Влияние режимов наплавки покрытий на коррозионную стойкость сварных соединений сталей в кислых средах

Влияние режимов наплавки покрытий на коррозионную стойкость сварных соединений сталей в кислых средах*

1Ю.Н. Сараев, д.т.н., профессор, 12В.П. Безбородое, к.т.н., доцент,

1Ю.В. Селиванов, инженер 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия; тел. 8(3822)-286850 2Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, тел. 8(3822)-419559

В работе исследовано влияние наплавки на коррозионную сварных соединений аустенитной стали 12Х18Н10Т. Показано, что использование импульсно - дуговой наплавки стали 12Х18Н10Т позволяет формировать защитные покрытия с дисперсной структурой при меньшем тепловом воздействии на зоны сварного соединения. Покрытия с такой структурой позволяют в 1,5 - 6 раз снизить скорость коррозии сварных соединений стали 12Х18Н10Т в активных химических средах. Импульсный процесс наплавки покрытий на сварные соединения сталей можно эффективно использоваться защиты от коррозии при ремонте оборудования химической промышленности. Полученные результаты исследований можно рекомендовать для использования при наплавке защитных коррозионно-стойких покрытий на рабочие поверхности оборудования химических производств.

Ключевые слова: наплавка, покрытие, сварка, импульсный, сталь, коррозия, защита стойкость.

Effect of coating deposition regimes on the corrosion resistance of welded joints of steel in acidic media *

U.N.Saraev, V.P.Bezborodov, U.V.Selivanov institute of Strength Physics and Materials Science, Russian, Tomsk 2Yurga Institute of Technology (branch) of Tomsk Polytechnic University (YTI of TPU),

Abstract. In this work, effect of welding on corrosion of welded joints of austenitic steel 12X18H10T. It is shown that the use of pulsed - arc welding steel 12X18H10T allows you to create a protective coating with dispersed structure with less thermal impact on the zone of the welded joint. Coating is of such structure allows 1.5 to 6 times to reduce the corrosion rate of welded joints of steel 12KH18N10T in active chemical environments. Pulse the process of deposition of coatings on welded joint of steels can be effectively used for the protection against corrosion in the repair of equipment of chemical industry. The results obtained can be recommended for use when welding a protective corrosion - resistant coatings on working surfaces of equipment of chemical productions.

Key words: surfacing, coating, welding, pulsed, steel, corrosion, protection, resistance.

Введение

Метод наплавки позволяет повышать производительность и качество изделий благодаря упрочнению и восстановлению изношенных рабочих поверхностей, контактирующих с коррозионно-активными средами [1]. Однако этот метод сопровождается появлением в покрытиях различных дефектов. Рост глубины оплавления приводит к увеличению области сенсибилизации, а недостаточное оплавление ведёт к несплавлениям формируемого покрытия с защищаемой поверхностью [2]. Необходимо проведение поиска новых путей решения проблем устранения возникающих недостатков.

При наплавке вследствие действия источника нагрева - электрической дуги происходит расплавление покрытого электрода и частичное оплавление обрабатываемой поверхности. На ней формируется наплавочная ванна, и по мере перемещения источника нагрева относительно поверхности происходит кристаллизация расплавленного металла в виде наплавленного валика, геометрические размеры которого, во многом, определяются процессами, протекающими в этой ванне.

При наплавке на импульсном режиме диаграмма изменения сварочного тока (рис. 1) существенно отличается от диаграммы с использованием постоянного тока.

Реализация при наплавке этой диаграммы позволяет осуществить периодизацию физических процессов, протекающих в сварочной ванне. В результате действия переменного давления дуги при формировании наплавляемого покрытия металл наплавочной ванны осуществляет возвратно-поступательные движения [3-5]. Такое протекание технологического процесса наплавки позволяет обеспечить цикличность физических процессов на этапах формирования наплавочной ванны и кристаллизации металла из расплава, что способствует активному ее перемешиванию. При этом активное перемешивание сварочной ванны содействует выравниванию её теплосодержания и обеспечивает установление требуемого количества расплавленного металла под дугой к началу действия импульса тока, способствуя уменьшению глубины оплавления. Анализ факторов, влияющих на формирование наплавленного покрытия, показывает, что их можно разделить на две группы. Первая группа выражается показателем, который в процессе наплавки изменить нельзя, - пространственным положением защищаемой поверхности. Вторая группа связана с параметрами режима наплавки, которые можно изменять в ходе технологического процесса. При этом появляется возможность изменять геометрические размеры наплавляемого покрытия: высоту и ширину валика покрытия. Новые возможности по управлению параметрами второй группы факторов заложены в способе наплавки покрытия модулированным током. В этом случае появляется и больше возможностей управлять изменением геометрических размеров наплавляемого покрытия, чем при наплавке постоянным током с ограниченным количеством регулируемых параметров режима.

I, А

1п

I и

1и

I б

1, х 10-3 с

Рис. 1. Схема изменения силы тока наплавки: 1и — рабочий ток импульса;

1б - базовый ток; ^ - время рабочего импульса; ^ - время паузы.

Дополнительные регулировочные параметры - амплитуда колебаний тока импульса и паузы, их длительность, частота следования позволяют управлять размерами наплавочной ванны, изменять характер плавления и переноса металла, что способствует повышению стабильности формирования наплавляемого покрытия. При этом силы, действующие в наплавочной ванне, периодически

изменяются от максимальных (на интервале импульса) до минимальных значений (на интервале паузы), что обеспечивает возвратно-поступательное движение расплавленного металла.

Таким образом, движением металла в наплавочной ванне можно эффективно управлять варьированием силой тока наплавки на интервале импульса. При этом с увеличением силы тока импульса увеличивается давление дуги. В результате этого расплавленный металл более активно вытесняется изпод дуги в хвостовую часть наплавочной ванны. На интервале паузы при уменьшении давления дуги пропорционально величине силы тока паузы сварочная ванна стремится вернуться под дугу. Это способствует активному периодическому движению металла в сварочной ванне, выравниванию ее теплосодержания и более равномерному распределению легирующих элементов по всему объему наплавляемого металла. Изменяя параметры процесса наплавки непосредственно в её ходе, можно влиять на геометрические размеры формируемого покрытия: кривизну поверхности, высоту и ширину валика.

Коррозионные испытания сталей, используемых для изготовления оборудования, работающего в условиях применения кислых сред, были инициированы возникшей необходимостью замены выходящих из строя фрагментов и продления тем самым срока службыоборудования в целом. Особенно сильно подвержены коррозионным процессам сварные соединения стенок этих агрегатов, изготовленные из нержавеющих сталей. До настоящего времени в промышленности используются изделия технологического оборудования со сварными соединениями, полученными ручной дуговой сваркой плавящимися электродами и механизированной сваркой. При реализации указанных процессов перенос наплавляемого металла осуществляется сериями коротких замыканий. При этом отделение капли расплавленного металла с торца электрода и ее перенос в сварочную ванну происходит при высоком уровне сварочного тока. Это обусловливает нестабильность процессов в дуговом промежутке и повышенное разбрызгивание электродного металла, что, в конечном счете, ухудшает эксплуатационные свойства сварных соединений. Практика показала, что в процессе длительной эксплуатации указанного оборудования, работающего в активных кислых средах, коррозионный износ металла составляет около 0,1 мм/год. Коррозионные же разрушения сварных соединений достигают 4-5 мм/год. Они, как правило, выражены в виде опасной разновидности межкристаллитной коррозии -ножевой, наблюдаемой в ЗТВ основного металла и металле сварного шва. В некоторых случаях коррозия приводит к сквозному разрушению стенки агрегатов. В настоящее время восстановление работопригодности поврежденных сварных соединений сталей на действующем оборудовании производится ручной аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. Восстановительный ремонт поврежденных коррозией участков сварных соединений заключается в нанесении на них способом наплавки защитного покрытия. Этот технологический процесс сопровождается большим тепловложением в зону сварного соединения, снижает защитный эффект от нанесения наплавленного покрытия, способствует проявлению коррозионных разрушений в этой зоне - ножевой коррозии.

С целью повышения эксплуатационных свойств сварных соединений сталей в работе был использован метод импульсно-дуговой наплавки на сварное соединение. Известно, что данный метод наплавки резко снижает тепловложение в зону сварного соединения, влияет на структуру и свойства сварных соединений из различных сталей [6-8]. Однако в литературе отсутствуют данные о структуре металлов наплавленного покрытия и сварного соединения из нержавеющих сталей и их коррозионных свойствах в азотнокислых средах.

Целью данной работы является проведение анализа влияния используемых технологических приемов и импульсного метода нанесения покрытий для повышения коррозионной стойкости сварных соединений из нержавеющих сталей в азотнокислых средах.

Материалы и методика исследования

Для проведения исследований были изготовлены сварные соединения пластин из листового проката стали аустенитного класса 12Х18Н10Т размерами 300x150x10 мм. Формирование сварных соединений осуществлялось методом ручной дуговой сварки электродами ОЗЛ-36 диаметром 3 мм в три прохода сварочным аппаратом МАГМА 315.

Защитные покрытия на сварные соединения наносились методами наплавки -на постоянном токе и импульсном. Оценка коррозионного износа исследуемых сварных соединений проводилась по ускоренному методу. Такие испытания рекомендуются для контроля качества сварного соединения и оценки его склонности к ножевой коррозии. Испытательной средой служил водный раствор 10% HNO3 + 3% HF. Испытания проводились при температуре среды 95оС. В этих условиях увеличивается скорость перемешивания объема раствора и облегчается подвод окислительных компонентов к поверхности проб. Испытания состояли из 8 циклов продолжительностью 6 часов каждый. В реальных условиях эксплуатации сварного соединения продукты коррозии постоянно уводятся из рабочего раствора, поэтому в ходе лабораторных испытаний в каждом цикле использовался свежеприготовленный раствор. Коррозионные испытания проб размерами 80x15x10 мм со сварными швами проводились в условиях эксплуатации оборудования - с частичным погружением проб каждого сварного соединения в рабочие жидкости при их воздействии в области ватерлинии. Проведены коррозионные испытания проб сварных соединений после удаления наплавленных покрытий механическим способом. Это позволило обеспечить максимальный контакт сварного соединения с агрессивной средой. Продолжительность испытаний составляла 30 часов. Коррозионная стойкость оценивалась по изменению веса проб с помощью аналитических весов типа ВЛР-200. Регистрация коррозионных разрушений поверхностных слоев проб производилась по изменению макроструктур сварных швов и зоны термического влияния (ЗТВ). Исследования структур сварных соединений и наплавленных покрытий проводились с помощью оптического микроскопа Axiovert 200 MAT и камеры AxioCamHRc фирмы CarlZeiss, регистрировались посредством программы AxioVision Rel 4.4. Структуру сварных соединений и наплавленных покрытий выявляли с помощью реактива: 10 мл азотной кислоты, 20 мл соляной кислоты, 20 мл глицерина и 10 мл 30%-ной перекиси водорода.

Результаты и их обсуждение

При рассмотрение причин, определяющих стойкость сварного соединения к коррозионному износу, необходимо выделить природу компонентов сварного соединения как основного фактора, определяющего его фазовый состав и структуру. Пассивность хрома в стали 12Х18Н10Т обусловлена образованием на поверхности тонкой плёнки оксида Cr2O3, малорастворимой в кислоте и воде. Как известно, величина сенсибилизации зависит от размера тепловложения при формировании сварного соединения.

Исследования микроструктуры исходных образцов показали, что исследуемая сталь имеет аустенитную структуру (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура

стали

12Х18Н10Т

Ферритная фаза присутствует в виде отдельных строчек и в виде тонкого слоя по границам зёрен полиэдрического аустенита. Структура металла сварного шва представляет собой столбчатые дендриты (рис. 3).

Рис. 3. Структура наплавленного металла покрытия: а) постоянный ток,

б) импульсно-дуговой метод

Их ширина и длина дендритов могут достигать 20 мкм и 500 мкм, соответственно. Металл шва проб образцов сварных соединений, выполненных на постоянном токе, в процессе коррозионных испытаний показал относительно низкую стойкость (рис. 4).

200 мкм

200 мкм

Рис. 4. Характер коррозионных разрушений сварных соединений стали 12Х18Н10Т, полученных: а) на постоянном токе; б) импульсно - дуговым методом.

Наибольшие коррозионные разрушения проб локализованы в ЗТВ сварного соединения. Они представляют собой типичную ножевую коррозию. Картина коррозионного разрушения проб сварного соединения, выполненного на импульсном режиме, значительно отличается - отсутствует ножевая коррозия. Коррозионные разрушения представлены, в основном, в виде отдельных питтингов, локализованных в области ЗТВ.

Анализ зависимостей изменения веса проб от времени коррозионных испытаний (рис. 5) показал, что наиболее сильно подвержены коррозионному процессу пробы сварных соединений с покрытием после наплавки на постоянном токе, что обусловлено более пористой структурой наплавленного металла и наличием дефектов наплавки в виде несплавлений. По этим полостям в ходе проникает агрессивная коррозионная среда и ускоряются коррозионные разрушения.

Анализ зависимостей скорости коррозии зоны сплавления от времени испытаний показал, что наиболее подвержены коррозии пробы, наплавленные на постоянном токе (рис. 6). Эти пробы в значительной степени поражены ножевой коррозией в ЗТВ наплавленного покрытия и в металле шва (рис. 7). Коррозионные разрушения протекают, в основном, в ЗТВ металла сварного соединения. Использование импульсного режима позволяет снизить до 6 раз скорость коррозии соединений по сравнению с полученными на постоянном токе. Анализ результатов коррозионных испытаний проб сварных соединений после удаления наплавленного покрытия также показал повышение коррозионной стойкости зоны шва при нанесении покрытий, выполненных импульсно-дуговым методом. Наибольшие коррозионные разрушения сварных соединений стали локализованы в ЗТВ (см. рис. 7).

Рис. 5. Зависимость веса проб от времени коррозионного испытания после наплавки покрытия: 1) на постоянном токе, 2) импульсно - дуговым методом

Рис. 6. Зависимость скорости коррозии от времени испытания после наплавки покрытий: 1) на постоянном токе, 2) импульсно - дуговым методом

На образцах, сваренных методом адаптивной импульсно-дуговой сварки, картина коррозионного разрушения меняется. Ножевая коррозия отсутствует. Наблюдается коррозия в виде питтингов, локализованных на границе сварного шва.

б

в)

а

б

г)

Рис. 7. Макроструктура металла сварных соединений под покрытиями, наплавленными: а) на постоянном токе; б) импульсно - дуговым методом, в) продольный срез, г) поперечный срез

Выводы

1. Использование технологического процесса импульсно - дуговой наплавки стали 12Х18Н10Т позволяет при меньшем тепловом воздействии на шов и ЗТВ сварных соединений сталей формировать защитные покрытия с дисперсной структурой.

2. Покрытия с дисперсной структурой, полученные методом импульсно-дуговой наплавки, позволяют в 1,5-6 раз снизить скорость коррозии сварных соединений сталей 12Х18Н10Т в активных химических средах.

3. Результаты проведенных исследований можно рекомендовать для использования при наплавке защитных коррозионно-стойких покрытий на рабочие поверхности оборудования химических производств. Импульсный технологический процесс наплавки покрытий на сварные соединения сталей можно эффективно использоваться защиты от коррозии при ремонте оборудования химической промышленности.

*Работа выполнялась в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук РФ на 2013-2020 годы.

Список литературы

1. Фоминых В.П., Яковлев А.П., Ручная дуговая сварка. Издание седьмое исправленное и дополненное. - М.: Высшая школа. - 1986. - 366 с.

2. Ищенко Ю.С., Букаров В.А., Пищик В.Г. Оценка величины проплава при сварке неповоротных стыков // Сварочное производство. - 1981. - № 3. - С. 10-11.

3. Чернышов Г.Г. Влияние силового воздействия дуги на формирование шва/Проблемы прочности и технологии в сварке // Труды МВТУ. - 1981. - №363. - С. 92-101.

4. Лившиц А.С., Гринберг Н.А., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. М.: Машиностроение, 1969. - 188 с.

5. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

6. Каховский Н.И., Фартушный В.Г., Ющенко К.А., Электродуговая сварка сталей. Справочник. Киев. Наукова думка. - 1974. - 60. с.

7. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Селиванов Ю.В., Никонова И.В. Влияние режимов наплавки покрытий на коррозионную стойкость в кислых средах сварных соединений аустенитных сталей // Обработка металлов. - 2007. - № 2. - С. 33-36.

8. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. Влияние энергетических параметров сварки на структуру и свойства сварных соединений низколегированных сталей//Сварочное производство. - 1012. - № 8. - С. 3-5.

*Работа выполнена по проекту Российского научного фонда №16-19-10010.