Однако данный газ обладает восстановительными, по отношению к оксидам большинства металлов, свойствами. Поэтому представляет интерес выполнения сварных соединений в восстановительной атмосфере, преимуще-
ственно состоящей из монооксида углерода.
Известной является реакция распада углекислого газа под воздействием сварочной дуги на монооксид углерода и кислород, вступающий затем в реакцию с металлом сварочной ванны:
СО2^СО+О2; (1)
2пМе+т02^2Меп0т (2)
Поэтому сварка сталей аустенитного класса в атмосфере углекислого газа допускается только в том случае, если к изделию не предъявляются требования по стойкости к межкристаллитной коррозии. Образование монооксида углерода приводит к ограничениям использования данного способа сварки в закрытых объемах.
Так же известно, что моноксид углерода, нагретый выше определенной температуры, вступает в активные химические реакции с кислородом воздуха, окисляясь до углекислого газа [5]. Поэтому с целью нейтрализации вредного действия монооксида углерода было предложено нагревать подогреваемый для защиты сварочной дуги газ выше температуры воспламенения [6].
С целью исследования возможности использования восстановительных защитных атмосфер выполнялись сварные соединения труб 076^3 мм. Использовалась сталь 08Х18Н10, аналог стали 304. Применялась дуговая сварка в среде аргона и монооксида углерода. Использовали присадочную проволоку Св-12Х18Н10Т, аналог проволоки
Autrod 308LSi, выпускаемой компанией ESAB. Проводили микроструктурные исследования на оптическом и растровом электронном микроскопе с одновременным микрохимическим анализом. Выполняли испытания сварных соединений на растяжение с целью определения предела прочности. Испытания на коррозионную стойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6032-2003.
В исследуемой стали сочетание основных технологических свойств обеспечивается содержанием в них хрома и никеля. Исследовалась возможность окисления указанных элементов в рассматриваемой атмосфере. Источником кислорода может служить диссоциация монооксида углерода в столбе дуги, а также попадание его в сварочную ванну из атмосферы воздуха. Возможно также протекание обратных химических реакций восстановления оксидов металлов. Направление реакций определяли с помощью определения изобарно-изотермического потенциала (критерию Гиббса) по методике, изложенной в работе [7]. Использовались данные, приведенные на сайте [8].
Рассмотрим различные варианты окисления легирующих добавок никеля и хрома при взаимодействии их с монооксидом углерода.
2СО^2С+О2. (3)
Данная реакция является обратимой и протекает с заметным выделением кислорода при температурах более 6000 оК, т. е. только в анодной и катодной зоне дуги. Соответственно, количество распавшегося монооксида будет весьма незначительно. Как будет показано ниже, данное утверждение подтверждается результатами химического анализа
N + ОЭ ^ NiO + а
(4)
Изобарно-изотермический потенциал ДG в интервале температур от 1100 до 3500 оК снижается с 974 до 684 что делает данную реакцию практически не возможной.
2а + 3ГО ^ Cr2O3 + 3^
(5)
ДG в приведенном интервале температур еще выше, и увеличивается с повышением температуры с 1442 до 1560 Ю. Считается, что пленки оксида хрома препятствуют диффузии кислорода, уменьшая тем самым скорость окисления металла [9].
Таким образом, проведенные расчеты показали, что окисление легирующих элементов при сварке в результате протекания реакций (3, 4, 5) является практически не возможным.
Вследствие плохой защиты сварочной ванны, наличия оксидных и органических
пленок на поверхности свариваемого металла в зону дуги может попасть кислород, приводящий к образованию оксидов легирующих элементов.
2NiO + 2ГО => 2М + ГО2. (6)
Cr2O3 + 3ГО => 2^+3^2. (7)
Рассмотрим возможность восстановления оксидов никеля и хрома под воздействием монооксида углерода. Результаты расчетов приведены на рисунке 1 .
4000
400 200 0 -200 -400 -600
Рисунок 1 - Результаты расчета ДG для реакции 6 - линия 1 и реакции 7 - линия 2
Как видно из рисунка 1 , оксиды хрома не будут вступать в реакцию с монооксидом углерода, а оксиды никеля будут активно восстанавливаться, отдавая кислород и окисляя мо-ноксид углерода до диоксида. В работе [10] приведены аналогичные расчеты для других легирующих элементов. Таким образом, предварительные расчеты показывают, что предлагаемая атмосфера не будет вызывать окисление исследуемых сталей при сварке.
Установлено, что при сварке в среде мо-ноксида углерода сформировался качественный сварной шов, без пор, микротрещин и других дефектов. Микроструктура сварного шва представлена на рисунке 2.
В металле шва, наплавленном в среде монооксида углерода, было отмечено формирование вторичных границ, не совпадающих с направлением роста дендритов (рисунок 3).
При обычной аргонодуговой сварке формирование данных границ отмечено не было. Следует отметить, что в указанных сталях отмечалось формирование подобных структур после рекристаллизации [11]. Причины их возникновения в процессе сварки нуждаются в дополнительных исследованиях.
Проводили испытания на растяжение плоских образцов, вырезанных поперек сварного шва. Во всех случаях разрушение происходило по зоне термического влияния. Значительных отличий в механических свойствах образцов, сваренных с использованием разных защитных атмосфер обнаружено не было. Предел прочности изменялся от 558 до 579 МПа.
а) б)
Рисунок 2 - Микроструктура сварного шва, выполненного в среде монооксида
углерода (а) и аргона (б)
щкй
. гЛл ь >
Рисунок 3 - Вторичные зерна в металле шва, выполненного в среде монооксида
Elfrctron Irnaae 1
а)
Et«ctron Image 1 б)
Рисунок 4 - Микроструктура металла шва выполненного в среде монооксида
углерода (а) и аргона (б)
Для определения стойкости сварного соединения к межкристаллитной коррозии из образцов отрезались кольца длиной 50 мм, в которых сварной шов располагался по центру. Изготавливалось по 8 образцов сварных соединений, выполненных в различных защитных атмосферах. Из них 4 образца подвергали кипячению в водном растворе сернокислой меди и серной кислоты в присутствии медной стружки в течении 8 часов. Все изготовленные образцы подвергались сплющиванию до образования зазора в 13 мм. После чего выполнялся осмотр изогнутых образцов при помощи лупы с семикратным увеличением. Трещин на образцах обнаружено не было.
Микроструктуры металла шва полученного в среде аргона и монооксида углерода представлены на рисунке 4. Результаты микрохимического анализа приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Содержание легирующих элементов в металле шва при сварке в разной среде
Как видно из данных, приведенных в таблице 1, металл шва, выполненный с использованием различных атмосфер, имеет примерно одинаковый состав. В связи со значительной ошибкой измерения углерода при проведении микрохимического анализа выполнялся рентгенофлуоресцентный анализ химического состава с использованием анализатора Х-МЕТ 7500. В целом были подтверждены результаты, приведенные в таблице 1. Однако было отмечено повышение содержание углерода с 0,072...0,106 до 0,144...0,171 %, вес. Прирост содержания углерода в металле шва на 0,07 %, по-видимому, вызван диссоциацией монооксида углерода в приэлектродных областях, о котором было сказано выше. Увеличение содержания углерода негативно сказывается на коррозионной стойкости металла. Считается, что для данного класса сталей для обеспечения коррозионной стойкости предельное содержание углерода в стали не должно превышать 0,2 %. Указанный уровень углерода в металле не был достигнут при использовании
монооксида углерода в качестве защитной атмосферы.
В результате проведенных исследований было доказано, что при использовании монооксида углерода в качестве защитной атмосферы при сварке стали 08Х18Н10 химический состав металла шва близок к составу металла шва, выполненного при арго-нодуговой сварке. При этом так же обеспечиваются требуемые механические свойства и коррозионная стойкость сварного соединения. Выполненные исследования показывают возможность применения монооксида углерода в качестве дешевой альтернативы широко используемым при дуговой сварки инертным газам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Dinesh Kumar R., Elangovan S., Siva Shanmugam N. Parametric optimisation of pulsed-TIG welding process in butt joining of 304L austenitic stainless steel sheets // International Journal of Research in Engineering and Technology. -2014. -Vol. 6. -рр. 213-219. doi: 10.15623/ijret.2014.0323047
2. Costanzaa G., Silib A., Tataa M.E. Weldabil-ity of austenitic stainless steel by metal arc welding with different shielding gas // Procedia Structural Integrity. -2016. -Vol. 2. -pp. 3508-3514. doi: 10.1016/j.prostr.2016.06.437
3. Mvola B., Kah P. Effects of shielding gas control: welded joint properties in GMAW process optimization // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. -February. -2017. -Vol. 88. -Issue 9-12. -pp. 2369-2387. doi: 10.1007/s00170-016-8936-2
4. J. Ojima J. Generation rate of carbon monoxide from CO2 arc welding // J. Occup Health. -2013. -Vol. 55(1). -pp. 39-42.
5. Карточка вещества в ЭБД: CARBON MONOXIDE, CAS №: 630-08-0 [Электрон. дан.] // INCHEM. Chemical Safety Information from Intergovernmental Organizations. -Режим доступа: http://www.inchem.org/documents/icsc/icsc/eics0023. htm
6. Патент 2570609 RU, МПК6 B23K 9/173, B23K 35/38. Способ сварки в среде защитных газов [Текст] / Е.А. Иванайский, А.А. Иванайский; заявитель и патентообладатель ООО «Контрольно-Диагностический центр». -Заявка 2014100493/02; заявл. 09.01.2014; опубл. 10.12.2015. -Бюл. -№ 34. -1 с.
7. Ишков А.В., Иванайский В.В., Кривочуров Н.Т., Аулов В.Ф., Коваль Д.В., Соколов А.В., Ново-женов В.А., Новоженов А.В. Термодинамическое обоснование химических реакций в системе В4С-боратный флюс-Fe при ТВЧ-нагреве // Известия Алтайского государственного университета. - 2014. -№ 3 (83). -С. 199-203. doi: 10.14258/izvasu(2014)3.1 -36.
8. Internet-калькулятор: General Reactions [Электрон. дан.] // ChemReaX™ a chemical reaction
Содержание легирующих элементов
в металле шва при сварке в среде аргона, %
Si Cr Mn Ni
0,68 21,99 1,43 10,00
Содержание легирующих элементов
в металле шва при сварке в среде СО, %
Si Cr Mn Ni
0,31 21,16 1,30 9,25
modeling and simulation app
from ScienceBySimulation. -Режим доступа: https://www.sciencebysimulation.com/chemreax/Analy zer.aspx
9. Soares Sabionia A., Huntzb A., Luza E., Mantel M., Hautb C. Diffusion of iron in сг20з: poly-crystals and thin films // Materials Science and Engineering A. -2005. -Vol. 392. -pp. 254-261. doi:10.1016/j.msea.2004.09.033
10. Иванайский Е.А., Ишков А.В., Иванайский А.А., Малышев И.В. Термодинамическое обоснование химических реакций протекающих при нагреве деталей токами высокой частоты в защитных атмосферах // Ползуновский вестник. -2018. -№ 1. -С. 143-147. doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2018.01.027
11. Karci F. et al. The effect of process parameter on the properties of spot welded cold deformed AISI304 grade austenitic stainless steel // Journal of Materials Processing Technology. -2009. -Vol. 209. -pp. 4011-4019. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2008.09.030
Иванайский Евгений Анатольевич,
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, к.т.н., доцент кафедры «Наземных транспортно-технологических систем», 609185@mail.ru, тел.: +7-960-939-91-83.
Ишков Алексей Владимирович, Алтайский государственный аграрный университет, д.т.н., профессор кафедры «Технология конструкционных материалов и ремонт машин», alekseyyishk@rambler.ru.
Иванайский Виктор Васильевич, Алтайский государственный аграрный университет, д.т.н., профессор кафедры «Технология конструкционных материалов и ремонт машин», viv174@bk.ru.
Рымарь Регина Евгеньевна, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, магистрант, reg0996@mail.ru.
