CC BY
142
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2014 Машиностроение, материаловедение Т. 16, № 3
УДК 621.791
Е.А. Кривоносова, Т.В. Лодягина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
СПОСОБЫ ВЛИЯНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКСИДОВ И СУЛЬФИДОВ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
Проведен обзор оксидных и сульфидных неметаллических включений, встречающихся в спокойных низколегированных сталях (типа 16Г2АФ, 10Г2ФБ и др.). Рассмотрены способы влияния на характеристики указанных неметаллических включений в сварном соединении.
Ключевые слова: неметаллические включения, оксиды, сульфиды, сварной шов, зона термического влияния, ударная вязкость.
E.A. Krivonosova, T.V. Lodyagina
Perm National Research Polytechnic University
METHODS OF INFLUENCE ON OXIDE'S AND SULPHIDE'S CHARACTERISTICS IN WELD JOINTS OF LOW-ALLOYED STEEL
Review of oxide and sulphidenonmrtallics in the killed steels (16Г2АФ, 10Г2ФБ, etc.) is carried out. Methods of influence on the nonmetallic characteristics in weld joint is considered.
Keywords: nonmetallics, oxides, sulphides, weld seam, heat-affected zone, impact strength.
Свойства сварного соединения определяются такими параметрами структурообразования, как структурные составляющие и характеристики неметаллических включений. Присутствие оксидных и сульфидных неметаллических включений негативно влияет на пластичность, ударную вязкость и усталостную прочность металла сварного шва и зоны термического влияния [1-5].
Включения описывают, используя следующие характеристики: химический состав, форма, размер и распределение.
В сталях могут встречаться неметаллические включения следующих классов в зависимости от химического состава [1, 2]:
1) кислородные (простые и сложные окислы, силикаты, алюмосиликаты);
2) сульфидные (сульфиды железа и марганца);
3) нитридные (нитриды легирующих элементов);
4) карбидные (карбиды легирующих элементов).
Зачастую карбиды и нитриды присутствуют в сталях не случайно, а обеспечивают необходимый уровень эксплуатационных свойств. Так, в стали 16Г2АФ вследствие наличия карбонитридов ванадия возникает упрочнение, приводящее к сочетанию таких свойств, как высокая прочность, низкий порог хладноломкости и хорошая свариваемость [6].
При этом следует иметь в виду, что в структуре сталей часто встречаются сложные включения, состоящие из включений нескольких классов (например, оксисульфидные, карбонитридные).
По форме неметаллические включения могут быть [7]:
- округлые (глобулярные);
- полигональные, червеобразные (с острыми гранями);
- пленочные (межкристаллитные прослойки).
В направлении от округлой формы до пленочной формы включения повышается его влияние на свойства, понижается эффективная поверхностная энергия образования трещин и повышается опасность зарождения трещины именно от неметаллического включения. Полигональные неметаллические включения выполняют роль локального надреза, что повышает опасность зарождения усталостных трещин и способствует изменению траектории движения. Наибольшую опасность представляют пленочные включения, нарушающие сплошность металлической матрицы. Так, в частности, пленочные сульфидные включения ускоряют распространение усталостной трещины при малоцикловых испытаниях [5].
Размер и распределение неметаллических включений в сварном шве будет зависеть от его химического состава и, соответственно, от условий его образования: включение может образовываться в результате ликвации примесей (гомогенное зарождение) или на поверхности тугоплавкого включения, выполняющего функцию зародыша (гетерогенное образование) [8]. В зависимости от размера неметаллические включения могут всплывать на поверхность сварочной ванны или оставаться в металле в виде взвесей или растворов [3]. На возможность удаления оксидов при всплывании оказывает скорость кристаллизации сварочной ванны: при более жестких условиях кристаллизации, высо-
кой скорости сварки, низкой погонной энергии оксиды не успевают всплыть на ее поверхность [7]. Распределение неметаллических включений определяется количеством тугоплавких оксидов (зародышей) и условиями кристаллизации сварного шва.
Размер и распределение неметаллических включений в зоне термического влияния будет зависеть от исходного состояния основного металла и параметров термического цикла сварки (скорости нагрева, скорости охлаждения).
Целью данной работы являлось подробное рассмотрение кислородных и сульфидных неметаллических включений, встречающихся в спокойных низколегированных сталях, и условий их образования с целью выявления способов влияния на их характеристики. Перечень неметаллических включений, предположительно встречающихся в рассматриваемых сталях, и их описание представлены в таблице [1, 2, 8].
Округлую форму имеют включения, затвердевающие на ранней стадии кристаллизации [1]. Это могут быть включения с температурой плавления выше температуры затвердевания металла шва (например, алюмосиликаты или сульфид марганца) или тугоплавкие включения, на поверхности которых образуются оболочки стекол (шпинели) или нарастают сульфиды (оксисульфиды). Например, силикаты, карбиды титана и ванадия являются центрами зародышеобразования для сульфидных включений на начальной стадии кристаллизации [7].
Пленочные включения зачастую образуются на поздних стадиях кристаллизации сварочной ванны на других включения в междуосных участках (пленочные стекла), на поверхности дендритов или на границах кристаллов (сульфиды железа) [1].
Наибольшую опасность представляют пленочные неметаллические включения. Рассмотрим механизм их образования [7]:
1. «Кристаллизационный» механизм образования: включения образуются из первичных глобулярных включений под давлением растущих дендритов кристаллизующегося металла, вследствие чего они деформируются и принимают форму пленок.
2. «Физико-химический» механизм: при понижении температуры сварочной ванны происходит выделение из перенасыщенного примесями раствора монооксидов (например, БЮ), которые в сочетании с окислами и ликвирующими атомами кислорода образуют вокруг растущих кристаллов тончайший аморфный слой - стекловидную пленку. Этот механизм наблюдается при избытке в жидком металле кремния [1].
Неметаллические включения в спокойных низколегированных сталях
Название (температура плавления, °С) Пространственная форма Расположение Оптические свойства включений
в светлом поле в темном поле
Оксид алюминия (корунд) А1203 (2035) Кристаллы неправильной формы (не деформируются) Скопления, строчки Темно-серые Прозрачные, бледно-желтого цвета
Железная шпинель (герценит) Бе0А1203 (1780) Кристаллы правильной кубической формы (не деформируются) Темно-серые
Феррованадиевая шпинель БеО^Оэ Прямоугольники или угловатые кристаллы (не деформируются) Скопления Светло-серые, с розовым оттенком Непрозрачные, с тонкой светящейся окантовкой
Алюмосиликат (муллит) 3А1203-2БЮ2 (1535) В виде призм или игл (не деформируются) Отдельные выделения Темно-серые
Стекла алюмоси-ликатные wA120э•даSi02•^>Fe0 В виде глобулей (не деформируются) Отдельные выделения Темно-серые Прозрачные, цвет светло -желтый
Сложные силикаты железа и марганца пБе0даМп0р8Ю2 В виде глобулей из смеси Бе0 -Мп0 - 8Ю2 (чем меньше 8Ю2, тем легче деформируются) Отдельные выделения Серые, с коричневым оттенком (чем больше 8Ю2, тем темнее) Прозрачные, цвет от ярко-красного до темного
Сульфид марганца Мп8 (1575) Кубические или округлые кристаллы (слабо деформируются) Отдельные частицы или скопления Серо-голубые Прозрачные, с зеленым оттенком
Сульфид железа и марганца Бе8 - Мп8 Кристаллы округлой или угловатой формы (легко деформируются) Отдельные частицы или скопления вдоль границ зерен Цвет от серо-голубого до светло-желтого (в зависимости от содержания Мп8) Непрозрачные
Сульфид железа Бе8 (1195) Частицы округлой формы (легко деформируются) Скопления в виде сетки на границах зерен Светло-желтые Непрозрачные
Можно сделать следующие выводы:
1. На характеристики неметаллических включений в сварном шве можно влиять следующими способами: введением соответствую-
щих легирующих элементов в сварочную ванну и регулированием скорости ее кристаллизации. Так, при введении в сварочную ванну марганца происходит два процесса [1, 7]:
- образование сложных включений, состоящих из закиси марганца, закиси железа и железомарганцовистых силикатов, которые имеют низкую температуру плавления и легко удаляются в шлак при уменьшении содержания кислорода в металле;
- образование сульфида марганца вследствие большего сродства марганца к сере, чем у железа; данные включения являются более желательными (по сравнению с сульфидами железа), так как в силу сравнительно высокой температуры плавления имеют глобулярную форму.
Кроме того, введение в металл титана способствует образованию тугоплавких включений, выполняющих функцию центров зародыше-образования на ранних стадиях кристаллизации. Также дисперсные тугоплавкие включения титана влияют на образование желательных структурных составляющих в сварном шве и измельчение первичной структуры [9].
2. Характеристики неметаллических включений в зоне термического влияния определяются временем нахождения основного металла при определенных температурах. Так, например, на участке перегрева может происходить частичное растворение оксисульфидных включений и выделение их по границам зерен при охлаждении. Вследствие нагрева в процессе сварки возможна трансформация пленочных сульфидных включений в результате легкой диффузии атомов серы в стальной матрице [6]. При этом может происходить растворение включения в матрице, пересыщение матрицы вблизи включения и выделение дисперсных частиц включений, что приводит к уменьшению размеров включений. Однако при высоких температурах возможно укрупнение включений в результате коалесценции (растворение мелких частиц, диффузия растворенного вещества от мелких частиц к крупным и осаждение атомов на поверхности крупных частиц). Таким образом, на характеристики неметаллических включений в зоне термического влияния можно оказывать воздействие путем регулирования термического цикла сварки (скорости охлаждения) и назначения соответствующей термической обработки.
Список литературы
1. Виноград М.И. Включения в стали и ее свойства. - М.: Метал-лургиздат, 1963. - 252 с.
2. Барахтин Б.К., Немец А.М. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения: справочник; под ред. Б.К. Ба-рахтина. - СПб., 2006. - 490 с.
3. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. - М.: Металлургия, 1980. - 176 с.
4. Влияние неметаллических включений и структурных составляющих на ударную вязкость низколегированной стали / Е.А. Криво-носова, Т.В. Ольшанская, Т.В. Лодягина, О.А. Бурцева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2014. - Т. 16, № 1. -С. 94-100.
5. Лодягина Т. В. Влияние структурных изменений в зоне термического влияния на сопротивление стали с карбонитридным упрочнением малоцикловой усталости // Современные техника и технологии: сб. докл. XX Междунар. юбилейн. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т., г. Томск, 14-18 апр. 2014 г. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та. - Т. 2. - С. 53-54.
6. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали: учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.
7. Еремин Е.Н., Шалай В.В., Еремин А.Е. Сварочные материалы для трубопроводного строительства: учеб. пособие. - Омск: Изд-во Омск. гос. техн. ун-та, 2010. - 260 с.
8. Бельченко Г.И., Губенко С.И. Неметаллические включения и качество стали. - Ки'в: Техшка, 1980. - 168 с.
9. Головко В. В., Походня И. К. Влияние неметаллических включений на формирование структуры металла сварных швов высокопрочных низколегированных сталей // Автоматическая сварка. - 2013. - № 6. -С. 3-11.
Получено 17.07.2014
Кривоносова Екатерина Александровна - доктор технических наук, профессор кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермский национальный исследовательский политехнический университет; e-mail: [email protected]
Лодягина Татьяна Валерьевна - старший преподаватель кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермский национальный исследовательский политехнический университет; e-mail: [email protected]
Krivonosova Ekaterina Aleksandrovna - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department "Welding Production and Technology of Structural Materials", Perm National Research Polytechnic University; e-mail: [email protected]
Lodyagina Tatiana Valerievna - Senior Lecturer, Department "Welding Production and Technology of Structural Materials", Perm National Research Polytechnic University; e-mail: [email protected]
