Влияние состава электродного покрытия на процессы структурообразования в сварных швах высоколегированных сталей

Е.А. Кривоносова, Е.С. Саломатова, О.А. Рудакова

Пермский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В СВАРНЫХ ШВАХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Представлены результаты влияния состава электродного покрытия на процесс структуро-образования в сварных швах стали типа Х18Н10Т. Установлено влияние состава электродного покрытия на структуру и свойства сварных соединений легированных сталей.

Высокий комплекс механических и коррозионных свойств достигается при использовании высоколегированной стали типа Х18Н10Т. Свойства сварных соединений таких сталей определяются, в первую очередь, свойствами металла шва, поэтому особый интерес представляет изучение процессов структурообразования металла сварного шва.

На металлургические процессы в зоне шва и структурообразование металла сварного шва, а следовательно, уровень механических свойств оказывает влияние состав электродного покрытия. Поэтому исследование процессов модифицирования и структурообразования металла сварных швов высоколегированной стали Х18Н10Т, полученных при ручной дуговой сварке плавящимися электродами с различным видом покрытия - рутиловым (ОК 61.30) и основным (ЦЛ 11), является актуальной задачей.

Дополнительное легирование сварного шва титаном и марганцем осуществляли через электродное покрытие. Степень дополнительного легирования титаном и марганцем через электродное покрытие определялась расчетом равновесного содержания этих компонентов в стали Х18Н10Т под шлаком заданного состава (табл. 1) при различных температурах в соответствии с реакциями (1) и (2):

При этом запись в круглых скобках означает содержание элемента в шлаковой фазе, а в квадратных скобках - в металлической фазе.

(МпО) + [ Бе] ^ (БеО) + [ Мп],

Таблица 1

Состав шлака при сварке электродами с различным типом покрытия

Вид покрытия МпО ЯіО СаО А12°3 БеО Mg0 ТіО2 СаБ2

мас. %

Основное покрытие (ОК 61.30) 20 20 30 10 4 - - 16

Рутиловое покрытие (ЦЛ 11) 8 22,4 10 6,2 3,9 2,1 40,6 -

Итоговые зависимости для расчета содержания Т и Мп в стали Х18Н10Т в равновесных условиях с заданным покрытием (3), (4):

дл О

1п Х[Ті] =------------------^ + lg у

"[Ті]

2,3ЯТ

+ 1g Х

2 • 1g Х

1п Х[Мп] _

дл;

2,3ЯТ

+ 1g У (МпО) + 1g Х(МпО) - ^ Х[Мп] - 1g у (РеО) - 1g Х(

[Мп

где АЛ0Т1 - термодинамический потенциал Гиббса (изменение энергии Гиббса); Я - газовая постоянная 8,31 Дж/моль-К; Т - заданная температура; уй -коэффициент активности элемента і в разбавленном растворе; Хй - равновесное содержание элемента і в сплаве, мол. доли;

Полученные результаты расчетов степени дополнительного легирования металла сварного шва титаном и марганцем приведены в табл. 2.

Такой уровень содержания титана в сварном шве предполагает его действие не только как раскислителя, но и как модификатора структуры, что согласуется с выводами работы [1] об образовании модифицирующих карбонитридных фаз титана в сварном шве в условиях температурного цикла сварки. Результаты термодинамических прогнозов подтверждаются исследованиями микроструктуры на поперечных шлифах образцов сварных швов, выполненных электродами с основным (ЦЛ 11) и рутиловым (ОК 61.30) видами покрытий.

Таблица 2

Результаты расчетов степени дополнительного легирования металла сварного шва через электродное покрытие

Температура Т, К Расчетное содержание Ті, мас. % Расчетное содержание Мп, мас. %

1873 0, 054 0,02

2100 0,180 1,72

Структура швов, выполненных электродами с основным видом покрытия (рис. 2, б), более гомогенная по сравнению со структурой швов, выполненных

электродами с рутиловым видом покрытия (рис. 2, а), где прослеживается резкая структурная дезориентация по направлению осей роста кристаллов.

Это, по-видимому, объясняется модифицирующим действием карбо-нитридных фаз титана при сварке электродами с рутиловым видом покрытия (ОК 61.30).

На рис. 3 показан в сравнении уровень загрязненности неметаллическими включениями металла сварных швов, выполненных электродами с рутиловым (рис. 3, а) и основным (рис. 3, б) видом покрытия.

а б

Рис. 2. Структура сварных швов, выполненных рутиловым (а) и основным (б) видом покрытия, *1000

а б

Рис. 3. Неметаллические включения в структуре металла сварных швов, выполненных электродами рутилового ОК 61.30 (а) и основного ЦЛ 11 (б) видами покрытий, *450

При статистическом анализе распределения неметаллических включений (рис. 4) было обнаружено, что при сварке электродами с рутиловым видом покрытия (ОК61.30) концентрация неметаллических включений примерно в 6 раз выше (рис. 5), чем при сварке электродами с основным видом покрытия (ЦЛ 11).

Это, по-видимому, объясняется усиленным эффектом раскисления и рафинирования марганца при дополнительном легировании при сварке электродами с основным видом покрытия [2].

Распределение средних диаметров неметаллических распеределение средних диаметров неметаллических включений включений

0,5 1 1,5 2 3 4

6 10 20 80 120 200

Диаметр неметаллических включений, мкм

0,1 0,3 1 1,5

Диаметр неметаллических включений, мкм

Рис. 4. Статистический анализ загрязненности неметаллическими включениями швов: а - выполненных электродами с рутиловым покрытием ОК 61.30; б - основным видом покрытия ЦЛ 11

Рис. 5. Сравнительный уровень загрязненности неметаллическими включениями металла образцов с рутиловым и основным покрытием на площади 0,001 мм2: а - швы, выполненые электродами с основным типом покрытия; б - швы, выполненые электродами с рутиловым типом покрытия

Следовательно, активное вмешательство в металлургические процессы, протекающие при сварке в металле шва, через покрытие электрода позволяет получить заданный уровень механических свойств.

Список литературы

1. К проблеме рационального микролегирования сварного шва титаном / Е.А. Кривоносова, В.В. Уточкин, В.М. Язовских // Сварочное производство. -2001. - № 5. - С. 6-9.

2. Язовских В.М. Свариваемость легированных сталей / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - 204 с.

Получено 1.02.2010