Кинетика образования карбидных фаз титана и ниобия в сварном шве высоколегированных сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.75

КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ КАРБИДНЫХ ФАЗ ТИТАНА И НИОБИЯ В СВАРНОМ ШВЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ

СТАЛЕЙ

© 2013 Е.А. Кривоносова, Е.А.Синкина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 07.03.2013

Проведен анализ процессов структурообразования в металле сварных швов высоколегированной стали типа 08Х18Н10Т, полученных при ручной дуговой сварке электродами с различным типом покрытий - рутиловым (ОК61. 30) и основным (ЦЛ - 11). Решается задача подавления межкри-сталлитной коррозии путем инициирования связывания углерода в карбиды с титаном и ниобием, поступающими в сварной шов из покрытия.

Ключевые слова: сварной шов, высоколегированные аустенитные стали, межкристаллитная коррозия, карбидообразование

Высоколегированные аустенитные стали наиболее часто используют как коррозионно-стойкие. Основным требованием, которое предъявляется к сварным соединениям, является стойкость к различным видам коррозии. Межкристаллитная коррозия в металле шва возникает, как известно, в результате выделения из аусте-нита под действием термического цикла сварки карбидов хрома, приводящих к обеднению хромом приграничных объемов зерен. Основными причинами этого являются повышенное содержание в металле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание более сильных каби-дообразователей (титана, молибдена, ниобия и др). В металловедческой практике применяют следующие способы борьбы с межкристаллит-ной коррозией: снижение содержания углерода в стали до предела его растворимости (менее 0,03%); создание стали двухфазной аустенитно-ферритной структуры; введение в сталь элементов - стабилизаторов (Nb, Ti, V и др.), образующих карбиды более стойкие, чем карбиды хрома и связывающие избыточный углерод в металле; термическая обработка при 850°С и выше (стабилизация и аустенизация).

Установлено, что для получения сварных швов, удовлетворяющих поставленным требованиям, во многих случаях следует прибегать к комплексному легированию теми элементами, которые не содержатся в основном металле, и в то же время препятствовать обогащению шва примесями, имеющимися в свариваемой стали.

нических наук, профессор кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов». E-mail: katerinakkkkk@piail.ru Синкина Елена Александровна, аспирантка. E-mail: svarka@pstu. ru

При сварке появляется еще одна дополнительная возможность подавления межкристал-литной коррозии - введение сильных карбидо-образователей (№>, Тл, V и др.) через электродное покрытие [1, 7-11]. Кроме того, не менее важным фактором, повышающим качество металла сварного шва, является возможность модифицирования структуры дисперсными частицами вторичных карбидных и нитридных фаз, которые образуются в результате окислительно-восстановительных реакций между компонентами электродного покрытия, газовой фазой и металлом как это показано в работах [5 ,6, 12, 15, 19, 20].

В работе исследуются процессы структурообразования в металле сварных швов высоколегированной стали 08Х18Н10Т, полученных при ручной дуговой сварке электродами с различным типом покрытий - рутиловым (ОК61. 30) и основным (ЦЛ - 11), и решается задача подавления МКК путем инициирования связывания углерода в карбиды Тл и №>, поступающими в сварной шов из покрытия.

При исследовании структур швов, выполненных электродами обоих типов, было обнаружено, что структура не гомогенна, присутствуют светлые области 5-феррита, что подтверждено методами теплового окисления и теплового травления. На рис. 1. представлена структура металла сварных швов при увеличении ~х900 с иммерсионным маслом. В теле ферритного зерна образование любых карбидов затруднено вследствие недостатка углерода, однако прилегающие к ферритным прослойкам области аустенитного зерна склонны к межкристаллитной коррозии по обычному механизму. Тело зерна и граница зерна

являются структурно-напряженной коррозионной парой, то есть являются катодом и анодом соответственно. Форма 5-феррита в сварных швах, выполненных электродами ЦП-11 и ОК61.ЭО различна, что говорит о разной скорости кристаллизации швов, следовательно, легирование 5-феррита в этих швах различно. Исследования показали, что коррозионное разрушение швов, выполненных электродом ОК61.ЭО, проходит преимущественно по межфазным границам, так как содержание Сг в них меньше.

1411 С ■JUiJi-erb' - UiV*

£ • >■ . ¡Ж г ' . м

S, ы Иг W Р

k ii^iiiffeii

]

w. т 1 НОДШ5

/ ' J ' CTllli ШШ

ffifiin wJ I Н tyVWE

i г I,vi,34' и) * UVLli 11

б)

Рис. 1. Структура сварных швов стали 08X18Н1 ОТ, выполненных электродами: а-ЦЛ-11,6-СЖ61.30, при увеличении ~х900 с иммерсионным маслом

Химический анализ показал, что при сварке стали 08Х18Н10Т рутиловыми (ОК 61.30) электродами наплавленный металл имеет следующий состав: 0,03%С, 0,8%Mn, 0,8%Si, 0,009%Ti ,19%Cr, 10%№. При сварке основными (ЦЛ-11) электродами: 0,08%С, l,3%Si, 2%Mn, 20%Cr, 10%№, l,l%Nb. Участие титан-и ниобийсодержащих компонентов электродного покрытия в структурообразовании металла шва изучали с помощью моделирования процессов дополнительного карбидообразования. При построении математической модели кинетики роста частиц TiC в сварном шве использовалось приближение Вагнера-Киркалди, данный подход для условий выделения фаз при

сварке низколегированной стали наиболее полно рассмотрен в работах [1-4]. На границе с включением устанавливается равновесная концентрация титана 11р. Начальная концентрация титана в металле шва (матрице) - Ц>, концентрация во включении - 11в. Положение межфазной границы включение-матрица в начальный момент - Хо =0. Задача заключалась в нахождении для условий сварки распределения концентрации растворенного вещества (П) в диффузионной области с учетом особенностей охлаждения сварного шва - 1Дх, т, Т), где х - текущая координата, т - время, Т - температура. Начальную температуру карбидообразования в твердой фазе устанавливали по приведенной математической модели, считая за температуру начала процесса ту, при которой равновесная концентрация титана на межфазной границе станет ниже концентрации Тл в матричном растворе. Иначе говоря, условием карбидообразования является соблюдение неравенства

иР(Т)<и(х, х, Т).

Расчет вели шаговым методом, условно считая процесс охлаждения дискретным. Значения и0 для каждого последующего шага задавались конечными значениями 1Дх) на предыдущем шаге. Шаг по температуре был выбран равным 20 К. Время нахождения металла шва в выбранном температурном интервале определяли по термическому циклу сварки (ТЦС), рассчитанному по формуле, полученной с использованием метода функций Грина для бесконечной пластины с нулевыми граничными условиями второго рода и нормально-кругового источника:

Т =

0,85 -q

4с'7 -(^ж •a)

•Й-

3 J л/7 V

exp

(x + V-r)2 + (у)2 4-т-а

■ Z ехР

-{z + 2-N-Lf 4-т •a

dr

где с[ — мощность дуги, а - коэффициент температуропроводности, с , у- теплоемкость и плотность стали, V - скорость сварки, Ь - толщина листа, ^ зависит от коэффициента сосредоточенности дуги, N - шаги суммирования, х, у, г - координаты.

На рис. 2 представлена совмещенная картина концентрационной ситуации вблизи растущей частицы карбида титана для сварных швов стали 08Х18Н10Т, выполненных электродами с рутиловым покрытием (ОК 61. 30). По модели рассчитаны два варианта концентрационной ситуации вблизи частицы ТлС для сварных швов электродов с рутиловым покрытием (рис. 2) и с основным покрытием. Как видно из рис.

2, в интервале температур выше 930 К равновесная концентрация Тл больше фактической, т.е. карбидообразования НС нет. Образование НС начинается при температурах ниже 930 К, когда равновесная концентрация И на границе карбид-матрица становится меньше его концентрации в сварном шве. Для швов электродов с основным покрытием карбидообразование ПС согласно расчетным данным начинается при температуре 750 К. Реально при этих температурах диффузионные процессы, как И, так и С настолько заторможены, что эти данные можно использовать только ориентировочно.

1Т™

Лх. 0.0 5. 980] О Цо

1 -1-1-

Т1(х, 0.06, 950К)

1 Г(х, 0.0 1 930Е )

Ш9 10Е

ир \ и( 890К)

0К)

Тра ме / 1 екгори жфазно смещ й граш гния щы

О 0.1 0,2 0.3 0.4 0,5 0.6 0,7 0.8 0.9 1,0 1.1 1,2 Расстояние от межфазной границы х. {мкм)

Рис. 2. Распределение концентрации титана в диффузионной области у границы растущей частицы карбида титана для интервала температур 980-850 К для электродов с рутиловым покрытием (ОК 61. 30): и0 - начальная концентрация титана (в матрице); ирт -равновесная концентрация титана для температуры Т; и(х, т, к, Т) - распределение концентрации титана по глубине диффузионной зоны х для времени т (с), константы к и температуры Т

Таким образом, в сварных швах стали 08Х18Н10Т, выполненных электродами с рутиловым покрытием, карбидообразование ПС при дополнительном влиянии компонентов электродного покрытия реально в интервале 930-900 К, диффузионная область имеет размеры в пределах 0,002-0,004 мкм; при сварке электродами с основным покрытием дополнительное карбидообразование ПС практически отсутствует.

По аналогичному алгоритму был проведен расчет концентрационной ситуации близи растущей частицы МэС в сварном шве электрода с основным покрытием на стали 08Х18Н10Т. Данный расчет показал, что температура начала

карбидообразования для №>С выше, чем для ПС (900 К и 780 К соответственно), т.е. задача подавления межкристаллитной коррозии при сварке электродом с основным покрытием решается путем инициирования связывания углерода преимущественно в карбиды ниобия.

Разработанная модель кинетики диффузионных процессов вблизи растущей частицы вторичной фазы ПС, №>С в сварных швах с рутиловым и основным электродным покрытием и полученные по ней результаты позволили уточнить основные закономерности образования карбидных фаз и пути повышения качества металла сварного шва. Коррозия может затрагивать не только металл шва, но также распространяться на все зоны сварного соединения: линию сплавления, участки зоны термовлияния и др. [13, 14, 16-19]. Предложенная математическая модель с некоторыми поправками может быть использована для прогнозирования аналогичных процессов и в этих областях с учетом теплового воздействия дуги на указанные зоны сварного соединения.

Выводы:

1. Установлено, что форма зерен 5-феррита в сварных швах стали 08Х18Н10Т, выполненных электродами ЦЛ-11 и ОК61.30, различна, что говорит о разной скорости кристаллизации швов, следовательно, легирование 5-феррита в этих швах различно.

2. Установлено, что в сварных швах на стали 08Х18Н10Т, выполненных электродами с рутиловым покрытием, карбидообразование при дополнительном влиянии компонентов электродного покрытия реально в интервале 930-900 К, диффузионная область имеет размеры в пределах 0,002-0,004 мкм.

3. При сварке электродами с основным покрытием температура начала карбидообразования для №>С выше, чем для ТлС (900 К и 780 К соответственно), т.о. задача подавления межкристаллитной коррозии при сварке электродами с основным покрытием решается путем инициирования связывания углерода преимущественно в карбиды ниобия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Уточкин, В.В. Термодинамическая оценка условий выделения соединений ТХ N. С в Сварных швах стали Ст.З при микро легировании титаном через электродное покрытие / В.В. Уточкин, В.М. Язое-ских, ЕЛ. Криеоносова и др. // Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. 2000. №3. С. 68-73.

2. Криеоносова, ЕЛ. Математическая модель кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве / ЕЛ. Криеоносова, В.М. Язовских, В.В. Уточкин, В.П. Шишков II Сварочное производство. 2002. №7. С. 24-28.

3. Уточкин, В.В. Термодинамическое моделирование фазового состава стали 09Х16Н4Б в области температур 500-800°С / В.В. Уточкин, ЕЛ. Кривоносо- 13. ва, МЛ. Коротаева, Н.В. Палъшин II Механика и технология материалов и конструкций. Вестник ПГТУ. 2003. №6. С. 177-185.

4. Криеоносоеа, ЕЛ. Микролегирование титаном при сварке углеродистых сталей / ЕЛ. Криеоносоеа,

В.В. Уточкин, В.М. Язоеских // Сварочное произ- 14. водство. 2001. №5. С. 6-9.

5. Криеоносоеа, ЕЛ. К проблеме формирования свойств наплавленного металла при сварке плавлением и наплавке / ЕЛ. Криеоносоеа, В.В. Уточкин,

B.М. Язоеских / Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. 2001. №4. С. 72- 15. 75.

6. Криеоносоеа, ЕЛ. Формирование свойств наплавленного металла при сварке плавлением и наплавке / ЕЛ. Криеоносоеа, В.В. Уточкин, В.М. Язоеских П Ремонт, восстановление. 2002. №10. С. 31-32.

7. Язоеских, В.М. Структурные факторы хладостойко-

сти сварных швов / В.М. Язоеских, ЕЛ. Кривоносо- 16. ва, В.И. Шумякое и др. // Сварочное производство. 2002. № 1. С. 12-14.

8. Криеоносоеа, ЕЛ. Влияние неметаллических включений на развитие деформации сварных швов

/ ЕЛ. Криеоносоеа, В.М. Язоеских, Н.В. Вылежнееа 17. //Тяжелоемашиностроение. 2003. №12. С. 36-39.

9. Криеоносоеа ЕЛ. Фрактальный анализ структуро-образования сварных швов // Сварочное производство. 2005. №7. С. 3-6.

10. Язоеских, В.М. Оптимизация состава электродного 18. покрытия с силикомарганцем в качестве раскисли-теля / В.М. Язоеских, ЕЛ. Криеоносоеа, В.И. Шумякое, И.Ю. Летягин II Сварка в Сибири. 2005. №2.

C. 46-48.

11. Криеоносоеа, ЕЛ. Влияние режима сварки на 19. структуру и свойства зоны термического влияния сталей с карбонитридным упрочнением / ЕЛ. Криеоносоеа, В.М. Язоеских, ОЛ. Рудакова, Г.В. Встоеский // Тяжелое машиностроение. 2009. №7.

С. 23-27. 20.

12. Криеоносоеа, ЕЛ. Влияние состава электродного покрытия на процессы структурообразования в сварных швах высоколегированных сталей / ЕЛ.

Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. 2010. Том 12, №1.С. 103-108. Рудакова, ОЛ. Разработка методики исследования коррозионной усталости сварных соединений магистральных газонефтепроводов / ОЛ. Рудакова,

Вестник ПГТУ. Машиностроение и материаловедение. 2010. Том 12, №2. С. 58-64. Криеоносоеа, ЕЛ. Мультифрактальный анализ структурного состава зоны термического влияния сталей с карбонитридным упрочнением / ЕЛ. Криеоносоеа, O.A. Рудакова, Г.В. Встоеский II Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. №6. С. 26-31.

Криеоносоеа, ЕЛ. Исследование взаимосвязи между структурным составом зоны термического влияния и коррозионной стойкостью стали ЭП-56 различных плавок / ЕЛ. Криеоносоеа, ЕЛ. Синки-на, O.A. Рудакова // Вестник ПГТУ. Машиностроение и материаловедение. 2011. Том 12, №1. С. 3241.

Синкина, ЕЛ. Влияние типа покрытия электрода на коррозионную стойкость металла шва стали 08Х18Н10Т / ЕЛ. Синкина, ЕЛ. Криеоносоеа П Вестник ПГТУ. Машиностроение и материаловедение. 2011. Том 13, №2. С. 79-85. Криеоносоеа, ЕЛ. Структурные особенности деформирования сварных швов высоколегированных сталей / ЕЛ. Криеоносоеа, O.A. Рудакова, Е.С. Са-ломатова, А.И Горчаков II Сварка и диагностика.

2011. №3. С. 14-17.

Криеоносоеа, ЕА. Влияние типа покрытия электродов на коррозионную стойкость металла шва стали 08Х18Н10ТI ЕА. Криеоносоеа, Е.А. Синкина,

A.И. Горчаков II Сварочное производство. 2012. №4. С. 38-41.

Криеоносоеа, ЕА. Оценка размеров зоны повышенной пластической деформации при усталостном разрушении металла сварного шва // Вестник ПНИГТУ. Машиностроение, материаловедение.

2012. Т. 14, №2. С. 71-76.

Криеоносоеа, ЕА. Влияние состава электродного покрытия сварочных электродов рутилового типа на структурообразование и сопротивление хрупкому разрушению металла шва // Е.А. Криеоносоеа,

B.М. Язоеских, В.В. Уточкин, Н.В. Вылежнееа II Сварочное производство. 1997. №2. С. 17-22.

KINETICS OF FORMATION THE CARBIDE PHASES OF TITAN AND NIOBIUM IN HIGH-ALLOYED STEELS WELD

© 2013 E.A. Krivonosova, E.A. Sinkina Perm National Research Polytechnical University

The analysis of structure formation processes in metal of high-alloyed steel type 08X18H10T weld, received at manual arc welding by electrodes with various type of coverings - rutile (OK61. 30) and basic (CL - 11) is carried out. The problem of suppression of intercrystalline corrosion by initiation of binding the carbon in carbides with titan and niobium arriving in a weld from covering is solved.

Key words: weld, high-alloyed austenitic steels, intercrystalline corrosion, carbide-formation

Ekaterina Krivonosova, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Welding Production and Technology of Constructional Materials". E-mail: katerinakkkkk@mail.ru Elena Sinkina, Post-graduate Student. E-mail: svarka@pstu.ru