CC BY
16
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.791.92:620.03
М.А. Кузнецов, Е.А. Зернин, Д.Е., Колмогоров, Д.С. Карцев
КУЗНЕЦОВ МАКСИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ - старший преподаватель Юргинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Юрга). E-mail: [email protected]
ЗЕРНИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой сварочного производства Юргинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Юрга). E-mail: [email protected]
КОЛМОГОРОВ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент Юргинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Юрга). E-mail: [email protected]
КАРЦЕВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ - студент Юргинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Юрга).
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОРОШКА МОЛИБДЕНА НА МИКРОСТРУКТУРУ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
Рассмотрено влияние концентрации наноструктурированного порошка молибдена на микроструктуру наплавленного металла из стали 12Х18Н10Т в среде аргона проволокой 12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм. Установлено, что различная концентрация оказывает разное влияние на микроструктуру.
Ключевые слова: наноструктурированный порошок, наплавленный металл, микроструктура.
The effect of molybdenum nanostructured powders on the microstructure of faced metal. Maksim A. Kuznetsov, Eugene A. Zemin, Dmitry E. Kolmogorov, Dmitry S. Kartcev (Yur-ga technological institute (branch) of Tomsk Polytechnic University, Yurga, Russia).
The article is concerned with the effect which molybdenum nanostructured powders have on the microstructure of faced metal made of the 12X18N10T steel in argon medium with the
© Кузнецов М.А., Зернин Е.А., Колмогоров Д.Е., Карцев Д. С., 2013
12X18N9T wire having the diameter of 1.2 mm. It has been established that different concentrations affect the microstructure.
Key words: nano-structured powder, faced metal, microstructure.
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 [4].
Известно, что процесс зарождения центров кристаллизации может быть спонтанным и индуцированным [1]. В сварочной ванне индуцированная кристаллизация обычно развивается на границе сплавления, где в качестве центров кристаллизации могут выступать тугоплавкие фазы и структурные составляющие основного металла [2]. На практике используется намеренное введение в расплав тугоплавких частиц для увеличения числа центров индуцированной кристаллизации, которое приводит к измельчению зерна при затвердевании [1, 4].
В настоящее время такой прием применяется для измельчения структурных составляющих наплавленного металла [5-7]. Это достигается введением в сварочные материалы или непосредственно в сварочную ванну нанодисперсных металлических и неметаллических порошков-модификаторов. Размер зерен наплавленного металла при этом уменьшается, что приводит к изменению механических свойств сварного соединения в целом [ 3].
В экспериментальных исследованиях использовали нанопорошки молибдена (М), изготовленные в Институте физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета. Порошки получены по электровзрывной технологии, которая разработана и реализована в этом же институте. Введение данного нанопорошка в сварочную ванну осуществлялось через устройство, разработанное на кафедре «Сварочное производство» Юргинского технологического института [ 3].
Для проведения исследований была произведена наплавка MIG-сваркой образцов, изготовленных из стали 12Х18Н10Т в среде аргона проволокой 12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм с использованием описанного устройства. При наплавке образцов использовали четыре различные концентрации, заданные разработанным устройством; наплавка в среде аргона: № 1 - проволокой сплошного сечения; № 2 - проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка - 25 г/мм); № 3 - проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка - 26 г/мм); № 4 - проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка -27 г/мм); № 5 - проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка - 28 г/мм). Режимы сварки для всех вариантов одинаковы.
На каждом образце для исследования микроструктуры были изготовлены поперечные шлифы. При изготовлении шлифов использовались механическая шлифовка, механическая полировка на алмазной пасте АСМ 10/7 НВЛ и химическое травление в концентрированной «царской водке» (75% HCl + 25% HNO3). Исследование проводилось методом оптической металлографии на микроскопе Neophot-21 с записью изображений при помощи цифровой камеры Genius VileaCam.
Структура основного металла во всех случаях соответствует структуре горячекатаной нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Она представлена полиэдрическими сдвойнико-ванными зернами, средний размер которых 30 ± 10 мкм.
Анализ исследования показал, что наплавленный металл можно разделить на три слоя, структура которых существенно различна. Толщина слоев для разных вариантов различна. На рис. 1 представлена схема расположения мест исследования микроструктуры швов.
А
Рис. 1. Схема расположения мест исследования микроструктуры сварного шва. А - структура типа «зерна», Б - неориентированные дендриты, В - ориентированные дендриты, Г - граница сварного шва, Д - нержавеющая сталь
Точка Г соответствует структуре участка перехода от наплавленного металла к зоне термического влияния и далее к основному металлу. Зона термического влияния во всех образцах четко не выявляется, но имеет одинаковую ширину. На границе сплавления происходит плавный переход от дендритной структуры наплавленного металла к полиэдрической зеренной структуре зоны термического влияния.
Точки А, Б и В соответствуют характерным структурам отмеченных выше слоев наплавленного металла.
Первый, непосредственно примыкающий к свободной поверхности, слой можно характеризовать как слой с полиэдрической зеренной структурой (рис. 2).
г д
Рис. 2. Микроструктура слоя типа «зерна»; а - образец № 1, б - образец № 2, в - образец № 3, г - образец № 4, д - образец № 5
От края свободной поверхности вглубь наблюдается структура типа «зерна». В образце № 1 ее ширина составляет 500 мкм; № 2 - 1000 мкм; № 3 - 600 мкм; № 4 -500 мкм; в образце № 5 -750 мкм. Наиболее ярко «зернёный» слой выражен в образце № 2 (рис. 2, б). Здесь хорошо видны зерна полиэдрической морфологии, которые чередуются с островками коротких неориентированных дендритов. Слабо данный слой выражен в образцах № 1 и № 4 (рис. 2, а, г).
Основной микроструктурной составляющей следующего слоя являются сравнительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты (рис. 3).
г д
Рис. 3. Микроструктура слоя неориентированных дендритов; а - образец № 1, б - образец № 2, в - образец № 3, г - образец № 4, д - образец № 5
От слоя типа «зерна» начинает сформировываться слой разориентированных дендритов. Его ширина составляет: в образце № 1 - 750 мкм; № 2 - 750 мкм; № 3 -750 мкм; № 4 -700 мкм; в образце № 5 - 650 мкм. Наиболее ярко слой неорентированных дендритов выражен в образцах № 1, 2, 3 (рис. 3, а, б, в), а наиболее слабо - в образце № 5 (рис. 3, д).
Ориентация длинных осей дендритов в рассматриваемом слое (рис. 4, а-д) нормальна к границе сплавления - вдоль направления теплового потока в основной металл.
Рис. 4. Микроструктура слоя ориентированных дендритов; образцы: а - № 1, б -№ 2, в - № 3, г -№ 4, д - № 5
Следующим идет слой ориентированных дендритов. Его ширина составляет: в образце № 1 - 1750 мкм; № 2 - 2500 мкм; № 3 - 2000 мкм; № 4 - 2100 мкм; № 5 - 2150 мкм. Наиболее ярко слой ориентированных дендритов выражен в образце № 2 (рис. 4, б), а наиболее слабо - в образцах № 1 (рис. 4, а).
Итак, нами установлено следующее.
1. Изменение концентрации наноструктурированных порошков-модификаторов, вводимых в сварочную ванну, по-разному влияет на микроструктуру наплавленного металла.
2. Структура наплавленного слоя у всех образцов состоит из дендритов: их толщина различается в зависимости от концентрации.
3. Наиболее четко слой полиэдрических зерен наблюдается в образце № 2. Слой неориентированных дендритов наиболее широк в образцах № 1, 2, 3. Слой ориентированных дендритов в образце № 1 имеет наименьшую ширину.
4. По структуре наплавленного слоя лучшим оказался образец № 5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арзамасов Б.Н., Мухин Г.Г., Макарова В.Н., Рыжов Н.М. Материаловедение: учебник для вузов: 8-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 648 с.
2. Коновалов А.В., Куркин А.С., Макаров Э.Л., Неровный В.М., Якушин Б.Ф. Теория сварочных процессов: учебник для вузов / под ред. В.М. Неровного. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 559 с.
3. Кузнецов М.А., Зернин Е.А., Колмогоров Д.Е., Шляхова Г.В., Данилов В.И. Строение, морфология и дисперсность металла, наплавленного дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии наноструктурированных модификаторов // Сварка и диагностика. 2012. № 6. С. 8-11.
4. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). М.: Машиностроение, 1979. 253 с.
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 А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нано-дисперсными карбидами вольфрама // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 6. С. 41-47.
7. Соколов Г.Н., Трошков А.С., Лысак И.В., Самохин А.В., Благовещенский Ю.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперсных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла // Сварка и диагностика. 2011. № 3. С. 36-38.
