CC BY
37
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
petrochemical equipment operating in hydrogen environments / O.I. Steklov, A.V. Alekseev, O.A. Alexandrov // Welding production. - 1989. - № 5. - P. 1-3. (Rus.)
6. Suslova E.A. Influence of technological factors on the crack susceptibility / E.A. Suslova, V.A. Ignatov, A.S. Zubchenko // Welding production. - 1990. - № 5. - P. 35-36. (Rus.)
7. Effect of heat input on the corrosion resistance of welded joints of austenitic-ferritic steel type 10H21N5T / Yu.N. Savonov, AG. Alexandrov, V.I. Ruban, V.P. Loktionov // Welding production. - 1987. - № 7. - P. 9-11. (Rus.)
8. Welding thermal cycle effect on the structure and properties of economically alloyed steels chro-momargantsevonikelevyh / M.A. Khubrikh [et al.] // Welding production. - 1988. - № 10. - P. 19-21. (Rus.)
9. Ivanova N.V. Cold resistance of HAZ metal of tank constructions welded joints / N.V. Ivanova, V.N. Dykun, V.A. Vinokourov // Welding production. - 1985. - № 11. - P. 15-17. (Rus.)
10. The new wire for automatic submerged arc welding steel 09G2S without bevel / A.F. Batakshev [et al.] // Welding production. - 1988. - № 1. - P. 23-24. (Rus.)
11. Finkel V.M. Destruction Physics / V.M. Finkel. - M.: Metallurgy, 1970. - 376 p. (Rus.)
Рецензент: С.С. Самотугин
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 17.11.2015
УДК 621.791.92:669.018.25
© Патюпкш А.В.*
ВПЛИВ МОДИФ1КУВАННЯ ITPieM НА ФОРМУ I К1ЛЬК1СТЬ НЕМЕТАЛЕВИХ ВКРАПЛЕНЬ В АУСТЕШТНШ ВИСОКОЛЕГОВАНШ СТАЛ1
Вивчено вплив Шрт на форму i ктъюстъ неметалевих вкраплень в стал1 06Х23Н18М5. Встановлено, що impiü зв'язуе кисенъ та iншi елементи в гетерогенш з'еднання, що призводитъ до переходу домшок в пасивний стан. Переважно в структурi маютъ мiсто оксидш включення, глобулi i сулъфiднi включення, ят утворюютъся в резулътатi реакцт комnонентiв сталi з розчиненими в металi киснем, аркою i азотом. Встановлено, що рафiнуючи i модифiкуючи аустентну сталъ домшками iтрiю, можна корегувати службовi властивостi наплавленого шару.
Ключовi слова: шкiдливi домшки, аустентна високолегована сталъ, службовi властивостi, неметалевi вкраплення, форма i розмiри вкрапленъ, Шрт, рафтуван-ня, модифтування, форма i розмири неметалевих вкрапленъ.
Патюпкин А.В. Влияние модифицирования иттрием на форму и количество неметаллических включений в аустенитной высоколегированной стали. Изучено влияние иттрия на форму и количество неметаллических включений в стали 06Х23Н18М5. Установлено, что иттрий связывает кислород и другие элементы в гетерогенные соединения, а также приводит к переходу примесей в пассивное состояние. Преимущественно в структуре обнаружены оксидные включения, глобу-ли и сулъфидные включения, образующиеся в резулътате реакций компонентов стали с растворенными в металле кислородом, серой и азотом. Установлено, что рафинирование и модифицирование аустенитной стали примесями иттрия способствует корректировке служебных свойств наплавленного слоя.
* канд. техн. наук, доцент, Запор1зъкий нащональний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя, apatupkin@gmail. com
Ключевые слова: вредные примеси, аустенитная высоколегированная сталь, служебные свойства, неметаллические включения, форма и размеры включений, иттрий, рафинирование, модифицирование, форма и размеры неметаллических включений.
A. V. Patyupkin. Yttrium modifying influence on the shape and amount of nonmetallic inclusions in the austenitic high alloy steel. Yttrium influence on the form and amount of non-metallic inclusions in steel 06H23N18M5 was studied. It has been found that yttrium binds oxygen and other elements into heterogeneous compounds, it resulting in the transition of impurities into passive state. Oxide inclusions, sulfide inclusions and globules formed as a result of steel components reactions with oxygen, sulfur and nitrogen dissolved in metal are mostly found in the structure. It was found that by modifying and refining austenitic steels with yttrium service properties of the deposited layer can be adjusted. X-ray diffraction and X-ray spectrum analysis revealed that the modified steel 06H23N18M5 + 0.02% Y has a heterogeneous structure with uniformly distributed inclusions of a-phase and composite carbides (Fe, Cr, Mo) 23C6. It is possible that Y modification resulted in the appearance of chemically resistant intermetallic a-phase in these steels, for nucleation was facilitated by increasing the number of crystallization centers as dispersed primary yttrium oxy-sulfide compounds.
Keywords: contaminants, austenitic high alloy steel service properties, nonmetallic inclusions, shape and size of inclusions, yttrium, refining, modification of the shape and size of nonmetallic inclusions.
Постановка проблеми. Разом з хiмiчним складом яюсть наплавлено1 стал^ piBeHb ïï ме-хашчних i службових властивостей визначасться вмютом шюдливих домшок, а також xÎMÎ4-ною та фiзичною неоднорщшстю стал^ 1стотний вплив на яюсш показники стат надають не-металевi вкраплення. ïx присутнють негативно позначасться на мщносп, пластичносп i ударнш в'язкосп металу, оброблюваносп рiжучим шструментом, корозшнш стшкосп, впливае на схи-льнють до утворення трщин та iншi характеристики стат [1]. У зв'язку з цим вивчення немета-левих вкраплень е актуальною задачею при виборi матерiалiв для вщновлення зношуваних по-верхонь деталей обладнання титаномагнiевоï промисловосп та xiмiчниx тдприемств, а також тдприемств виготовлення кольорових металiв, яю працюють в умовах кавггацшно-корозшного зношування [2].
Аналiз останшх дослiджень i публжацш. Неметалевi вкраплення, якi виникають у ви-соколегованих сталях та сплавах, класифшуються за xiмiчним складом на оксиди, сульфщи, нiтриди, фосфщи, карбiди, iнтерметалiди, а також часто можна зустргги складнi вкраплення, що представляють собою поеднання рiзниx груп [3].
Вс неметалевi вкраплення не е дефектами звичайноï або наплавленоï сталi, але ж певнi поеднання ïx характеристик можуть негативно позначитися на властивостях металу. Для ощнки впливу неметалевих вкраплень на властивосп металу важливо враховувати як 1'х xiмiчний склад i кiлькiсть, так i форму, розмiр i розташування. Однак невiдомо, яка з цих характеристик най-бiльш небезпечна з точки зору впливу у даному випадку на кавггацшно-корозшну стшюсть наплавлено! стал^
Характер впливу вкраплень на властивосп металу, в значнш мiрi, обумовлюеться ïx xiмi-чним складом. Найбшьш небезпечними i поширеними вкрапленнями в сталях е оксиди i суль-фiди [4].
1стотний вплив на службовi властивостi наплавленоï стали надае форма вкраплень [4]. Найменш шкiдливими вважаються вкраплення глобулярноï форми. Небезпечними е вкраплення з гострими гранями, вкраплення у виглядi плiвок i т.i. Сталь, що мютить такi вкраплення, руй-нуеться набагато рашше сталi з глобулярними вкрапленнями. Крiм цього, слiд зазначити, що важливим фактором при вивчент впливу неметалевих вкраплень на властивосп стат е також ïx кшьюсть. Однак, оцiнюючи вплив певноï кшькост вкраплень на властивостi металу, не можна не враховувати характер ïx розподшу. Неоднорщний розподiл вкраплень викликае змшення макроструктури металу на окремих дшянках, що виявляеться в змш фiзичниx i меxанiчниx властивостей стал^ Найкращим варiантом е рiвномiрний розподiл неметалевих вкраплень в
o6'eMi металу. KpiM того, багато дослiдникiв при ощнщ впливу вкраплень на мехашчш власти-восп сталi вважають визначальним чинником !х po3Mip.
Проблема виникнення неметалевих вкраплень виникае на багатьох стад1ях технолопчно-го процесу виготовлення сталевих конструкцш, на виробництвi зварних конструкцш i при вщ-новленнi зношених поверхонь деталей методом дугового наплавлення. Як правило, у вшх зварних швах та в наплавленому шарi е неметалевi вкраплення. 1х кiлькiсть, склад, форма, розмiр i розподiл можуть значною мiрою вплинути на мехашчш та службовi властивосп. Незважаючи на те, що наплавлеш шари незручнi для вивчення неметалевих вкраплень внаслщок малого об'ему зварювально! ванни [5], цьому питанню присвячено багато робгг. Однак бiльшiсть з них надае лише кiнцевi даш процесу: описуеться склад i форма вкраплень, !х розподiл i тл. Такi ос-новоположнi питання, як кшетика зародження, укрупнення i видалення вкраплень, в основному, не розглядаються. У той же час вивчення цих питань дозволяе знижувати утворення неметалевих вкраплень наплавлено! стат або отримувати таю вкраплення, як найменшою мiрою впливали б на яюсть поверхневого шару.
Форми i розмiри вкраплень в металi шва залежать вiд часу кристатзаци зварювально! ванни i температури !х плавлення, яка, в свою чергу, визначаеться xiмiчним складом вкраплень. Склад неметалевих вкраплень залежить вщ способу наплавлення i застосованих зварювальних матерiалiв.
Метою даноТ роботи е дослщження впливу iтрiю на форму i кiлькiсть неметалевих вкраплень в аустенггнш сталi 06Х23Н18М5 i, вщповщно, на !! службовi характеристики.
Виклад основного матерiалу. У разi застосування ручного дугового зварювання необ-хщно найбiльшу увагу придiляти використовуваним матерiалам (покритi електроди), так як вщ типу електродiв залежать металургiйнi процеси, що вщбуваються у зварювальнiй ванш, а також вiрогiднiсть утворення тих чи шших типiв вкраплень.
На практищ для того, щоб звести до мшмуму шкiдливий вплив неметалевих вкраплень на наплавлений шар, необхщно в першу чергу правильно пщбрати електроди. Цим будуть ви-значатися металургшш процеси, що вiдбуваються в зварювальнш ваннi пiд час наплавлення. Вщ цього буде залежати те, як самi вкраплення будуть утворюватися, чи будуть вони об'едну-ватися один з одним, чи можливо !х видалення з об'ему зварювально! ванни.
Зразки виконували для комплексу випробувань: для кавггацшних i кавггацшно-корозшних випробувань, металографп, петрографп, електронно! мiкроскопi!, для дослiдження меxанiчниx властивостей шляхом наплавлення в мщний кристатзатор з водяним охолоджен-ням на наступних режимах: постшний струм зворотно! полярностi, 0ел = 4 мм, 1зв = 110-120 А, ид = 24-26 В. При подальшш меxанiчнiй обробцi отримували зразки розмiром 10^10^24 мм, що пройшли випробування на ударну в'язюсть (виxiдний розмiр до меxанiчниx випробувань -10х 10x55 мм), обробляли до чистоти поверxнi 0.8V (обробцi пiддавали три робочi поверxнi).
В якостi стрижшв дослiджуваниx електродiв для виготовлення зразюв використовували стандартнi електроди (без покриття) ОЗЛ-6 (ГОСТ 9466-75 i 10052-75). Обмазку електродiв наносили методом опресування на верстап кафедри «Обладнання та теxнологiя зварювального виробництва» Запорiзького нацiонального теxнiчного унiверситету. До складу шихти (стандартна шихтовка) вводили додатково Cr, Ni, Mo, а в якосп модифшатора - алюмоггтрш (табл.).
Таблиця
Вмiст компонентiв шихти зварювальних електродiв
Серiя зразкiв Вмют компонентiв, ваг.% (чисельник), г (знаменник)
СаО СаF2 Cr (мет.) Ni (ел.) FeМо AlY Слюда Разом
4 42 168 31,8 127,2 8 32 6 24 10,5 42 HZ 1 4 100 400
5 42 168 31,7 126,8 8 32 6 24 10,5 42 0,8 3,2 1 4 100 400
Зразки наплавленого металу для металографiчниx i петрографiчниx дослiджень шлiфува-ли до чистоти поверxнi, травили електролггичним i вакуумним способом.
Слгд зазначити, що однieю з позитивних CTopiH модифгкування зварювальних матерiалiв гтргем е його рафгнуюча здатнiсть. Тому для оцгнки впливу iтрiю на коагуляцiю i характер роз-подiлу неметалевих вкраплень визначали забрудненють наплавлено!' аустенiтноi високолегова-но!' стали металографiчним методом П зггдно з ГОСТ 1778-70 (пгдрахунком кiлькостi та об'ем-ного вщсотка вкраплень). Була проведена якiсна оцгнка вкраплень, що найчастiше зустргчають-ся в дослгджуваних зразках, що дозволяе встановити ix типи для оцшки забрудненостг сталг. Критерiем оцiнки забрудненостг е середне арифметичне значення об'емного вщсотка кожного шлiфа i кглькють вкраплень певних груп на площi 100 мм2, пiдраxоване за варiантом П1 при збiльшеннi мiкроскопа х1500. Загальний рiвень забрудненостi неметалевими вкрапленнями пгс-ля наплавлення вiдомими електродами знизився в порiвняннi з немодифгкованою сталлю 06Х23Н18М5, розмiр !'х зменшився до 2-4 мкм. Як видно з рис. 1 i 2, забрудненють нержавгючо!' сталi, модифiкованоi гтргем, значно нижче, нiж у зразкгв зi сталi 06Х23Н18М5. У структурi ви-явленi глобулярнг вкраплення сгрого кольору розмгром до 10 мкм складного складу.
Рис. 1 - Морфолопя i характер розподiлу неметалевих вкраплень в наплавленiй сталi 06Х23Н18М5 на рiзних 11 дiлянках, х1500
Iтрiй зв'язуе кисень та iншi елементи в гетерогеннi з'еднання, що призводить до переходу домшок в пасивний стан. Змют вкраплень в сташ 06Х23Н18М5 + 0,02% Y, об.%: глобулi -0,016; оксиди - 0,072; оксисульфщи - 0,0005; сульфщи - 0,01. Переважно в структурi зустрiча-ються оксиднi i сульфiднi вкраплення та глобулi, якi утворюються в результатi реакцiй компонент сталi з розчиненими в металi киснем, сiркою i азотом.
Мехашзм впливу iтрiю полягае в знижеш поверхневого натягу, зменшенi величини критичного зародка i збшьшеш числа центрiв кристалiзащl, що i призводить до подрiбнення струк-тури. Ггрш впливае не тiльки на процеси первинно! кристаизацп, а й на процеси утворення та розподшу надлишкових фаз [6, 7]. На етат вторинно! кристаизацп при багаторазовш тепловiй ди в процесi пошарового наплавлення можна припустити, що поява додаткових дисперсних центрiв кристалiзацil сприятиме реалiзацil процесiв розпаду пересиченого твердого розчину i утворення вторинних видшень змiцнюючих фаз.
Так для ощнювання наявностi в наплавленому металi цих фаз виконано електронну мж-роскопт Дослiдження на електронному мiкроскопi вуглецевих екстракцшних реплiк показало наявнiсть в наплавленому метай 06Х23Н18М5 + 0,02%Y дрiбнодисперсних частинок, середнiй розмiр яких не перевищував 0,01 мкм. Крiм того, виявленi бiльшi утворення, що мали орiенто-вану дендрiтообразну структуру. У режимi мжродифракцп вiд дрiбних i дендрiтообразних частинок була отримана кшьцева мiкроелектронограмма, аналiз яко! показав, що зазначенi частки можна щентифжувати як а-фазу. Згiдно термодинамiчних розрахункiв, тиск парiв хрому над системою Сг-С значно перевищуе аналопчний показник для карбiдiв i штерметалщв. Отже, цi
фази при на^ванш у вакуумi полiрованого мiкрошлiфа будуть виступати над поверхнею останнього i можуть бути екстраговаш одноступiнчастою вуглецевою реплжою.
Рис. 2 - Морфолопя i характер розподiлу неметалевих вкраплень в наплавленш
сталi 06Х23Ш8М5+0,02*ОТ на рiзних 11 дiлянках, х1500
Пiсля дослiджень на свiтловому мжроскош на зразки у вакуумi напилювали вуглецевi реплiки, якi вiдокремлювали вщ зразкiв електролiтичним способом (як електролгг використо-вували 10% розчин азотно! кислоти в етиловому спиртi, а катод був виготовлений з нжелю). Шсля вiддiлення реплiки промивали у трьох змшах дистильовано! води, розташовували на мщ-нi сiтки-об'ектоутримувачи i дослiджували на трансмiсiйному електронному мжроскот УЕМВ-100К. Зображення фрагментiв мкроструктури фiксували при збiльшеннях х4000-10000. Фазо-вий склад визначали методом мкродифракцп шляхом порiвняння експериментальних i таблич-них значень мiжплощинних вiдстаней dHKL, а в якостi еталону використовували оксид MgO.
Рентгеноструктурним i рентгеноспектральним анаизом встановлено, що модифiкована сталь 06Х23Н18М5 + 0,02% Y мае гетерогенну структуру з рiвномiрно розподшеними вклю-ченнями а-фази i складних карбдав (Fe, Сг, Мо)2зСб. Поява хiмiчно стiйкоi iнтерметалiдноi а-фази в даних сталях е наслщком модифiкування Y i причиною полегшення процесiв зародкоут-ворення вторинних фаз за рахунок збшьшення кiлькостi центрiв кристалiзацii у виглядi диспер-сних первинних окси-сульфщно-г^евих з'еднань [2].
Висновки
1. Встановлено, що iтрiй у кiлькостi 0,02% (в наплавленому метал^ виконуе рафiнуючу дiю, так загальний рiвень забрудненостi неметалевими вкрапленнями тсля наплавлення досль джуваними електродами суттево знизився в порiвняннi з немодифкованою сталлю 06Х23Н18М5, а 1х розмiр зменшився до 2-4 мкм.
2. 1трш зв'язуе кисень та iншi елементи в гетерогеннi з'еднання, що призводить до переходу домшок в пасивний стан, тому в структурi переважають оксиднi вкраплення, глобулi i сульфiднi вкраплення.
3. Мехашзм впливу iтрiю полягае в зниженш поверхневого натягу, зменшеннi величини критичного зародка i збiльшеннi числа центрiв кристалiзацii, що i призводить до подрiбнення структури.
4. Iтрiй впливае не тшьки на процеси первинно! кристалiзацii, а й на процеси утворення та розподшу надлишкових фаз. На еташ вторинно! кристалiзацii при багаторазовш тепловiй ди в процес пошарового наплавлення можна припустити, що поява додаткових дисперсних центрiв кристалiзацii сприятиме реалiзацii процесiв розпаду пересиченого твердого розчину i утворення вторинних видшень змiцнюючих фаз.
Перелж використаних джерел:
1. Барахтин Б.К. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения: справочник / Б.К. Барахтин, А.М. Немец / Под ред. И.П. Калинкина. - СПб. : Профессионал, 2006. -486 с.
2. Патюпкин А.В. Повышение кавитационно-коррозионной стойкости наплавленного металла типа 06Х23Н18М5 путем модифицирования его иттрием / А.В. Патюпкин, Г.А. Бялик // Но-вi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш. - 2006. - № 1. - С. 24-29.
3. Кудрин В.А. Металлургия стали : учебник для ВУЗов / В.А. Кудрин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1989. - 560 с.
4. Виноград М.И. Включения в стали и ее свойства / М.И. Виноград. - М. : Металлургиздат, 1963. - 252 с.
5. Деев Г.Ф. Дефекты сварных швов / Г.Ф. Деев, И.Р. Пацкевич. - Киев : Наукова думка, 1984. - 208 с.
6. Абралов М.А. Влияние церия и иттрия на структуру и свойства металла шва на сплаве 06ХН28МДТ / М.А. Абралов // Автоматическая сварка. - 1978. - № 9. - С. 5-7.
7. Браун Н.П. Микролегирование литых жаропрочных сталей / М.П. Браун, Н.П. Александрова, Л.Д. Тихоновская, И.Г. Курдюмова. - Киев : Наукова думка, 1974. - 239 с.
Bibliography:
1. Barakhtin B.K. Metals and alloys. Analysis and research. Physical and analytical methods for the study of metals and alloys. Non-metallic inclusions: a handbook / B.K. Barakhtin, A.M. German / Ed. I.P. Kalinkin. - SPb. : Professional, 2006. - 486 р. (Rus.)
2. Patyupkin A.V. Increased cavitation-corrosion resistance of the weld metal 06C23N18M5 type by modifying its yttrium / A.V. Patyupkin, G.A. Bialik // Novi materiali i tehnologii' in metalurgii' that mashinobuduvanni. - 2006. - № 1. - Р. 24-29. (Rus.)
3. Kudrin V.A. Metallurgy Steel : a textbook for high schools / V.A. Kudrin. - 2 nd ed., Revised. and ext. - M. : Metallurgiya, 1989. - 560 p. (Rus.)
4. Vinograd M.I. The inclusions in the steel and its properties / M.I. Vinograd. - M. : Metallurgizdat, 1963. - 252 p. (Rus.)
5. Deev G.F. Defects in welds / G.F. Deev, I.R. Paskevich. - Kiev : Naukova Dumka, 1984. - 208 p. (Rus.)
6. Abralov M.A. Effect of cerium and yttrium on the structure and properties of the weld metal in the alloy 06HN28MDT / M.A. Abralov // Automatic Welding. - 1978. - № 9. - P. 5-7. (Rus.)
7. Brown N.P. Microalloying cast heat-resistant steels / M.P. Braun, N.P. Aleksandrova, L.D. Ti-honovskaya, I.G. Kurdyumova. - Kiev : Naukova dumka, 1974. - 239 p. (Rus.)
Рецензент: Ю.М. Внуков
д-р техн. наук, проф., ЗНТУ
Стаття надшшла 23.11.2015
