CC BY
42
II КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ
УДК 621.791.75.052:669.15: 620.18
Канд. техн. наук А. Г. Александров, канд. техн. наук Ю. Н. Савонов
Национальный технический университет, г. Запорожье
ВЛИЯНИЕ ИТТРИЯ НА ОСОБЕННОСТИ КОРРОЗИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ ШВОВ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ В ЩЕЛОЧНЫХ СРЕДАХ (ОБЗОР)
В статье исследовано влияние модифицирования иттрием на свойства и коррозионную стойкость металла шва хромоникелевых нержавеющих сталей. Показано, что иттрий улучшает коррозионную стойкость хромоникелевого наплавленного металла в щелочных средах.
В последние годы была показана возможность улучшения физико-химических свойств сталей и сплавов путем легирования их малыми добавками иттрия [1-4]. В работах [5-9] показано, что иттрий улучшает пластические свойства и ударную вязкость сварных соединений низкоуглеродистых сталей, коррозионную стойкость и технологическую прочность аустенитных хромоникелевых сталей и их сварных соединений.
В работе [9] исследовалось влияние иттрия на структуру, состав и загрязненность неметаллическими включениями и вредными примесями наплавленного металла при сварке хромоникелевых сталей типа 12Х18Н10Т. Образцы наплавлялись стандартными электродами с фтористокальциевым покрытием марки ЗИО-3 и опытными электродами с добавками в покрытие иттрия.
Порошок иттрия марки ИТМ-5(ТУ 48-4-2-8-72) после просеивания через сито 400 отв/см2 вводили в состав шихты, содержащей 40-60 % мрамора и 15-20 % плавикового шпата. Обмазку, содержащую 0, 2, 4, 10, 30, 50 % Х, замешанного на алюминате натрия, наносили вторым слоем на стандартные электроды ЗИО-3; отношение массы наружного слоя к массе стандартной обмазки составляло 0,2. Содержание иттрия в наплавленном металле определяли спектрографическим методом, содержание газов и вредных примесей в наплавленном металле определяли на установке ПВП-2 конструкции ЦНИИЧМ методом вакуум-плавления. Структуру наплавленного металла, состав и морфологию неметаллических включений изучали методом оптической микроскопии с применением микрорент-геноспектрального анализатора "Самеса".
Стойкость сварных соединений и наплавленного металла против межкристаллитной коррозии опреде-
ляли кипячением в 65 % -ной азотной кислоте (метод Д по ГОСТ 6032-75).
Было показано, что введение иттрия в покрытие способствует меньшему угару хрома, титана и кремния. Почти весь иттрий, вводимый в покрытие в процессе сварки, расходуется на раскисление и десульфу-рацию, остаточное содержание иттрия в наплавленном металле очень мало. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что иттрий присутствует главным образом во включениях. В твердом растворе иттрий практически отсутствует.
Наплавленный металл без иттрия имеет типичную для сварных швов на стали 12Х18Н10Т двухфазную аустенитно-ферритную структуру (около 8 % 5-фер-рита). Наибольший модифицирующий эффект проявляется при наличии 0,0020-0,0040 % У, при этом размер кристаллитов уменьшается в 2-3 раза по сравнению с исходным. При дальнейшем увеличении содержания иттрия сохраняется дезориентированная структура, однако размер кристаллитов увеличивается.
Металлографическим анализом установлено, что в наплавленном металле без иттрия наблюдаются включения оксидов и оксисульфидов сферической формы и сульфидов вытянутой формы. Легирование наплавленного металла 0,0020 % У привело к умень -шению загрязненности неметаллическими включениями, их глобуляризации и более равномерному распределению в плоскости шлифа. Основная масса включений имела сферическую форму с размером 4-5 мкм, исчезли сульфиды вытянутой формы. Неметаллические включения содержат в больших количествах иттрий, титан, алюминий, кальций, а хрома, железа, никеля и марганца в них нет. По-видимому, основным видом включений являются сложные оксисульфиды и
© А. Г. Александров, Ю. Н. Савонов, 2007
оксиды иттрия [2,4]. При дальнейшем повышении содержания иттрия увеличивается загрязненность наплавленного металла крупными неметаллическими включениями.
Газовый и химический анализы показали, что увеличение количества иттрия в наплавленном металле приводит к некоторому снижению содержания кислорода и серы. Концентрация азота сохраняется на одном уровне.
Таким образом, было показано, что иттрий при оптимальном содержании повышает чистоту наплавленного металла по неметаллическим включениям и вредным примесям, способствует более полному переходу хрома и титана в металл шва, повышает стойкость хромоникелевого наплавленного металла против межкристаллитной коррозии.
В работе [10] исследовалось влияние иттрия на протекание окислительно-восстановительных реакций, раскисление и обессеривание наплавленного металла, тип и состав неметаллических включений при сварке стали 12Х18Н10Т электродами с покрытием фтористо-кальциевого типа.
Введение иттрия в покрытие электродов может способствовать протеканию следующих реакций в сварочной ванне:
3СаО + 2У = = 3Са +У2О3; (1)
3ТЮ + 4У = 3Т1 + ЗУ2О3; (2)
А12О3 + 2У = 2А1 +У2О3; (3)
Сг203 + 2У ^ = 2Сг + У2О3; (4)
3МпО + 2У = 3Мп +У2О3; (5)
Мп8 + Са = Мп+ Са8. (6)
Термодинамический расчет вероятности протекания реакций (1)-(6) показал (рис. 1), что они могут иметь место на стадиях как капли (2400-2700 К), так и ванны (1500-1800 К). Таким образом, если ввести в состав фтористокальциевого электродного покрытия иттрий, то можно ожидать восстановления хрома, титана, марганца, алюминия и образования тугоплавких оксидов и сульфидов - СаО, Х2О3 и др. Можно также ожидать уменьшения содержания восстановленных элементов в неметаллических включениях и увеличения их концентрации в твердом растворе шва.
Для дальнейшего подтверждения вышеизложенных предположений были изготовлены электроды с фто-ристокальциевым покрытием (57 % СаСОз, 32 % СаР2, 4 % А1, 4 % БеМп, 3 % Ре81) с различными добавками иттрия в покрытии. Использовалась проволока Св-04Х18Н10Б диаметром 4 мм. Наплавку производили на постоянном токе при обратной полярности на режиме: 1св = 100-110 А, Ид = 32-35 В. Из наплавленных валиков изготовляли образцы для металлографического, микрорентгеноспектрального и газового анализа.
(I тсДягЛиот. СО--
V I 1 6
3
5
£
1 4
1400 1800 £200 2600 Т, К
Рис. 1. Зависимость изобарно-изотермного потенциала образования соединений от температуры (цифры у кривых соответствуют номерам реакций)
Химический состав наплавленного металла приведен в табл. 1.
Анализ полученных результатов подтвердил сделанные выше предположения о возможности протекания реакций (1)-(6) [9-15]. Неметаллические включения в металле, наплавленном без иттрия, содержат алюминий, титан, марганец, хром в виде оксидов и сульфидов. Основная масса включений представлена сложными оксисульфидами [9]. Введение иттрия в состав электродного покрытия (табл. 1) снижает интенсивность окисления хрома и титана, а также образования сульфида марганца при одновременном увеличении содержания этих элементов в матрице. Одновременно возрастают потери алюминия, кальция и иттрия (последние практически полностью находятся в виде соединений в составе неметаллических включений). Введение иттрия изменило и природу включений, которые представлены соединением типа корунд.
Таким образом, было подтверждено, что иттрий, вводимый в состав электродов с фтористокальциевым покрытием, при сварке хромоникелевых сталей активно участвует в металлургических реакциях системы металл-покрытие как на стадии капли, так и на стадии кристаллизации сварочной ванны.
В работе [16] приведены результаты исследований влияния добавок иттрия и его лигатуры на структуру и физико-механические характеристики сварных соединений стали 12Х18Н10Т. Соединения выполняли опытными электродами фтористокальциевого типа, дополнительно содержащими 0-3,2% А1и, и аргоно-дуговой сваркой неплавящимися электродами с присадочными стержнями и пластин литой хромоникелевой стали с добавками 0-0,038 % У.
Таблица 1 - Химический состав наплавленного металла
№ обр. У в покрытии электродов, % Содержание в наплавленном металле, вес. %
Сг Мп И А1 Б Р
1 0 19,81 1,89 0,17 0,01 0,019 0,024
2 2 19,70 2,05 0,17 0,02 0,013 0,022
3 4 19,20 2,40 0,20 0,02 0,012 0,022
4 6 19,15 2,40 0,24 0,03 0,010 0,020
5 10 19,00 2,45 0,29 0,04 0,008 0,019
Анализ влияния иттрия на структуру наплавленного металла проводили в процессе рентгеновской съемки образцов в дифрактометре ДРОН-УМ-1 в кобальтовом К-из лучении при ускоряющем напряжении 35 кВ и токе 15 мА. Определяли при этом наличие и содержание ^феррита.
Микрораспределение легирующих элементов в сварных швах исследовали с помощью рентгеноспек-трального анализатора МБ-46 "Самеса" сканированием по площади 50x50 мкм2 с записью концентрационных кривых распределения элементов при линейном перемещении зонда по маршруту у-5-у (рис. 2). Уско -ряющее напряжение 20 кВ, ток зонда 20 нА.
Рис. 2. Микрораспределение легирующих элементов в неметаллических включениях: а - металл, электродами без иттрия; б - с 0,02 % У
Для оценки влияния добавок иттрия на физико-механические свойства наплавленного металла образцы сварных соединений испытывали по ГОСТ 699666 и ГОСТ 1497-73, а при фрактографическом анализе изломов - на электронном сканирующем микроскопе 18М-Ш.
Поскольку иттрий при сварке практически весь расходуется на раскисление и десульфурацию, его остаточное содержание в металле незначительно. Поэтому для уменьшения выгорания в дуговом промежутке образцы сваривали также в аргоне (ГОСТ 10157-74). Эксперименты показали, что коэффициент перехода иттрия при сварке в инертной атмосфере увеличился по сравнению со сваркой в окислительно-восстановительной среде, создаваемой электродами фтористо-кальциевого типа. В обоих вариантах отмечено снижение содержания кислорода, серы и лучшее усвоение легирующих элементов металлом шва.
При оценке эффективности влияния иттрия на физико-механические свойства сварных соединении установлено улучшение прочностных и пластических характеристик наплавленного металла. Наибольший эффект модифицирования отмечен при содержании в шве 0,02-0,03% У.
Как показали металлографические исследования, наплавленный металл без иттрия имеет аустенитно-ферритную структуру (3,5 % 5-феррита). При введении в состав электродного покрытия < 2 % А1У нарушается направленная ориентация кристаллитов, зерна становятся равноосными, наблюдается разрушение ферритных цепочек. Наибольшее воздействие на структуру наблюдалось при 0,02 % У. При увеличении концентрации иттрия свыше 0,04 % возрастает количество и изменяется морфология 5-феррита.
Рентгеноструктурный анализ показал, что в исследованном интервале добавок иттрия (0,01-0,027 %) происходит некоторое изменение содержания ^фер-рита. Сканирование по площади образцов с помощью анализатора МБ-46 "Самеса" в силу малого размера 5-феррита (< 10 мкм) не позволило выявить зависимости микрораспределения легирующих элементов в аустените и ферритной составляющей с введением иттрия.
Влияние иттрия на химическую однородность определяли с помощью линейного сканирования. Измерения показали, что 5 -феррит обогащен хромом и
обеднен никелем, железом и марганцем, содержание кремния в аустенитной и ферритной фазах осталось на среднем уровне для наплавленного металла. Иттрий повышает химическую однородность распределения химических элементов в 5 -феррите и аустенит-ной матрице.
Дальнейшее подтверждение положительного воздействия иттрия на качество металла сварных швов было получено при фрактографическом исследовании изломов образцов после одноосного растяжения при испытании по ГОСТ 6996-66. Общим для поверхности изломов образцов являлось наличие макро- и микроскопической неоднородности, обусловленной химической и структурной гетерогенностью и свойствами наплавленного металла. Макроскопическую неоднородность выявляли путем анализа фрагментов поверхности на изломах дна и скосов чашечек разрушения. Для всех образцов характерен вязкий излом с внутри-зеренным распространением трещины. Металл швов без иттрия в изломах имеет большое количество неметаллических включений, что сказалось на форме и геометрических размерах ямок.
При введении иттрия содержание неметаллических включений снизилось, а глубина и размеры ямок исследуемых поверхностей излома при этом увеличились. На дне и стенках ямок заметны следы пластической деформации (волнистость и серпентинное скольжение), что свидетельствует о высокой пластичности разрушения металла. Здесь же представлено внутризеренное распространение трещин в пределах одного зерна, которые развивались частично по плоскости скола с образованием блестящей фасетки в изломе, частично по другим поверхностям.
В процессе разработки сварочных электродов с использованием в качестве модификатора иттрия изготовляли технологические пробы. Стойкость металла швов против горячих трещин определяли при сварке тавровых образцов и стыковых соединений из стали 12Х18Н10Т толщина 10-12 мм. Анализ испытаний подтвердил высокую технологическую прочность наплавленного металла.
Повышение прочности, пластичности и стойкости против трещинообразования, по-видимому, является следствием измельчения зерен, очищения границ кристаллитов, снижения количества неметаллических включений, уменьшения химической неоднородности и рафинирования наплавленного металла.
В работе [17] исследовали влияние иттрия на коррозионную стойкость наплавленного металла и сварных соединений аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Введение иттрия в металл шва осуществляли через электродное покрытие фтористокальциево-го типа с помощью лигатуры алюмоиттрия (50 % А1+ 50 %У). Опытные электроды изготовляли окунанием, стержень электрода - хромоникелевая проволока Св-07Х19Н10Б (ГОСТ 2246-70) диаметром 4 мм, коэффициент веса покрытия 0,32-0,35. Сварные соедине-
ния из пластин стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72) толщиной 10 мм и многослойные наплавки выполняли постоянным током обратной полярности на режимах: 1св = 90-110 А, Ид = 28-32 В.
Из сварных соединений и наплавок изготовляли образцы размером 20х20х 10 мм для коррозионных испытании и 80x20x5 мм - для испытаний на межкрис-таллитную коррозию и электрохимических исследований. Образцы наплавленного металла подвергали термической обработке - провоцирующему отжигу при 650 °С, стабилизирующему отпуску при 850 °С и аустенизации при (1070 ± 25) °С, 1ч с охлаждением на воздухе.
Коррозионные испытания проводили по методу АМ (ГОСТ 6032-75), а также кипячением образцов наплавленного металла в 30 %-ном растворе едкого натра. Длительность испытаний составляла 144 ч, три цикла по 48 ч. После каждого цикла меняли раствор, а образцы промывали. Перед взвешиванием образцы выдерживали в эксикаторе 5-6 ч. Массу образцов опре-
>чн остью
, -10 -8 кг.
Образцы со швом посередине шлифовали на наждачной бумаге, промывали дистиллированной водой и обезжиривали ацетоном. Анодные потенциалы замеряли при частичном погружении сварных образцов в раствор едкого натра (соотношение площадей шва и основного металла 1:5). Ватерлинию не изолировали, так как при площади погружения и 35 см2 ее влияние невелико и примерно одинаково для всех образцов. Параметры электрохимических характеристик испытываемых образцов замеряли на потенциостате, определяя установившийся потенциал коррозии Еу, токи растворения в пассивной и активной областях.
Содержание иттрия в наплавленном металле изменялось пропорционально содержанию лигатуры в электродном покрытии в пределах 0,010-0,027 %. Коэффициент перехода иттрия по данным эксперимента составляет 0,05-0,10.
Модифицирование иттрием при малых содержаниях приводит к повышению коррозионной стойкости образцов наплавленного металла при всех исследованных состояниях как после сварки, так и после термической обработки. Оптимальным содержанием иттрия является 0,013-0,020 %. При этом скорость коррозии минимальна (например, для образцов в исходном состоянии она составляет 0,0190-0,0197 г/(м2-ч). Наиболее высокую коррозионную стойкость имеет металл типа Х18Н10Б, модифицированный иттрием после аустенизации (0,0009-0,0017 г/(м2-ч)).
У всех образцов с иттрием в пассивной области плотности тока коррозии меньше (1пас= 1,23-1,06 мА/см2), чем у соединения без модификатора (1пас = 1,25 мА/см2). По мере увеличения содержания иттрия в металле шва ток пассивации уменьшается.
Шов по отношению к основному металлу остается анодом, хотя добавки алюмоиттрия в покрытие уменьшают различие электродных потенциалов основ-
ного и наплавленного металла.
Зависимость коррозионной стойкости металла сварных швов стали 12Х18Н10Т от содержания иттрия в исследованном интервале можно объяснить следующим образом. Коррозионное разрушение двухфазного хро-моникелевого наплавленного металла в щелочных средах зарождается на границах раздела 5 -феррита-аустеннта [8, 15-16, 18, 20] и происходит по типу структурно-избирательной коррозии с преимущественным растворением 5-феррита. Иттрий в интервале содержаний (0,013-0,020 %) оказывает рафинирующее действие на состояние границ раздела фаз. Одновременно при таких концентрациях иттрия поверхностное натяжение наплавленного металла возрастает [1], что приводит к уменьшению количества 5 -феррита и протяженности границ раздела фаз. Коррозионная стойкость наплавленного металла при этом возрастает.
При дальнейшем увеличении концентрации иттрия от 0,02 до 0,027% поверхностное натяжение наплавленного металла монотонно понижается [1], происходит измельчение кристаллитов, увеличение количества 5 -феррита и протяженности раздела межфазных границ. Коррозионная стойкость наплавленного металла, как видно из приведенных результатов, при этом возрастает менее выраженно, по-видимому, вследствие увеличения площади анодных участков (5-феррит, границы раздела фаз).
Электроды с добавками лигатуры алюмоиттрия в покрытии в исследованных пределах обеспечивают устойчивое горение дуги, хорошие отделимость шлаковой корки и формирование шва, отсутствие дефектов в металле шва (пор, трещин и др.).
Результаты исследований были использованы при изготовлении и монтаже технологического оборудования из стали 12Х18Н10Т в целлюлозно-бумажной промышленности на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате. Трубопроводы и сварные конструкции, эксплуатируемые в щелочных средах при высоких температурах, надежно работают уже более 26 лет.
Дальнейшее подтверждение того, что модифицирование иттрием повышает коррозионную стойкость сварных соединении стали 12Х18Н10Т в щелочных средах получено в работе [21].
Образцы сваривали неплавящимся электродом с присадкой в аргоне марки А (ГОСТ 10157-73) при его расходе 0,25-0,31 м3 /ч, а также опытными электрода -ми. При изготовлении присадочных прутков выполняли лабораторные плавки и отливали пластины из стали 12Х18Н10ТЛ, содержащие 0; 0,017; 0,025 и 0,038 % иттрия.
Коррозионные испытания проводили в 40 %-ных растворах едкого натра. Электрохимические исследования выполняли на образцах со сварным швом посередине. Анодные потенциодинамические кривые снимали со скоростью развертки потенциала 1 мВ/с. Поверхность образцов перед опытами восстанавливали
катодным током 2-4 мА/см2 втечение 10 мин. Испытуемые образцы (размером 80x20x5 мм, соотношение площадей шва и основного металла 1:5) погружали в ячейку с рабочим раствором (30 % №0И при 90 °С). Потенциал коррозии измеряли относительно потенциала насыщенного водородного электрода.
Результаты коррозионных испытаний показали, что модифицирование иттрием приводит уже при малых содержаниях к повышению коррозионной стойкости наплавленного металла. Минимальная скорость коррозии получена при содержании 0,013-0,020 % У в металле шва. Для образцов без иттрия она равна 19,019,7 мг/(м2ч). Наиболее высокую коррозионную стойкость имеет иттрийсодержащий наплавленный металл типа 12Х18Н10 после аустенизации 0,9-1,7 мг/(м2ч). Дальнейшее увеличение содержания иттрия вызывает рост скорости коррозии (рис. 3).
Поляризационные кривые образцов, выполненных ручной дуговой и аргонодуговой сваркой, различаются между собой преимущественно при потенциалах, соответствующих активному растворению и переходу в пассивное состояние (рис. 4). С ростом содержания иттрия в металле сварных швов снижается критическая плотность тока растворения железной (0,20-0,16 мА/см2) и никелевой (0,36-0,33 мА/см2) составляющих в активной области при потенциалах ф = -(0,95-0,85) В. Это свидетельствует о торможении процесса анодного растворения металла в щелочной среде при дополнительном введении иттрия.
В пассивном состоянии плотность критического тока пассивирования всех образцов, содержащих иттрий, меньше (0,0123-0,0106 мА/см2), чем образцов без иттрия. По мере увеличения содержания модификатора в наплавленном металле снижается плотность тока и интенсифицируются процессы пассивирования, что способствует увеличению коррозионной стойкости иттрийсодержащего металла.
Закономерности электрохимических процессов идентичны независимо от способа сварки: при модифицировании иттрием хромоникелевого металла сварных швов уменьшается градиент электродных потенциалов и плотности тока основного и наплавленного металла во всех областях анодной поляризационной кривой.
Таким образом, данные электрохимических исследований качественно согласуются с результатами коррозионных испытаний.
Как видно из рис. 4, иттрий облегчает пассивируе-мость наплавленного металла, увеличивает стабильность пассивного состояния.
Известно [22], что высокую коррозионную стойкость сварных соединений двухфазных хромоникеле-вых сталей в щелочных средах часто стремятся получить путем легирования металла шва хромом (до 2528 %) и никелем (до 7-8 %). Однако вследствие большого количества хрома металл шва такого химического состава имеет низкие пластические свойства.
Рис. 3. Зависимость скорости коррозии наплавленного металла в 40 % ном растворе №ОН от содержания иттрия
при ручной дуговой сварке в исходном состоянии (1), термической обработке при 650 °С(2), 850 °С (3), 1050 °С (4) и при аргонодуговой сварке в исходном состоянии (5)
Как показано в работах [2, 4], существенно повысить пластические свойства и технологическую прочность наплавленного металла можно модифицированием малыми добавками иттрия.
В работе [22] исследовали влияние иттрия на коррозионную стойкость, структуру и механические свойства металла сварных швов двухфазных хромоникеле-вых сталей. Иттрий вводили в наплавленный металл через покрытие опытных электродов фтористокальци-евого типа в виде порошка ИТМ-2 (ТУ 48-4-208-72). Содержание иттрия в наплавленном металле определяли спектрографическим методом, а газов и примесей - на установке ПВП-2 конструкции ЦНИИ черной металлургии методом вакуум-плавления. Образцы ис-
пытывали на коррозионную стойкость в 40 %-ном растворе №ОН. Скорость коррозии определяли массмет-рическим методом.
Результаты испытаний показали, что зависимость скорости коррозии наплавленного металла от содержания иттрия носила нелинейный характер с явно выраженным экстремумом. При изменении содержания иттрия от 0 до 0,030 % скорость коррозии наплавленного металла уменьшалась почти в 2 раза. При дальнейшем увеличении содержания от 0,030 % до 0,061% скорость коррозии наплавленного металла возрастала. Результаты металлографических исследований показали, что введение иттрия в наплавленный металл способствовало уменьшению размеров и дезориентации кристаллитов. Наибольший модифицирующий эффект проявился при содержании в металле 0,0200,040 % иттрия. При дальнейшем увеличении содержания иттрия (до 0,061 %) увеличился размер кристаллитов, увеличилась химическая неоднородность металла, хотя дезориентированная структура сохранилась. Спектрографические и химические исследования показали, что при модифицировании оптимальными присадками иттрия снижается содержание кислорода и серы в наплавленном металле. Одновременно уменьшается загрязненность металла неметаллическими включениями, отмечается их гло-буляризация. При содержании иттрия 0,030-0,040 % индекс загрязненности имел наименьшее значение. Неметаллические включения имели размер 4-5 мкм, глобулярную форму и равномерно распределялись в плоскости шлифа.
С повышением содержания иттрия (до 0,061%) загрязненность наплавленного металла неметаллическими включениями повышалась, а также увеличивался их размер. В исходном металле без иттрия включения
Рис. 4. Анодные потенциодинамические поляризационные кривые сварных соединений металла в щелочной среде:
а - ручная дуговая сварка (У %: 1 - 0; 2 - 0,010; 3 - 0,020;4 - 0,027); б - аргонодуговая сварка (У, %: 1-0; 2-0,007;3- 0,020; 4- 0,030)
представлены оксидами и оксисульфидами протяженной формы, в модифицированном - оксидами глобулярной формы.
Под воздействием оптимальной присадки иттрия возросли показатели механических свойств наплавленного металла: средняя ударная вязкость образцов металла увеличилась от 170 до 336 кДж/м2. Увеличились также предел текучести и относительное удлинение образцов наплавленного металла, модифицированного иттрием. Однако предел прочности незначительно снизился на (25 МПа).
Для определения технологической прочности сварных соединений стали 12Х21Н5Т проводили сравнительные испытания образцов, выполненных электродами с добавкой иттрия в покрытие и электродами ЦЛ-11 на установке ИМАШ "Ала-Тоо". Скорость деформации составляла 0-30 мм/мин в температурном интервале хрупкости 1000-1450 °С. Наплавленный металл сварных соединений, выполненных электродами с добавкой иттрия, имел высокую технологическую прочность: критическая скорость деформации составила 26 мм/мин. При использовании для сварки электродов ЦЛ-11 критическая скорость деформации была равна 14 мм/мин.
Выводы
1. Показано, что модифицирование сварных швов аустенитной стали 12Х18Н10Т и аустенитно-феррит-ной 12Х21Н5Т иттрием 0,010-0,027 % способствует более полному переходу легирующих элементов (хрома, никеля, алюминия, ниобия) и снижает содержащие вредных примесей (Б и О2) в наплавленном металле, улучшает структуру металла шва.
2. Коэффициент перехода иттрия при использовании лигатуры алюмоиттрия составляет 0,05-0,10, в зависимости от способа легирования.
3. Модифицирование иттрием (0,010-0,030) % повышает коррозионную стойкость наплавленного металла и сварных соединений в щелочных средах, так как иттрий способствует снижению тока коррозии, ускорению пассивации и повышению устойчивого пассивного состояния, торможению активного растворения металла шва.
4. Термическая обработка - аустенизация при 1070 ±25 °С способствует скачкообразному повышению коррозионной стойкости наплавленного металла, модифицированного иттрием в щелочных средах.
5. На основании электрохимических исследований сварных соединений стали 12Х18Н10Т установлено, что в щелочных средах 30-40 % №ОН иттрий умень -шает градиент электродных потенциалов и критическую плотность тока основного и наплавленного металла на всех стадиях коррозионного процесса.
6. При введении иттрия в присадочные материалы снижается химическая и электрохимическая гетерогенность металла сварных швов, изменяется морфология, состав и уменьшается количество неметаллических
включений, вследствие чего повышается коррозионная стойкость наплавленного металла.
Перечень ссылок
1. Терехова В. Ф., Савицкий Е. М. Иттрий. М.: Наука, 1967. -158 с.
2. Неметаллические включения в сталях с иттрием / И. П. Волчок, Ю. А. Шульте, А. В. Царев и др.// Литейное производство. - 1975. - № 1. - С. 29-30.
3. Царев А. В., Волчок И. П., Руденко В. П. Влияние иттрия на физико-химические и коррозионные свойства литых сталей.// Физико-химическая механика материалов. -1973. - № 5. - С. 99-100.
4. Влияние малых добавок иттрия на горячую пластичность коррозионностойких сталей и сплава аустенитного класса / Я. Е. Гольдштейн, С. Н. Чувати-на, М. Н. Шматко и др.//Металловедение и термическая обработка металлов. - 1978. - №6. - С. 20-22.
5. Александров А. Г., Волчок И. П. Влияние кальция, иттрия и церия на структуру и свойства наплавленного металла// Автоматическая сварка. - 1977. - № 1. -С. 40-42.
6. Слуцкая Т. М., Аснис А. Е., Тюрин А. Я. Свойства проволоки, легированной церием и иттрием, при сварке в СО2. //Автоматическая сварка. - 1978. - № 2. - С. 5556.
7. Ефименко Н. Г., Дощечкина И. В. Структура и свойства аустенитного хромоникелевого шва, легированного иттрием // Сварочное производство. - 1981. - № 6. -С. 19-20.
8. Александров А. Г., Лазебнов П. П. Влияние иттрия на структуру и механические свойства при сварке чугуна, сталей и сплавов // Автоматическая сварка. - 1982. - № 12. -С. 34-37.
9. Александров А. Г., Лазебнов П. П.. Савонов Ю. Н. Влияние иттрия на структуру и свойства хромоникелевого наплавленного металла.// Автоматическая сварка. -1981. - № 12. - С. 6-7.
10. Савонов Ю.Н., Лазебнов П.П., Александров А.Г. Влияние иттрия на металлургические процессы при сварке сталей аустенитного класса электродами с фтористо-кальциевым покрытием// Автоматическая сварка. -1982.-№7. - С. 26-28.
11. Крестовников А.Н; Владимиров Л.П., Гуляницкий Б.С. Справочник по расчетам равновесия металлургических реакций. - М.: Металлургиздат, 1963. - 416 с.
12. Крещановский Н. С., Сидоренко М. Ф. Влияние металлического кальция на структуру и свойства литых высоколегированных хромоникелевых сталей // Литейное производство. - 1965. - № 10. - С. 37-38.
13. Медовар Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. - М.: Высшая школа, 1966. - 430 с.
14. Ефименко Н. Г., Калин Н. А. Раскисляющая способность редкоземельных металлов в сравнении с известными раскислителями.//Сварочное производство. -1978. - № 10. - С. 1-2.
15. Крещановский Н. С. , Сидоренко М. Ф. Модифицирование стали. - М.: Металлургия, 1970. - 296 с.
16. Влияние иттрия на структуру и свойства хромоникеле-вого наплавленного металла /А. Г. Александров, П. П. Лазебнов, Ю Н. Савонов и др. //Автоматическая сварка. - 1981. - № 12. - С. 6-7.
17. Влияние иттрия на коррозионную стойкость сварных
соединений стали 12Х18Н10Т / А. Г. Александров, П. П. Лазебнов, Ю.Н. Савонов и др. //Автоматическая сварка. - 1981. - № 2. - С. 12-14.
18. Абралов М. А. и др. Влияние церия и иттрия на структуру и свойства металла шва на сплаве 06ХН28МДТ // Автоматическая сварка. - 1978. - № 8. - С. 5-7.
19. Ефименко Н.Г. Применение редкоземельных металлов в покрытиях сварочных электродов // Сварочное производство. - 1980. - № 7. - С. 28-29.
20. Manning P. E. а. о. A. STEM examination of the localized corrosion behavior of a duplex stainless steel. //Corrosion. -1980. - v. 36. - № 5. - Р. 246-251.
21. Лазебнов П. П., Александров А. Г., Горбань В. А. Коррозионная стойкость металла сварных швов соединений стали 12Х18Н10Т, модифицированного иттрием // Сварочное производство. - 1986. - № 6. - С. 18-19.
22. Александров А.Г., Савонов Ю.Н. Коррозионная стойкость металла сварных швов сварных швов двухфазных хромоникелевых сталей с иттрием // Сварочное производство. - 1990. - №7. - С. 13-14.
23. Александров А.Г., Савонов Ю.Н. Коррозионная стойкость сварных соединений из нержавеющих сталей в щелочных растворах (обзор) // Автоматическая сварка. -2000. - № 8. - С. 30-33.
Одержано 26.03.2007
y cmammi docnidweno enme Modu^iKyeannn impieM Ha enacmueocmi i mposimy cmiuKicmb Memany wea xpoMoniKeneeux nepwaeimnux cmaneu. nomsano, ^o impiu noninwye Koposiuny cmiuKicmb хpoмoнiкeneeoгo нannaeneнoгo Memany enywnux cepedoeu^ax.
The influence of ittrium on properties and corrosion resistance at weld metal of CrNi stainless steels was investigated. It was shown, that ittrium improved corrosion resistance of CrNi weld metal in hot alkaline solution.
УДК 532.546
Канд. техн. наук В. В. Косинский Государственная инженерная академия, г. Запорожье
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗАКОНЫ ДАРСИ И КРИТЕРИЙ РЕЙНОЛЬДСА ПРИ ТЕЧЕНИИ СЖИМАЕМЫХ ЖИДКОСТЕЙ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ В ПОРИСТЫХ ТЕЛАХ
Проведен анализ течения вязких (Ц0 ¿0,01 Па-с) и невязких (Ц0 ¿0,001 Па-с) жидкостей под высоким (500МПа) давлением в пористых средах. На основе нелинейного закона Дарси определены значения скоростей течения вязких (глицерина и трансформаторного масла) и невязких (воды) жидкостей в пористых телах. По нелинейной зависимости Рейнольдса, согласно исследованиям В. Н. Щелкачева, определены значения чисел Re, позволяющие определить характер течения различных жидкостей в пористых средах. Определены основные технологические условия (ф^ Фсб, kг) для течений воды в пористой среде в ламинарном или турбулентном режимах. Представлена математическая модель течения различных жидкостей в пористых средах под высоким давлением с учетом изменения физических свойств как жидкостей (Ц, р, X), так и пористых сред (кп).
Введение
На сегодняшний день хорошо изучены законы течения и фильтрации ньютоновских и неньютоновских жидкостей в различных трубах, каналах, порах и т. д. Однако течение жидкостей под высоким (> 100 МПа) давлением изучено мало и информация о такого рода процессах незначительна. Об изменении физических свойств жидкостей под высоким давлением отмечено в ряде работ [1, 2], относящихся к обработке металлов давлением (экструзия металлов, порошковая металлургия, композиционные материалы и т. д.). Аналогичные задачи стоят в горнодобывающей и нефтегазовой от-
раслях [10]. Что касается данных о поведении неньютоновских жидкостей в процессах фильтрации под высоким давлением, то их значительно меньше.
В ряде отраслей химической, горнодобывающей, авиационной, а также в технологиях, связанных с созданием композиционных материалов со специальными свойствами, необходимо знать изменения физических свойств используемых инфильтратов и физику процессов течения этих инфильтратов под высоким давлением по микроканалам пористых сред. Это необходимо знать для правильной оценки величин давления пропитывающей жидкости (чтобы не разрушить
© В. В. Косинский, 2007 60
