CC BY
26
© М.А. Кузнецов, Д.Е. Колмогоров, Е.А. Зернин, А.С. Лукашов, 2012
М.А. Кузнецов, Д.Е. Колмогоров, Е.А. Зернин, A.C. Лукашов
СПОСОБЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА НАНОСТРУКГУРИРОВАННЫ1МИ ПОРОШКАМИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Рассмотрены способы введения наноструктурированных порошков в жидкую сварочную ванну при дуговой сварки плавящимся электродом, а также их влияние на структуру и свойства сварных соединений. Предложен новый способ введения нанопорошков в сварочную ванну через защитный газ.
Ключевые слова: модификаторы, сварочная ванна, сварочные материалы, структура наплавленного металла, свойства металла шва.
При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условиями перехода сварочной ванны из жидкого состояния в твердое, является одним из факторов, определяющих качество и свойства этого участка сварного соединения [1].
Помимо естественных центров самопроизвольной кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны, существуют центры несамопроизвольной кристаллизации в виде зерен нового металла на границе сплавления [2]. Это явление используется на практике для модификации — измельчения кристаллитов при затвердевании [1].
Измельчение структурных составляющих наплавленного металла может быть достигнуто введением в сварочную ванну нанодисперсных металлических и неметаллических порошков, свойства которых существенно отличаются от свойств макро- и микропорошков того же химического состава. Размер зерен при этом уменьшается, что приводит к изменению механических свойств сварного соединения [3, 4, 5, 6].
В работе [3] представлен способ сварки с введением микрогранул никеля, содержащих нанодисперсные частицы монокарбида вольфрама, в основное покрытие промышленных электродов марки УОНИ 13/55. В процессе сварки такими
электродами микрогранулы из покрытий, частично оплавляясь на границе высокотемпературной зоны плазмы дуги, попадают в сварочную ванну. В результате происходит модифицирование наплавленного металла, улучшение ударной вязкости и твердости металла шва.
Известен способ [4] электрошлаковой сварки с введением наноструктурированных компонентов в сварочную ванну при помощи переплава дополнительного трубчатого электрода на никелевой основе, внутренняя полость которого заполняется наноструктурированным порошком карбонитрида титана. В результате происходит измельчение зерна в структуре зоны термического влияния, улучшение свойств металла шва.
Существует способ [4] механизированной сварки плавящимся электродом в среде защитных газов с нанесением нано-структурированных частиц на поверхность сварочной проволоки путем создания на проволоке микрокомпозиционного покрытия из ультра- и наноструктурированного порошка галоге-нидов в медной матрице. В результате происходит улучшение свойств дуги и формирования сварного шва, повышение производительности процесса сварки.
В работе [6] представлены несколько способов введения нанопорошков в сварочную ванну:
• через порошковую проволоку, в которую вводятся нике-лекарбидные гранулы;
• через электродное покрытие, на которое тонким слоем наносится смесь никелекарбидных гранул со связующим калий-натриевым жидким стеклом;
• с использованием стержней диаметром 2мм, изготовленных из проволоки марки Св-06Х19Н9Т, на которые наносится покрытие, содержащее никелекарбидные гранулы.
В результате во всех трех случаях происходит модифицирование наплавленного металла, но наиболее эффективным способом является размещение карбидов в тонком поверхностном слое покрытия сварочных электродов.
Коллективом авторов кафедры Сварочного производства разработан новый способ введения наноструктурированных порошков в жидкую сварочную ванну, заключающийся в дозированной подаче наноструктурированных частиц химических элементов через защитный газ при помощи специального устройства (рис. 1).
Рис. 1. Устройство: 1, 2 — ниппеля, 3 — инжектор, 4 — смесительная камера, 5 — накопитель наноструктурированных порошков, 6 — вентиль с датчиком регулировки концентрации наноструктурированных тугоплавких частиц в защитном газе, 7 — канал
Данное устройство предназначено для получения смеси защитного газа с нанопорошком. Оно осуществляет регулирование частиц нанопорошков в объеме защитного газа, подающегося в зону горения дуги. В устройстве смесь образуется за счет инжектирования нанопорошка защитным газом. Через ниппель 1 подают защитный газ, который проходя, через осевой канал инжектора 3, попадает в смесительную камеру 4 и создает разряжение 80 — 300 мм. рт. ст. в канале 7. Это приводит к подсасыванию наноструктурированных тугоплавких частиц из накопителя 5.
Регулировка концентрации наноструктурированных тугоплавких частиц в защитном газе осуществляется регулировочным вентилем 6. Для исключения попадания в защитный газ с наноструктурированным порошком воздуха, в накопитель 5 через ниппель 2 подают защитный газ аргон. Затем смесь защитного газа с наноструктурированным порошком, проходя канал 8 и дуговой промежуток 9, попадает в жидкую сварочную ванну 10.
Наноструктурированные порошки попадая в сварочную ванну, служат дополнительными центрами кристаллизации при образовании зерна микроструктуры сварного шва, т.к. не растворяются в жидкой сварочной ванне в связи с их высокой температурой плавления. Увеличение количества центров кристаллизации в жидкой сварочной ванне приводит к образованию мелкодисперсной, однородной микроструктуры сварного соединения.
В экспериментальных исследованиях использовали нано-порошки оксида алюминия (Al) и вольфрама (W) изготовленные посредством электровзрывного метода проволоки в Институте физики высоких технологий Национально исследовательского Томского политехнического университета.
Анализ исследований показал, что в результате введения наноструктурированных порошков в сварочную ванну при дуговой сварке плавящимся электродом происходит:
• модифицирование наплавленного металла;
• улучшение ударной вязкости и твердости металла шва;
• измельчение зерна в структуре зоны термического влияния;
• улучшение свойств дуги и формирование сварного шва;
• повышение производительности процесса сварки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лившиц Л. С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). — М.: Машиностроение, 1979. — 253 с.
2. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; Под ред. В.М. Неровного. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 559 с.
3. Соколов Г.Н., Трошков A.C., Лысак И.В., Самохин A.B., Благовещенский Ю.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперстных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла. // Сварка и диагностика. — 2011. — №3. — с. 36—38.
4. Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов. // Омский научный вестник. — 2009. — №3. — с. 63—67.
5. Паршин С.Г. MIG-сварка стали с применением наноструктурированных электродных материалов. // Сварочное производство, 2011, №10, с.27—31.
6. Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков A.C., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев Н.В., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама. // Физика и химия обработки материалов, 2009, №6, С. 41—47. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кузнецов М.А. — е-mail: kyznechik_85@mail.ru, Колмогоров Д.Е. — кандидат технических наук, Зернин Е.А. — кандидат технических наук, Лукашов А.С. — студент,
Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.
