CC BY
35
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 621.791
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРИ РЕМОНТЕ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗМАШИН ИЗ СТАЛИ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА
Л.В. Костылева, доктор технических наук, профессор А.В. Грибенченко, кандидат технических наук, доцент В.П. Морозов, аспирант
Волгоградский государственный аграрный университет
Показана возможность локального перераспределения углерода в стали путем многократного наложения кратковременных температурных градиентов для обезуглероживания свариваемых кромок на время сварки.
Ключевые слова: сварка, высокоуглеродистые стали, холодные трещины, зона термического влияния, диффузионное перераспределение углерода, температурный градиент, градиент термодинамической активности углерода.
Основной причиной образования холодных трещин в сварных соединениях стальных деталей считают неблагоприятное развитие физико-химических процессов в зоне термического влияния (ЗТВ) [2].
Глубина зоны термического влияния со структурными изменениями при электродуговой сварке составляет около 3,5 мм, при газовой сварке — 20...30 мм. Разупрочнение и охрупчивание металла ЗТВ снижает эксплуатационные свойства сварных конструкций и может привести к разрушению детали по околошовной зоне вследствие образования и быстрого роста холодных трещин [4].
Наибольшая вероятность образования структур закалки в аустенитизирующихся областях ЗТВ характерна для средне- и высокоуглеродистых, а также легированных сталей.
Стали с содержанием углерода или углеродным эквивалентом более 0,4 % относятся к трудносвариваемым и требуют подогрева перед сваркой или проведения термической обработки после сварки. При этом в сварных соединениях из сталей существенно разного состава термообработка с длительным нагревом до температур выше 450-500 °С или эксплуатация при повышенных температурах могут вызвать восходящую диффузию углерода, через границу сплавления и образование хрупких прослоек и холодных трещин в сварном шве [1].
Вместе с тем возможно улучшение свариваемости высокоуглеродистых сталей путем перераспределения углерода от свариваемых кромок в зону основного металла путем наложения градиента температур.
Термодинамическая активность углерода, ас в фазах стали с повышением температуры снижается [5]. Поэтому в неоднородно нагретой стали возникает градиент активности углерода, Аас, устранение которого происходит за счёт массопереноса углерода из холодных зон в более нагретые.
Подобный эффект диффузионного переноса углерода при наложении стационарного градиента температур экспериментально наблюдался нами на среднеуглеродистой стали 45Л [3]. За 20 мин воздействия градиента температуры, равном АТ= 1000-730=270 °С, удалось снизить содержание углерода в зоне шириной 4 мм с 0,39 до 0,35 %. Анализ результатов эксперимента с помощью диаграммы изоактивности Бенза-Эллиота [6] показал, что произошло полное выравнивание активности углерода и дальнейший массоперенос при данном значении АТ невозможен.
Для изучения возможности более значительного массопереноса углерода нами было опробовано одно- и многократное наложение кратковременных резких температурных градиентов на сталь с высоким содержанием углерода. Для наглядности массопереноса углерода эксперименты выполняли на цементованных образцах.
Один из двух цилиндрических образцов после цементации закалили в воде, а другой - охлаждали медленно в защитной атмосфере. Послойный химический анализ показал неодинаковое распределение углерода в поверхностных слоях образцов (рис. 1).
%С
2,0
1,8 1>2<
7,0
«
m \
п g ^_
3
г U—4 1__ £_ w
у——е
0,025 0,075 0,125 0,175 h, мм
Рисунок 1 - Распределение углерода по толщине цементованного слоя образцов из стали 18ХГТ: 1 и 2 - закалка и медленное охлаждение от 860 °С; 3 - теоретическая кривая насыщения стали
В поверхностных слоях закаленного образца содержание углерода в значительной степени снизилось. Максимальная концентрация углерода в цементованном слое этого образца сместилась на расстояние 0,03 мм от поверхности и заметно превысила концентрацию углерода на этом уровне цементованного слоя в образце сравнения.
В медленно охлажденном образце тенденция снижения содержания углерода на поверхности едва заметна, но, в отличие от закаленного образца, никакого пика концентрации в глубинных слоях не отмечается.
Практическое равенство заштрихованных на рисунке 1 площадей, ограниченных теоретической кривой насыщения (3) и линией (1) фактического распределения углерода в закаленном образце, свидетельствует о том, что под воздействием резкого охлаждения основная масса углерода из поверхностных слоев перемещается в глубь металла.
Охлаждением образцов в воде (закалкой) в тонком поверхностном слое был создан кратковременный, но резкий перепад температуры, а, следовательно, возник градиент термодинамической активности углерода, который инициировал диффузионный перенос атомов углерода от поверхности в более горячие слои. В связи с этим, концентрация углерода в тонком поверхностном слое становится существенно меньшей, чем у контрольного образца. На определенной глубине содержание углерода возрастает и теперь уже существенно превышает значения контрольного образца. Поступающий из поверхностного слоя в глубину углерод, суммируясь с уже имеющимся там количеством, образует концентрационный максимум.
Некоторое снижение концентрации углерода на поверхности медленно охлажденного контрольного образца вызвано также отклонением от равновесных условий и возникновением (хотя и весьма небольшого) перепада температур между поверхностью и сердцевиной.
Таким образом, кратковременное резкое изменение температурного поля вызывает массоперенос углерода по градиенту активности.
При неравновесных условиях охлаждения возникает мощный термодинамический стимул направленного диффузионного перемещения углерода в аустените - градиент активности углерода, Дас, тем больший, чем выше концентрация углерода на поверхности образца и градиент температуры по его сечению. Например, при концентрации углерода в слое 1 % перепад температур Д1=100 0С (950...850 °С) приводит к возникновению градиента термодинамической активности ДаС= 0,3, а в слое с 1,5 % С при аналогичном перепаде температур ДаС возрастал уже до 0,5. Кинетические факторы, несомненно, препятствуют реализации парциального равновесия сплава по ас во всей полноте вследствие быстрого охлаждения до температур, при которых диффузия затруднена, и за один цикл достигается весьма небольшой массоперенос углерода. Массоперенос углерода может быть увеличен многократным наложением подобных температурных градиентов.
Термокинетику массопереноса углерода при циклическом наложении температурного градиента исследовали на сравнительно чистом Бе-С сплаве, цементованном армко-железе, позволяющем находить термодинамическую активность для каждой температуры и концентрации по диаграмме изоактивности Бенза-Эллиота.
Заготовку из армко-железа, предварительно прокованную на брус сечением 80^80 мм и шлифованную со всех сторон, подвергали цементации в газовой атмосфере на расчетную глубину 1,1 мм. Из цементованного бруса вырезали массивные образцы кубической формы с длиной ребра 70 мм, у которых только одна грань имела диффузионный слой с общей глубиной насыщения 1,1 мм. Для предупреждения окисления цементованную поверхность образцов меднили в растворе медного купороса и нагрев для циклического подстуживания и последующей закалки производили в защитной атмосфере. Термоциклы осуществляли путем кратковременного погружения разогретого до 950 °С образца в водный раствор метакрилонитрильного сополимера УЗСП-1 и последующего саморазогрева поверхности от внутреннего тепла образца после прекращения охлаждающего воздействия. Время быстрого охлаждения в данной серии опытов выбиралось с учетом способности поверхности, охлаждаемой примерно до 650... 680 °С, восстанавливать термическое свечение в период саморазогрева. Число термических циклов охлаждение-саморазогрев в каждом следующем образце увеличивали, доводя до пяти циклов, после которых общее снижение температуры образца уже не могло обеспечить саморазогрева поверхности до необходимой температуры.
Все образцы подвергали закалке с повторного нагрева, затем изучали распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя, измеряя ее с шагом 0,05...0,10 мм при нормальной нагрузке 1 Н.
Характер изменения микротвердости упрочненного слоя образцов армко-железа в состоянии исходного насыщения и после ряда термоциклов показан на рисунке 2.
0,2 0,4 0,6 0,81.0 1,2 1.4 1,6 1,8 Расстояние от поверхности, мм
Рисунок 2 - Кинетика изменения микротвердости по толщине упрочненного слоя в результате 1, 3 и 5-кратного наложения градиента (пунктир - исходное насыщение)
Как следует из приведенных на рисунке 2 кривых, циклические градиенты температур изменили кривизну концентрационной кривой цементованного слоя, с отрицательной на положительную, а со стороны внешней поверхности цементованного слоя появилась возрастающая от цикла к циклу зона пониженной твердости. Максимальные значения микротвердости, напротив, существенно сместились в глубину цементованного слоя, соответственно увеличивая толщину эффективного упрочнения.
Естественно, кривая изменения микротвердости в закаленном цементованном слое лишь качественно может характеризовать действительное распределение в нем углерода, поэтому кривые, приведенные на рисунке 2, недостаточны для расчета собственно диффузионных процессов.
Фактическое распределение содержания углерода в исходном и термоциклированном образцах исследовали рентгеноструктурным анализом остаточного аустенита и мартенсита в слоях, последовательно удаляемых электрополировкой.
Результаты рентгеноструктурного количественного анализа содержания углерода в мартенсите закаленного образца, приведенные на рисунке 3, показали достаточно хорошее совпадение кривой концентрации углерода и кривой микротвердости (рис. 2).
Как видно из рисунка 3, за три кратковременных (10 -15 с) цикла воздействия градиента температур был осуществлен массоперенос углерода на расстояние 0,45 мм и увеличение концентрации углерода на этом расстоянии от поверхности на 0,35 %, на расстоянии 0,1 мм содержание углерода было снижено до 0,2 %.
Рисунок 3 - Характер перераспределения углерода в упрочненном слое армко-железа после трехкратного подстуживания (кривая 2) в сравнении с исходным содержанием углерода в цементованном слое (кривая 1)
В общем случае при периодическом наложении на высокоуглеродистый поверхностный слой больших, быстро изменяющихся градиентов температур, которые сопровождаются продвижением в глубь материала макрограницы фазовой перекристаллизации у^-а, перед фронтом движения этой границы возникают диффузионные потоки углерода, обусловленные следующими механизмами их образования: 1 - диффузия по градиенту концентраций; 2 - диффузия, определяемая градиентом активности углерода в соответствии с диаграммой Бенза-Эллиота; 3 -диффузия, определяемая градиентом химического потенциала углерода, учитывающая изменение температуры слагаемым ЯТ1пае и градиентом логарифма активностей ё1паеМх; 4 - собственно термодиффузия, наблюдаемая в идеальных и реальных растворах; 5 - массоперенос углерода на движущейся межфазной границе у^-а.
Первые три диффузионных потока, по крайней мере, в начальном термоцикле являются однонаправленными, причем движущие силы Дас и Дцс потоков (2) и (3) в условиях существенной разницы концентрации углерода по толщине слоя при больших градиентах температур могут быть весьма значительными. Диффузионный поток (4) от термодиффузии является по отношению к потокам (1-3) встречным, снижающим общий массоперенос углерода в глубину слоя, однако, величина его относительно невелика.
Диффузионный поток (1) после первого подстуживания меняет направление, переходит в разряд встречных и может оказаться серьезным препятствием направленному массопереносу углерода в глубину.
Оценочные расчеты показывают, что все перечисленные диффузионные процессы явно не могут за считанные секунды обработки обеспечить фактически наблюдаемый в эксперименте массоперенос.
Следовательно, основной вклад в увеличение толщины диффузионного слоя вносит механизм кооперативного перемещения атомов углерода на фронте продвижения фазового перехода у^-а, периодически создаваемого в поверхностном слое дискретным его подстуживанием.
Движущаяся при каждом подстуживании от поверхности в глубину слоя макрограница перекристаллизации у^-а гонит перед собой «волну» углеродных атомов, которые не могут раствориться в феррите.
Осуществление механизма кооперативного переноса на фронте продвигающейся границы у^а, очевидно, способствует интенсификации массопереноса углерода по всем остальным градиентам, обеспечивающим однонаправленное движение углеродных атомов, и торможению встречных потоков. Другими словами, включается механизм, подобный зонной очистке, но реализуемый в твердом состоянии.
В данном случае поток вещества, увеличивая дефектность кристаллической структуры в диффузионной зоне, способствует собственному ускорению.
Практическое использование этого механизма требует чрезвычайно жесткой синхронизации скорости миграции углеродных атомов (Уэф) со скоростью движения фронта пониженных температур. Рассогласование движения этих фронтов способно вызвать выделение карбидов и затормозить массоперенос углерода вплоть до полной остановки.
Процесс далеко не саморегулирующийся, и об этом наглядно свидетельствует огромная, практически на три порядка величины, разница между скоростями миграции углерода в первом и пятом термоциклах, внешняя идентичность которых не сопровождается аддитивным эффектом.
Обеспечить такую синхронизацию очень сложно, и пока еще не разработаны способы ее достижения, особенно, при легировании стали карбидостабилизирующими элементами, которое способствует развитию реакционной диффузии. Определенная несогласованность продвижения обоих фронтов будет приводить к большему или меньшему снижению результирующего массопереноса углерода. Вариант запуска всех механизмов диффузии периодическими импульсами позволяет, по крайней мере, в первых (1...3) циклах охлаждение-саморазогрев, обеспечивать, хотя и не в полной мере, синхронизацию скоростей очень кратковременно. Вместе с тем, и такой частично достигнутый результат дает значительное увеличение толщины обезуглероженного диффузионного слоя.
Библиографический список
1. Багрянский, К.В. Теория сварочных процессов [Текст]/ К.В. Багрянский, З.А. Добротина, К.К Хренов. - К.: Издательство «Вища школа», 1976. - 424 с.
2. Казаков, Ю. В. Сварка и резка материалов [Текст] : учеб. пособие / Ю. В. Казаков, М. Д. Банов, М. Г. Козулин и др. - М.: Академия, 2008. - 400 с.
3. Костылев, Л.В. Перераспределение углерода при создании температурного градиента при восстановлении стальных деталей автомобилей тракторов и сельскохозяйственных машин [Текст] / Л.В. Костылева, А.В. Грибенченко, А.А. Шляхов// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - №4(28). - С. 179-183.
4. Справочник сварщика [Текст]/ Под ред. В.В. Степанова. - М.: Машиностроение, 1983. - 560 с.
5. Marincek B. Einfluß der Schelzvenfahnen und Schmelzfuhrung auf Fehler bei Ciußeisen mit Kugelgraphit und Kontrollmaßnahmen zur Begpenzung und Vermeidung dieser Fehler.// Giess/ - Prax. - 1982. №13/14. - P. 217- 229.
6. Benz M, Elliot J.// Trans. Met. Soc. AIME. 1961. V. 221. - №4. - P. 323.
E- mail: kostyleva.l.v@mail.ru
