CC BY
94
УДК 620.197+621.791.13
И. С. Лось, Н. А. Сазонов, А. Н. Баранов
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНОГО КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
Аннотация. В статье рассмотрен многослойный коррозионно-стойкий материал с «протекторной пит-тинг-защитой», полученный по технологии сварки взрывом. Описан принцип «протекторной питтинг-защиты». Изучена микроструктура межслойных границ, определены размеры зерен основных слоев и протектора. Выполнена оценка деформируемости.
Ключевые слова: коррозия металлов, питтинговая коррозия, многослойные материалы, сварка взрывом, защита от коррозии.
Борьбе с коррозией посвящена значительная часть научных разработок ученых всего мира. Она включает в себя множество аспектов: изучение отдельных видов коррозии, разработку новых коррозионно-стойких материалов, совершенствование методов защиты от коррозии и др. Разработка новых коррозионно-стойких материалов на основе монометаллов практически исчерпана в силу ограниченного числа химических элементов периодической системы, имеющих стойкость против коррозии, и большого разнообразия технических сплавов на их основе, созданных и применяемых в настоящее время в мире. В этой связи перспективным является направление, связанное с исследованием многослойных композитов, в которых слои не просто поочередно защищают друг друга от воздействия внешней среды, а при взаимодействии образуют систему, обеспечивающую повышение коррозионной стойкости материала в целом.
В 2008 г. ученые ПГУ совместно с коллегами из Москвы и Подмосковья разработали и запатентовали новый многослойный металлический коррозионно-стойкий материал, в котором должно быть по крайней мере три слоя [1]. Принципиальным отличием запатентованного технического решения является применение в структуре многослойных материалов внутренних слоев-протекторов. Они расположены между слоями более стойких в коррозионном отношении сплавов. Техническое решение названо принципом «протекторной питтинг-защиты».
Принцип «протекторной питтинг-защиты» может быть сформулирован следующим образом:
- многослойный материал имеет как минимум три слоя;
- наружный слой находится в пассивном состоянии в рабочей среде;
- протектор размещен между защищаемыми слоями;
- электрохимический потенциал протектора ниже потенциала наружного защищаемого слоя;
- состав третьего слоя аналогичен первому, наружному, слою.
В качестве способа получения многослойных материалов предложена технология сварки взрывом, которая позволяет получать прочные соединения значительной площади - до 20 м2 (рис. 1) [2].
По этой технологии были получены опытные партии многослойных материалов 12Х18Н10Т + 20 + 12Х18Н10Т; 08Х18Н10Т + о8кп + 08Х18Н10Т; 08Х18Н10Т + о8кп + + 08Х18Н10Т + 09Г2С; 10Х17Н13М3Т + 10 + 10Х17Н13М3Т + 09Г2С. Их площадь составляла от 0,5 до 2,5 м2.
145
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Рис. 1. Схема получения четырехслойного материала:
1 - основной слой; 2 и 4 - слои из коррозионно-стойкой стали; 3 - слой-протектор; 5 - взрывчатое вещество
Одним из характерных дефектов сварки взрывом является остаточный прогиб листовых заготовок. Его определяют путем измерения наибольшего значения между плоской поверхностью и нижней поверхностью металлопродукции (рис. 2).
Рис. 2. Определение остаточного прогиба 146
Техника, технология, управление
Для образца 400x400 мм шириной 5 мм прогиб составил 23 мм, для крупногабаритных заготовок длиной 4000-6000 мм он увеличивается в 1,5-2 раза [3].
Для устранения прогиба выполняли нормализацию многослойных листов при 840 оС в течение 1 ч с охлаждением на воздухе, затем листы правили на вальцах или прессе.
Известно, что прочность соединений, полученных сваркой взрывом, зависит от вида линии шва и наличия в нем зон оплавления. В этой связи важным является выбор параметров сварки в таком диапазоне, чтобы обеспечить границу с явно выраженной синусоидальностью при незначительном количестве оплавленной структуры. Характерным при сварке многослойных материалов является изменение параметров межслойных границ в связи с уменьшением скорости соударения по мере вовлечения в процесс метания нижних пластин [4].
Структура межслойных границ исследована на образцах 08Х18Н10Т + 10 + + 08Х18Н10Т с помощью микроскопа Альтами МЕТ 6Т (рис. 3, 4). Объект представляет собой слоистый композит: 1-й слой - сталь марки 08Х18Н10Т толщиной 2 мм, 2-й слой -сталь 10 толщиной 2 мм и 3-й слой - сталь 08Х18Н10Т толщиной 20 мм.
Рис. 3. Первая граница между 1-м и 2-м слоями
Рис. 4. Вторая граница между 2-м и 3-м слоями
147
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Подготовлены образцы в продольном направлении по отношению к направлению распространения фронта детонации. Установлено, что в трехслойном материале обе межслойные границы имеют ярко выраженный волновой характер. Измерены параметры границ (табл. 1).
Таблица 1
Параметры межслойных границ
Граница Удвоенная амплитуда 2А, мкм Длина волны X, мкм
Первая граница 600 1500
Вторая граница 200 620
На первой межслойной границе выявлены зоны расплавления средним размером 83 729 мкм2. Полученные результаты хорошо объясняют изменение скорости и кинетической энергии, которое происходит при сварке многослойных материалов.
С целью проведения дальнейших исследований с применением ультразвуковой дефектоскопии выполнено определение величины зерна в трехслойном материале. Сварка взрывом вызвала неоднородную пластическую деформацию в каждом из слоев. Нормализация привела к рекристаллизации как углеродистой, так и высоколегированной стали. Использовали метод хорд по ГОСТ 5639-82.
В стали 10 травлением было выявлено три участка с различной величиной зерна. На рис. 5 отчетливо видно, что размер зерна в зонах, примыкающих к межслойным границам, значительно меньше, чем в средней зоне. Результаты измерений приведены в табл. 2.
Рис. 5. Общий вид, 100Х
Таблица 2
Результаты измерений размера зерна в стали 10
Участки Длина хорды, мм Длина хорды 1, мм Длина хорды 2, мм Количество зерен на хорде Количество зерен на хорде 1 Количество зерен на хорде 2 Средний размер зерна, мкм
Участок A 0,53 0,542 0,338 21 30 17 21
Участок B 0,313 0,31 0,285 19 13 17 19
Участок C 1,39 1,33 1,067 12 10 10 119
148
Техника, технология, управление
В соответствии с полученными результатами вычислений по ГОСТ 5639-82 для участка C номер зерна составляет G3, для участков А и В - G8.
Травление стали 3-го слоя из стали 08Х18Н10Т выявило два участка с разной зернистостью - участки D и E (рис. 6, 7). Установлено, что участок D, прилегающий ко второму слою, имеет толщину примерно 1,5 мм. В процессе рекристаллизации при нормализации в нее сформировалась мелкозернистая структура как следствие значительной пластической деформации при сварке взрывом. Участок E имеет протяженность примерно 19 мм, он подвергся значительно меньшей пластической деформации, и его размер зерна на порядок больше.
Рис. 6. Общий вид зерен в 08Х18Н10Т, 100х
Методом хорд определен размер зерна при различном увеличении для разных участков, это 400х для участка E и 2000х для участков D (табл. 3).
Таблица 3
Результаты измерений размера зерна в стали 08Х18Н10Т
Участки Длина хорды 1, мм Длина хорды 2, мм Длина хорды 3, мм Количество зерен на хорде 1 Количество зерен на хорде 2 Количество зерен на хорде 3 Средний размер зерна, мкм Средний размер зерна участка, мкм
Участок E
а 0,568 0,541 0,37 22 23 15 24,7 29
b 0,568 0,541 0,37 16 20 10 33,2
Участок D
а 0,121 0,105 0,077 30 25 17 4,25 4,6
b 0,121 0,105 0,077 23 21 16 5
В структуре стали присутствуют характерные для нержавеющей аустенитной стали зерна-двойники (рис. 8). В соответствии с ГОСТ 5639-82 определен средний условный размер зерна стали 08Х18Н10Т. Для участка D номер составил G7, а для участка E - G12.
149
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Рис. 7. Участок D, 100х
Рис. 8. Участок E, 400х
Испытания на изгиб позволяют оценить деформируемость материалов, чтобы при последующих технологических переделах можно было производить операции гибки, вальцовки и др. Технологические свойства оценивали при испытаниях на изгиб по ГОСТ 10885-85 и ГОСТ 14019-2003 на трехслойных образцах толщиной 2+2+2 (рис. 9).
Выполнены испытания на изгиб до заданного угла 120 °С. Испытания проводили на разрывной машине ИР 5145-500. Расслоения в зоне максимальных растягивающих напряжений отсутствовали.
150
Техника, технология, управление
/./
Рис. 9. Испытания на изгиб до заданного угла Заключение
Проведенные исследования показали, что параметры сварки взрывом обеспечивают получение многослойных материалов, отвечающих заданным требованиям прочности и имеющих высокие технологические свойства. Выполнение комплексных испытаний многослойных коррозионно-стойких материалов и получение положительных результатов позволит в дальнейшем осуществить внедрение в различные отрасли машиностроения и энергетики.
Работа выполнена в рамках проекта № 490 «Создание новых многослойных коррозионно-стойких материалов, обеспечивающих безопасность объектов химической промышленности и атомной энергетики» по государственному заданию Минобрнауки РФ.
Список литературы
1. Евразийский патент № 016878 ЕАПВ. Многослойный материал повышенной коррозионной стойкости (варианты) и способы его получения, 023F 13/06 В 32В 7/02 / А. Е. Розен, И. С. Лось, Ю. П. Перелыгин, Л. Б. Первухин, Ю. А. Гордополов, Г. В. Кирий, П. И. Абрамов, С. Г. Усатый, Д. Б. Крюков, О. Л. Первухина, И. В. Денисов, А. А. Розен. - Выдан 30.06.2012, приоритет от 26.09.2008.
2. Опыт разработки и сертификации многослойных коррозионно-стойких материалов с «протекторной питтинг-защитой»/ И. С. Лось, А. Е. Розен, Л. Б. Первухин и др. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 3 (31). - С. 118-132.
3. Деформационные процессы при сварке взрывом / И. В. Денисов, Л. Б. Первухин, О. Л. Первухина, А. Е. Розен // Известия Волгоградского государственного технического университета : межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград : ВолгГТУ, 2008. - № 3 (41). - С. 39.
4. Плакирование стали взрывом / под ред. А. С. Гельмана. - М. : Машиностроение, 1978. - 191 с.
Лось Ирина Сергеевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения,
Пензенский государственный университет E-mail: metal@pnzgu.ru
Los' Irina Sergeevna
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry production and materials science,
Penza State University
151
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Сазонов Никита Алексеевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: nikita0811@mail.ru
Баранов Антон Николаевич
научный сотрудник,
кафедра сварочного литейного производства и материаловедения,
Пензенский государственный университет E-mail: metal@pnzgu.ru
Sazonov Nikita Alekseevich
student,
Penza State University
Baranov Anton Nikolaevich
stuff scientist,
sub-department of welding, foundry production and materials science,
Penza State University
УДК 620.197+621.791.13 Лось, И. С.
Изучение структуры и свойств многослойного коррозионно-стойкого материала, полученного сваркой взрывом / И. С. Лось, Н. А. Сазонов, А. Н. Баранов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 2 (10). - C. 145-152.
