CC BY
119
УДК 621.791.75:[621.791.013]
С.О. Гордин, А.Н. Смирнов , В.Л. Князьков
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОРАЗМЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ШВА
Сварка электродами с покрытием, в настоящее время является ведущим технологическим процессом при монтаже и ремонте оборудования промышленных предприятий. Повышенная повреждаемость сварных соединений горнодобывающего и подъемно-транспортного оборудования в условиях эксплуатации при низких температурах может быть снижена за счет повышения комплекса механических свойств, металла швов сварных соединений.
Известно, что повышение прочности и пластичности низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей возможно, либо за счет измельчения исходной зернистости до № 1012, либо за счет повышения чистоты металла [1]. Измельчение структуры, может быть достигнуто при охлаждении из расплава, со скоростью, превышающей 650°С/с [2], что в реальных условиях сварки технически не возможно.
Развитие технологий изготовления ультрамел-коразмерных частиц порошков металлов и окислов, позволяет надеяться на решение данной проблемы за счет модификации металла шва введением в качестве одного из компонентов покрытия электродов незначительного количества таких частиц. Эффективность модификации сварочной ванны при сварке конструкционных сталей показана в работе [3]. В настоящей работе исследованы модификаторы, имеющие значительно меньшую стоимость, чем нанокарбиды вольфрама [4] и, в случае их применения, существенно не повлияют на стоимость сварочных материалов.
Одним из таких материалов, имеющим низкую стоимость, является Л120з.
С целью исключения влияния примесей на структуру и фазовое состояние металла шва в качестве элемента-модификатора применяли Л1203, полученный путем прокаливания в течении 2-х часов при температуре 200°С порошка гидроксида алюминия, изготовленного по ТУ 2133-0017634032-2006 «Гидроксид алюминия - бемит», размер кристаллитов ~ 1000А, удельная плотность не более 3,06 г/см3, удельная специфическая поверхность в пределах 10-400 м2/г.
В состав шихты для производства электродов марки МР-3 было введено 0,1 и 0,15%, а для электродов марки УОНИ 13/15 - 0,1% (вес.) порошка Л1203.
Размеры частиц остальных компонентов электродных покрытий составляли не более 630 мкм. Требуемые пропорции компонентов получали на установке автоматического дозирования электродной шихты участка по производству электро-
дов ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» г. Новокузнецк. На поверхность электродов наносили специальную маркировку. Состав электродных покрытий представлен в табл. 1.
Таблица 1. Состав покрытий электродов марок МР-3 и УОНИ 13/55
Изготовленные электроды проверили на соответствие сварочно-технологических свойств требованиям ГОСТ 9466-75. Формирование шва хорошее. Длина втулочки покрытия электродов с модификатором и без него одинакова. Сварочнотехнологические свойства соответствуют ГОСТ 9466-75 и РД 03-613-03.
Таблица 2. Механические свойства металла шва
Электроды марки МР-3 0 3,0 мм св, Н/мм2 §5, % КСУ, -20°С, Дж/см2
серийные 492 24 67
+0,1% А1203 472 26 33
+0,15% А1203 466 26 30
Требования Н и ТД не менее
450 20 35
Таблица 3 Механические свойства металла шва
Электроды марки УОНИ-13/55 0 3,0 мм св, Н/мм2 §5, % КСУ, -40°С, Дж/см2
серийные 582 20 37
+0,1% А1203 586 23 15
Требования Н и ТД не менее
490 20 35
Механические свойства металла шва, выпол-
№ п/п Наименование компонента Количество, % вес.)
МР-3 УОНИ 13/55
1 Ильменит 20,0
2 Мрамор 19,5 50,0
3 Ферромарганец 14,0 6,0
4 Ферротитан 9,0
5 Ферросилиций 6,0
6 Слюда 2,0
7 Плавиковый концентрат 15,0
8 Кварцевый песок 9,0
9 Тальк 10,0 1,0
10 Рутил 29,0
11 Каолин 5,0
12 Целлюлоза 1,5 1,5
13 Поташ 1,0
к..-.— ■»>... ' , ..л-,. ... .. . . • : • •
а) х 200 б) х 200 в) х 200
Рис. 1 Микроструктура сварного шва, выполненного электродами марки МР-3 а) - серийные электроды, б) - электроды с добавлением в покрытие 0,1% А1203, в) - электроды с добавлением в покрытие 0,15% А1203
X 1000 х 400
а) б)
Рис. 2 а) микроструктура сварного шва, выполненного электродами марки УОНИ - 13/55 с добавлением в покрытие 0,1% Л120з, травление реактивом Обергоффера; б) концентрация фосфора на границе газовой поры
ненного электродами марки МР-3, представлены в табл. 2, механические свойства металла шва, выполненного электродами марки УОНИ-13/55, представлены в табл. 3.
Как видно из табл. 2 и 3, введение в состав покрытия электродов обеих марок ультрамелко-размерных частиц Л1203, приводит к резкому снижению показателей испытаний на ударный изгиб при отрицательных температурах. Показатели испытаний образцов на ударный изгиб при комнатной температуре практически не изменяются.
Микроструктуру металла шва исследовали с помощью оптического микроскопа «Лхюуег1 40МАТ», снабженного системой анализа изображений «81ЛМ8 700».
Номер зерна металла шва составляет:
- серийные электроды марки МР-3 ....... № 7-8;
- электроды марки МР-3 с добавлением 0,1%
Л1203 ............................. № 9-10;
- электроды марки МР-3 с добавлением 0,15%
Л1203.......................................№ 10;
- серийные электроды марки УОНИ -
13/55........................................№ 7-8;
- электроды марки УОНИ-13/55 с добавлением
0,15 Л1203................................ № 9-10
На рис. 1 представлены микроструктуры сварных швов без частиц Л1203 и с добавлением частиц.
С целью определения причин, значительного снижения ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах, микрошлифы образцов протравили реактивом Обергоффера. Распределение фосфора по структуре металла представлено на рис. 2. Введение Л1203 в электродное покрытие привело к концентрации фосфора по границам зерен и падению ударной вязкости при испытании на ударный изгиб при отрицательных температурах.
Таблица 4. Механические свойства металла шва
Электроды марки УОНИ-13/55 0 5,0 мм ов, Н/мм2 0О кси, при 20°С, Дж/см2
серийные 525 24 171
5,5% ФТи 0,2 - 25 мкм 546 22 200
Требования н е мене е
ТУ 1272-260-05757676-2011 490 20 127
Таблица 5 Химический состав наплавленного металла
Электроды марки УОНИ-13/55 0 5,0 мм Массовая доля элементов, %
с* 8і* Мп* 8 Р
серийные 0,09 0,24 1,10 0,019 0,032
0,5% ФТи-30 ГОСТ 4761-91 0,08 0,17 0,83 0,017 0,020
Требования ТУ 1272-260-05757676-2011 - - - не более
0,030 0,035
* - справочные данные
На следующем этапе исследований выполнили замещение 5,5% вес. ферротитана, который содержится в покрытии электродов УОНИ-13/55, стандартный размер частиц которого составляет 400-630 мкм, частицами ферротитана, размер которых составил от 0,2 до 25мкм (содержание частиц размером 25 мкм составляли 75,4%). Используя покрытие, модифицированное частицами ферротитана, изготовили электроды диаметром 5 мм.
Выполнили проверку сварочно-
технологических свойств электродов, а также механических свойств и химического состава металла, наплавленного электродами с модифицированным покрытием. Образцы для сварки были изготовлены в соответствие с ГОСТ 9466-75 п. 5.24, черт 7 А из листовой стали марки Ст3пс, толщиной 18 мм. Образцы для механических испытаний изготовлены в соответствии с ГОСТ 6996.
Сварочно-технологические свойства электродов соответствуют 4-5 баллу РД 03-613-03. Механические свойства металла швов, наплавленных электродами марки УОНИ-13/55 диаметром 5,0 мм с покрытием, модифицированным мелкоразмерным ферротитаном, представлены в табл. 4,
химический состав наплавленного металла приведен в табл.5.
Введение в состав электродного покрытия мелкоразмерного порошка ферротитана привело к следующим результатам:
- улучшилась отделимость шлака;
- повысилась ударная вязкость КСи (на 17%);
- снизилось содержание фосфора в наплавленном металле шва (с 0,032 до 0,020%);
- микроструктура металла шва - более дисперсная и однородная (рис. 3 б)), в отличие от неравномерной структуры металла шва, наплавленного серийными электродами (рис.4 а)).
- ударная вязкость КСУ при минус 70°С составляет 66 Дж/см2 (при нормативе - не менее 35), в то время, как металл шва, наплавленный серийными электродами, выдерживает испытания на ударный изгиб только до минус 40°С.
Выводы
1. Модифицирование ультрамелкоразмерными частицами ЛЬ203 приводит к снижению ударной вязкости при отрицательных температурах металла шва, наплавленного электродами УОНИ 13/55 и МР-3.
2. Введение в электродное покрытие мелкоразмерных частиц ферротитана размером 0,2 - 25 мкм приводит к повышению механических свойств металла шва, наплавленного электродами марки УОНИ - 13/55, а также способствует улучшению отделения шлака.
3. Необходимо проведение дополнительных
исследований, влияния размерности частиц ферросплавов и рудо-минерального сырья компонентов электродного покрытия, которые могут привести к существенному повышению механических свойств, а также сварочно-технологических свойств электродов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гуляев А.П. Чистая сталь. - М.; Металлургия, 1975. - 178с.
2. Гуляев А.П. О прочности // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1983. - № 7. - С.
2-6.
3. Соколов Г.Н., Трошков А.С., Лысак В.И., Самохин А.В., Благовещенский Ю.В., Алексеев Н.В., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперсных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла. // Сварка. Диагностика. 2011. № 3. С. 36 - 38.
4. Модифицирование наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама / Г.Н. Соколов, И.В. Лысак, А.С. Трошков и др. // Физика и химия обработки материалов, 2009. № 6. С. 41 - 47.
□Авторы статьи
Гордин Сергей Олегович ведущий инженер ЦЗЛ ОАО «Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат», тел. 8-903-985-92-81
Смирнов Александр Николаевич, докт.техн.наук, профессор каф. «Технология машиностроения» КузГТУ; тел. 8-903-946-47-13
Князьков Виктор Леонидович, канд.техн.наук, доцент каф. «Технология машиностроения» КузГТУ , тел. 8-903-946-47-14
