CC BY
87
There're presented the research results of experimental aluminum castings of al-loyage systems Al-Zn-Mg-Cu and Al-Zn-Mg-Fe-Ni, which were produced by die casting and die casting under pressure. There're presented the mechanical tests results of experimental castings samples. There're examined the optimal conditions of heat treating of high-strength wrought aluminum alloys.
Key words: die casting, die casting under pressure, aluminum alloys, heat teating, mechanical tests.
Valter Alexandr Igorevich, doctor of technical sciences, professor, val-ter. alekarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shamordin Maxim Valeryevich, postgraduate, alen4iklla mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.785:621.771.23-022.532
ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРИВАЕМОСТИ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ ТВЕРДОСТЬЮ 500 HBW
М.В. Чукин, П.П. Полецков, Д.Ю. Алексеев, Г. А. Бережная, М.С. Гущина
Исследована свариваемость и определена величина зоны термического влияния высокопрочной стали системы легирования «Cr-Ni-Mo-V» с твердостью 500 HBW. Установлено, что наименьшую протяженность зоны термического влияния обеспечивает MIG-сварка (30,5мм), наибольшую - TIG-сварка (70,0мм).
Ключевые слова: высокопрочная сталь, сварка, зона термического влияния, свариваемость, горячие трещины.
Применение высокопрочных сталей при изготовлении сварных конструкций позволяет достичь значительной экономии металла благодаря снижению металлоемкости конструкции, а также повышению их долговечности [1 - 3]. Однако сварка высокопрочных сталей связана с усложнением процесса по сравнению со сваркой обычных углеродистых сталей.
Основной трудностью, которая возникает при сварке высокопрочных сталей, является их высокая склонность к образованию дефектов в виде холодных и горячих трещин в металле шва или околошовной зоне - зоне термического влияния.
Зона термического влияния сварного шва - это участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке [4 - 5].
В зоне термического влияния низколегированных сталей выделяют три участка: закалка, неполная закалка и отпуск (рис. 1) [4]. Размер зоны термического влияния зависит от способа и технологии сварки, от теплопроводности и теплоемкости свариваемого металла.
Для низколегированных сталей в зоне термического влияния характерно снижение прочностных и пластических свойств по сравнению со свойствами основного металла [6]. Поэтому величину данной зоны необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций и их эксплуатации.
Целью данной работы являются исследование свариваемости и определение величины зоны термического влияния высокопрочной стали системы легирования хром-никель-молиден-ванадий с твердостью 500 HBW (табл. 1). В работе принимали участие: ООО «Термодеформ-МГТУ» [7], ЦКП «НИИ Наносталей» и ООО «Научно-техническая производственная фирма «Эталон».
Рис. 1. Строение зоны термического влияния низколегированных сталей
Таблица 1
Характеристики исследуемой стали
Механические свойства
^ мм HBW о0,2, Н/мм2 ов, Н/мм2 А5, % KCV"20, Дж/см2
не менее или в пределах
8 477...540 1200 1450 8 20
Методика проведения исследований. Определение свариваемости стали включает в себя косвенную оценку склонности стали к образованию горячих и холодных трещин.
Оценку склонности стали к образованию горячих трещин проводят на основе расчета показателя трещиностойкости (показатель К. Итамуры)
чЗ
С
HCS = —
f Сj \
S + P + — + 0901-Ni 25
CD
3 Mn + Cr + Mo + V
При сварке высокопрочных сталей с пределом прочности более 700 МПа риск возникновения горячих трещин возникает при HCS >1,8 [8].
Результаты расчета данного параметра показали, что для исследуемой высокопрочной стали твердостью 500 HBW показатель HCS = 2,23, что выше критического значения. Следовательно, исследуемая сталь склона к образованию горячих трещин.
Для снижения риска образования этого дефекта исследуемая высокопрочная сталь перед сварочными работами была подвергнута предварительному нагреву. Нагрев осуществлялся с использованием газовой горелки на расстоянии 70 мм от оси сварного шва. Температура предварительного нагрева была рассчитана по формуле
Г = 190 • ^{CEV • (1 + 0,005 • /?))- 0,25, (2)
где h - толщина металла, мм.
В соответствии с формулой (2) температура предварительного нагрева для исследуемой высокопрочной стали была принята равной 125 °С.
Стойкость стали к образованию холодных трещин оценивается на основе значения углеродного эквивалента
С£У = С + М, + (М> + СГ + Г) + (М- + с)
6 5 15 v '
Стали, у которых CEV > 0,35, считаются склонными к образованию холодных трещин [9].
Для исследуемой высокопрочной стали твердостью 500 HBW значение CEV = 0,65 %, что выше критического значения. Следовательно, исследуемая сталь склонна к образованию холодных трещин. Главной причиной их образования является наличие водорода в металле шва [10]. Для предупреждения образования данного дефекта сварочные материалы перед сваркой были подвергнуты сушке.
Сварка исследуемой высокопрочной стали осуществлялась следующими способами:
- полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов (MIG);
- ручная дуговая сварка в инертном газе неплавящимся электродом
(TIG);
- ручная дуговая сварка плавящимся электродом (ММА).
Сварочные работы проводились по режимам, представленным в табл. 2, с использованием сварочных материалов компании ЕБЛВ (табл. 3).
Таблица 2
Режимы сварки
Способ сварка Напряжение, В Ток, А Скорость сварки, мм/с Погонная энергия, кДж/мм Количество проходов
МЮ 16...18 180...200 10...12 0,24...0,30 2
тю 8...10 100...120 2...3 0,20...0,29 6
ММЛ 12...13 140...150 4...5 0,34...0,39 2
Таблица 3
Используемые сварочные материалы
Способ сварки Соответствие классификации EN Тип сварочного материала Марка Диаметр, мм Характеристика наплавленного металла
Химический состав, % Механические свойства, не менее
МЮ EN ISO 14341-A G 42 4 M21 3Si1 Низко-прочный OK Autrod 12.51 1,2 С 0,06... С 0,14 ,, 1,40... МП 1,60 „. 0,80... Б1 1,00 Р < 0,025 Б < 0,025 от = 470 МПа ов = 560 МПа КСУ+20 = 163 Дж/см2 КСУ"40 = 59 Дж/см2 КСУ-60 = 34 Дж/см2
EN ISO 16834-A G 69 4 M21 Mn3NiCrMo Высокопрочный OK AristoR od 69 (OK AristoR od 13.29) 1,2 С 0,10 ,, 1,50... МП 1,80 °,4°... Б1 0,70 хт- 1,20... № 1,60 С 0,20... СГ 0,40 ,, 0,20... Мо 0,30 У 0,05... У 0,10 Р < 0,015 Б < 0,015 от = 730 МПа ов = 800 МПа КСУ+20 = 125 Дж/см2 КСУ-40 = 91 Дж/см2
EN ISO 17632-A T 42 2 M C 1 H10 Низко-прочный OK Tubrod 12.12 1,2 С 0,075 Мп 1,30 Б1 0,60 Р < 0,025 Б < 0,025 от = 480 МПа ов = 585 МПа КСУ-20 = 120 Дж/см2 КСУ-29 = 34 Дж/см2
Окончание табл. 3
Способ Соответствие классификации EN Тип сварочного Марка Диаметр, мм Характеристика наплавленного металла
сварки материала Химический состав, % Механические свойства, не менее
C 0,06... C 0,12
TIG EN ISO 636-A W 46 3 W4Si1 Низко -прочный OK Tigrod 12.64 1,6 А, 1,60... Mn 1,85 °,8°... Si 1,15 P < 0,025 S < 0,025 от = 525 МПа ов = 595 МПа KCV-30 = 70 Дж/см2
MMA EN ISO 2560-A Низко - OK 3,2 C 0,06 Mn 1,10 Si 0,50 P < 0,03 S < 0,03 от = 480 МПа ов = 560 МПа
E42 4 B 3 2 H5 прочный 48.04 KCV-20 = 150 Дж/см2 KCV-40 = 100 Дж/см2
Для определения механических свойств сварных соединений, выполненных различными способами сварки с применением различных сварочных материалов в соответствии с ГОСТ 6996-66, были отобраны образы для проведения испытаний на статическое растяжение. Разрушение сварных соединений при испытаниях происходило по металлу шва или околошовной зоне.
Результаты исследований. Результаты механических испытаний представлены в табл. 4.
Полученные значения механических свойств контрольных сварных соединений, выполненных способами MMA-, MIG- и TIG-сварки, удовлетворяют требования стандартов EN ISO на используемые сварочные материалы, а сами материалы обеспечивают получение беспористого сварного шва.
Для оценки величины зоны термического влияния от полученных сварных соединений были отобраны образцы высокопрочной стали. Определение величины зоны термического влияния и длины отдельных ее участков проводилось путем измерения твердости на различном расстоянии от сварного шва. Первое измерение проводилось на расстоянии 0,5 мм, последующие измерения проводились через каждые 2 мм.
Общая протяженность зоны термического влияния для исследуемой высокопрочной стали составляет 30...70 мм (рис. 2). Длина участка закалки - 5...8 мм, участка неполной закалки - 0,5...2 мм, участка отпуска -24...63 мм (табл. 5). При этом наименьшую протяженность зоны термического влияния обеспечивает MIG-сварка, наибольшую - TIG-сварка.
Таблица 4
Механические свойства контрольных сварных соединений
Способ сварки Тип сварочного материала Место разрушения образ-ца1 со.2, МПа ав, МПа
фактическое значение среднее значение нор ма по EN фактическое значение среднее значение нор ма по EN2
МЮ, сплошная проволока Низкопрочный МШ 667,9 666,75 420 833,2 831,3 500
МШ 665,6 829,4
Высокопрочный МШ 797,7 826,1 690 959,6 985.295 760
ОЗ 854,5 1010,99
МЮ, порошковая проволока Низкопрочный МШ 709,4 718,5 420 872,3 851.1 500
МШ 727,6 843,5
ТЮ Низкопрочный МШ 693,1 682,3 460 799,9 774.4 530
МШ 671,5 748,9
ММА Низкопрочный МШ 691,6 680,45 420 780,2 758,3 500
ОЗ 669,3 736,4
Примечание: 1 МШ - металл шва, ОЗ - околошовная зона
и о* X
-с
t о
Н
Расстояние от сварного шва, мм
• Нормируемая твердость
' MIG. низкопрочная проволока
• MIG. высокопрочная проволока
• MIG. порошкавая проволока
■ ММА
TIG
О 10 20 30 40 50 60 70 80
Рис. 2. Твердость в зоне термического влияния исследуемой высокопрочной стали при различных способах сварки
169
Таблица 5
Протяженность зоны термического влияния при сварке исследуемой высокопрочной стали твердостью 500 ИБЖ
Способ сварки Тип сварочного материала Длина участка, мм Общая протяженность ЗТВ, мм
закалки неполной закалки отпуска
MIG, сплошная проволока Низкопрочный 5,0 1,5 24,0 30,5
MIG, сплошная проволока Высокопр очный 6,0 1,0 26,0 33,0
MIG, порошковая проволока Низкопрочный 5,0 1,5 32,5 39,0
TIG, прутки Низкопрочный 6,5 0,5 63,0 70,0
MMA, покрытые электроды Низкопрочный 8,0 2,0 54,0 64,0
Выводы
1. Проведена оценка склонности исследуемой высокопрочной стали твердостью 500 HBW к образованию холодных и горячих трещин при сварке.
2. Проведена сварка исследуемой высокопрочной стали способами MIG-, MAG- и TIG-сварки с применением низкопрочных и высокопрочных ферритных сварочных материалов.
3. Определены механические свойства полученных сварных соединений.
4. Определены протяженность зоны термического влияния и длина отдельных ее участков для исследуемой высокопрочной стали.
5. Установлено, что наименьшую протяженность зоны термического влияния обеспечивает MIG-сварка (30,5 мм), наибольшую - TIG-сварка (70,0 мм).
Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).
Список литературы
1. Основные виды и области применения стратегического высокопрочного листового проката / М.В. Чукин, В.М. Салганик, П.П. Полецков, С.В. Денисов, А.С. Кузнецова, Г. А. Бережная, М.С. Гущина // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. №4. С. 41 - 44.
2. Lothar Werner Meyer, Frank Pursche. Modern high strength low alloyed steels // Proceedings of the 1st International Conference about Recent Trends in Structural Materials COMAT 2010, Pilsen, Czech Republic, 2010. P. 13-18.
3. Горынин И.В., Малышевский В. А., Хлусова Е.И. Наноструктури-рованные конструкционные стали - прорывное направление металлопо-требляющих отраслей промышленности // Инновации. 2010. №4. С. 103107.
4. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки: учебник для вузов. 2-е изд. испр. и доп. / А.И. Акулов [и др.].; под ред. А.И. Акулова. М.: Машиностроение, 2003. 560 с.
5. Патон Б.Е. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. М.: Машиностроение, 1974.
6. Гордиенко В.Е., Гордиенко Е.Г. Сепанов С. А. Сварка: учеб. пособие. СПб.: СПбГАСУ, 2009. 46 с.
7. Научно-производственный комплекс «Термодеформ» для создания новых технологий / В.М. Салганик [и др.] // Сталь. 2014. № 4. С. 104107.
8. Конищев К.Б., Конищев Б.П. Оценка сопротивляемости конструкционных и высоколегированных сталей образованию горячих трещин при сварке // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2015. №2.
9. Лебедев Б.Д., Перемитько В.В. Расчетные методы в сварке плавлением: учеб. пособие Днепродзержинск: изд-во ДГТУ, 1998. 285 с.
10. Юхин Н.А. Дефекты сварных швов и соединений. М.: Изд-во СОУЭЛО, 2007. 56 с.
Чукин Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, первый проректор, проректор по научной и инновационной работе, m. chukinamail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Полецков Павел Петрович, д-р техн. наук, проф., _pavel poletskovamail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова,
Алексеев Даниил Юрьевич, студент, danon369agmail. com, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Бережная Галина Андреевна, канд. техн. наук, доц., galinal609a mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова,
Гущина Марина Сергеевна, студент, marina. mgn. 89amail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова
THE STUDY OF WELDABILITY OF HIGH-STRENGTH STEEL HARDNESS OF 500 HBW
M.V. Chukin, P.P. Poletskov, D.Iu. Alekseev, G.A. Berezhnaya, M.S. Gushchina
The use of high-strength steels in the manufacture of welded constructions allows to achieve significant saving of metal thanks to ability of reducing metal consumption, as well as increase their longevity. But welding of such steels is associated with the occurrence of a number of difficulties. Thus, a decrease of the strength and plastic properties in comparison with the properties of the base metal is typical for low-alloy steels in the heat-affected zone. The aim of this study is to research the weldability and the size of heat-affected zone of high-strength steel with a Cr-Ni-Mo-V alloying system and a hardness of 500 HBW. It was found that the lowest extent of the heat-affected zone provides a MIG-welding (30,5 mm), the highest -TIG-welding (70.0 mm).
Key words: high-strength steel, welding, heat-affected zone, weldability, hot-shortness.
Chukin Mihail Vitalevich, doctor of technical sciences, professor, first vice-rector-vice rector for science and innovation, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Poletskov Pavel Petrovich, doctor of technical science, professor, pavel [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Alekseev Daniil Iurevich, student, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Berezhnaya Galina Andreevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Gushchina Marina Sergeevna, student, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
