Снижение неоднородности наплавленных швов при использовании модифицированных порошковых материалов

УДК 621.791

Д. И. Якубович, С. М. Фурманов

СНИЖЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ НАПЛАВЛЕННЫХ ШВОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ

МАТЕРИАЛОВ

UDC 621.791

D. I. Yakubovich, S. M. Furmanov

DECREASE IN HETEROGENEITY OF BUILT-UP WELDS WHEN USING MODIFIED POWDER MATERIALS

Аннотация

Представлены результаты исследований применения модифицированных порошковых материалов для изготовления наплавочных паст.

В качестве легирующих элементов использовали феррохром, ферромарганец, феррокремний, железный порошок. Сравнивали два варианта наплавки: с применением порошков в исходном состоянии и порошков, подвергнутых модификации. В наплавленном шве повысилась твердость, увеличилась его ширина и размеры зоны термического влияния. Использование синтезированных порошковых материалов позволило снизить химическую неоднородность наплавленных швов за счет минимизации неравномерности распределения легирующих элементов по объему расплава. Анализ структуры показал, что происходит изменение условий кристаллизации приграничных участков зерен.

Ключевые слова:

модифицированные материалы, наплавленные швы, неоднородность металла, композиционные наплавочные материалы, мелкодисперсные частицы металла.

Abstract

The paper presents the results of the research into using modified powder materials for the production of alloying pastes.

Ferrochrome, ferromanganese, and ferrosilicon were used as alloying elements, the rest being iron powder. Two techniques of deposit welding were compared: with use of powders in their initial state and powders subjected to modification. As a result of the use of these materials, the weld built up by argon arc welding with non-consumable electrode had greater hardness, an enlarged width of a built-up weld joint and an increased size of heat-affected zone. The use of synthesized powder materials reduces chemical heterogeneity of built-up welds due to the minimization of unevenness of distribution of alloying elements through the fusion zone. The analysis of the structure showed that there is a change of conditions of crystallization of boundary regions of grains.

Key words:

modified materials, built-up welds, heterogeneity of metal, composite alloying materials; fine-dispersed particles of metal.

Введение

Химическая и структурная неоднородность отрицательно отражается на служебных свойствах наплавленного металла: коррозионной стойкости, сопротивлении износа, склонности к

© Якубович Д. И., Фурманов С. М., 2016

хрупкому разрушению, ползучести. В машиностроительной отрасли ухудшение свойств наплавленного металла является важной проблемой. К основным факторам, влияющим на изменение данного показателя, относятся условия

остывания металла и его химический состав. Содержание химических элементов в шве зависит от сварочных материалов и порошковых компонентов, входящих в их состав.

Используемые порошкообразные наполнители, полученные традиционными методами, нашли широкое применение при изготовлении порошковых проволок [1-3], а также в качестве добавок к порошковым флюсам и в покрытия электродов [4, 5]. Возможности улучшения служебных свойств металлов и их прочностных характеристик при использовании в научной и практической сфере рассмотрены многими учеными [6]. Повышение работоспособности и служебных свойств наплавленного металла остается актуальной задачей сварочного производства.

Время существования сварочной ванны при дуговых процессах относительно мало и измеряется секундами или десятыми долями секунды. Этого времени может быть недостаточно для полного растворения порошковых материалов, входящих в состав наплавочной пасты, и выравнивания химического состава наплавленного металла вследствие диффузии и перемешивания сварочной ванны.

Дополнительные возможности в формировании химического состава наплавленного металла появляются при создании новых композиционных порошков, подвергнутых модификации перед добавлением в наплавочные материалы [7]. Предварительная подготовка порошкообразных компонентов наплавочных порошков, паст, порошковых проволок и электродных покрытий улучшает их взаимодействие с основным и наплавленным металлами в сварочной ванне. При этом снижается неоднородность шва, повышаются механические свойства и улучшаются эксплуатационные характеристики.

Одним из методов модификации порошковых материалов является механическое легирование, заключающееся

в интенсивной обработке порошков в энергонапряженных мельницах [8-13], позволяющее получать композиции без существенных ограничений по составу и числу компонентов.

Материалы, оборудование

и методика исследований

Исходные компоненты для получения композиционного порошка: ферро-кремний ФС75 (ГОСТ 1415-93), ферромарганец ФМн88А (ГОСТ 4755-91), феррохром ФХ850 (ГОСТ 4757-91), железный порошок (ГОСТ9849-86). Размеры частиц всех исходных порошков находились в диапазоне от 63 до 500 мкм. Распределение их размеров в процентном соотношении: от 63 до 100 мкм -78 %; от 100 до 160 мкм - 16 %; от 160 до 500 мкм - 6 %.

Для выявления свойств наплавленного шва, получаемого при использовании композиционных материалов, были изготовлены две партии наплавочной пасты. Соотношение исходных компонентов в шихте обоих вариантов: БеСг - 5 %; БеМи - 0,9 %; Бе81 - 1,5 %; Бе - 91,7 %. В качестве связующего компонента применяли силикатный клей. Шихта пасты первой партии представляла собой механическую смесь компонентов в исходном состоянии, шихта пасты второй - многокомпонентные мелкодисперсные композиционные гранулы, полученные методом механического легирования в механо-реакторе гирационного типа с водо-охлаждаемыми цилиндрическими помольными камерами объемом 1 дм3 каждая [8, 14]. В качестве размалывающих тел выступали стальные шары твердостью 62 НЯС. Размеры гранул после механического легирования находились в интервале от 4 до 32 мкм.

Для обеспечения равномерного перемешивания компонентов шихты их смешивание производили в смесителе «пьяная бочка» в течение 2,5 ч при частоте вращения 12 об/мин.

Перед проведением наплавочных работ поверхность изделия зачищали наждачной бумагой. Исходные и синтезированные компоненты шихты просушивали в течение 2 ч при температуре 80... 100 °С. После охлаждения шихту смешивали с силикатным клеем и в виде пасты наносили на пластины из стали 09Г2С размером 100 х 150 мм и толщиной 5 мм. Толщина наносимого слоя пасты составляла 1,9.2 мм, ширина -5.6 мм. Пасту готовили непосредственно перед процессом нанесения, который осуществлялся при комнатной температуре и нормальной влажности воздуха. Полученные образцы с нанесенным слоем пасты прокаливали в печи при температуре 150.170 °С. Затем пасту сплавляли с основным металлом в среде аргона при помощи аргонодуговой горелки с вольфрамовым электродом. Процесс осуществляли на постоянном токе при режимах: 1св = 110.120 А, Ид = 10.11 В, Ун = 7 м/ч, Угаза = 15 л/мин.

В качестве источника питания использовали универсальный сварочный источник питания инверторного типа Кешрр1 РБ-5000.

Твердость наплавленного слоя измеряли по методу Роквелла на твердомере ТР 5006-02 при предварительной испытательной нагрузке 98 Н и общей нагрузке 1471 Н.

Для проведения металлографических исследований использовали сканирующий микроскоп ТЕБСЛК-ЬЗИ с приставкой для энергодисперсионного микроанализа ШСЛ-ЕКЕКОУ и оптический микроскоп Ме1аш РВ-21.

Определение химических элементов в наплавленном шве осуществляли перпендикулярно оси шва на глубине 500 мкм от поверхности пластины с лицевой стороны шва. Измерение производили в пяти областях: на расстоянии 300.500 мкм от линии сплавления металла шва с основным металлом и далее каждые 500 мкм до центра шва (рис. 1).

И

О

о

ширина шва

про

500

мкм

, 500 мкм

Область определения химических элементов

«

и и

СЗ (Ц

И

и

Ю ев М О

а в,

Рис. 1. Схема расположения областей для химического анализа наплавленных швов

Выбранные области представляют собой участки площадью 250 х 250 мкм. На каждой указанной площади анализ

производился в трех точках, показанных на рис. 2.

' / С V

Щ1&Ш1 Ш .'-•  - -

• • г- . : .   - у -

г-'^'-у*' / ,

Щ

-Л'.," / ;

„ -Спегф -

Щ ш

Щ&ХЯА >  г ' . - - у-

Рис. 2. Определение содержания химических элементов в выбранных областях наплавленного шва

Результаты исследований

При проведении макроанализа было установлено увеличение ширины наплавленного шва. В исследуемых образцах первого и второго состава наплавочной пасты ширина наплавленного шва составила 6 и 7 мм соответственно. Было выявлено увеличение зоны термического влияния на 2...3 мм. В первом случае она составила 10,5.11 мм, во втором - 13.14 мм.

Измерение твердости показало, что первый состав пасты обеспечивал твердость 52.55 ИЯС, второй - 56.61 ШС. Разница составила в среднем 10 %, что можно объяснить модификацией и структурными изменениями металла наплавленного слоя.

Анализ распределения химических элементов в наплавленном шве показал, что содержание во всех случаях находится в пределах 0,9.1,2 % (рис. 3). При применении первого состава наплавочной пасты изменение содержания по сечению шва незначительно, с небольшим увеличением к центру шва от 0,9 до 1,2 %. В швах, выполненных с

использованием второго состава пасты, изменение содержания не наблюдалось и составляло в среднем 0,95 %.

При применении порошков без модификации по мере приближения к центру шва содержание Ми уменьшается с 2,0 до 1,3 % (см. рис. 3). При этом интенсивное уменьшение содержания Ми происходит на участке, прилегающем к линии сплавления, до 1200 мкм. В швах, выполненных с добавлением модифицированных компонентов, резких изменений содержания Ми в краевых частях шва не выявлено, по мере приближения к центру шва оно незначительно возрастает с 1,3 до 1,5 %.

При рассмотрении содержания хрома в образцах, выполненных с использованием первого состава пасты, наибольший интерес вызывает участок шва, прилегающий к линии сплавления, до 900 мкм. На данном участке наблюдается резкое изменение его содержания со значительным разбросом значений, в отдельных случаях значения отличаются в несколько раз. На расстоянии 900.1100 мкм от линии сплавле-

ния содержание Сг стабилизируется и находится в интервале 2,0.2,5 %. В образцах, выполненных с использованием

второго состава пасты, содержание Сг становится равномерным и находится в интервале 0,7.0,9 %.

2,5

и о п

о 2,0

СП

X

2 &

и <и

<о

к *

а $

§ О

1,5

1,0

0,5

±

_1_

_1_

_1_

_1_

500 1000 1500 2000 250( Ширина наплавленной зоны, мкм

Рис. 3. Распределение легирующих элементов в наплавленном металле: - первый вариант наплавочной

--- второй вариант наплавочной пасты

пасты

Отдельно рассматривалось среднее содержание легирующих элементов на всей протяженности наплавленного шва. Средний показатель определялся по сумме значений, полученных во всех измеряемых областях. Было установлено, что содержание и Мп в швах, выполненных с использованием первого и второго состава наплавки, остается приблизительно одинаковым и составляет для - 1,1 и 0,95 %, для Мп - 1,4 и 1,3 % соответственно. При рассмотрении содержания Сг следует отметить, что его среднее содержание снизилось в 2.3 раза.

Отличия в кристаллизационных процессах определяли при исследовании микроструктуры (рис. 4). По границам зерен имеются однородные четко выраженные скопления. При использовании первого состава пасты поперечник зерна равен 10. 18 мкм, при наплавке со вторым составом пасты этот параметр - 13.19 мкм. Во втором случае появляется более раздробленная структура с меньшим количеством крупных однородных образований на участках срастания зерен. Кроме этого, ширина границ зерна увеличилась в 1,5.2 раза и достигла 5 мкм.

Рис. 4. Микроструктура наплавленного шва: а - выполненного с металлическим порошком без модификации; б - выполненного с металлическим порошком, подвергнутым модификации

Обсуждение результатов исследований

Исследование структуры швов, выполненных с использованием первого и второго составов наплавочной пасты, показало, что в первом шве по границам зерен (см. рис. 4, а) имеются слабо различимые мелкие частицы и хорошо видные крупные однородные образования с четко отличающейся от тела зерна структурой, вызванные неоднородностью распределения более легкоплавких примесей и легирующих элементов между жидкой и твердой фазами в момент срастания кристаллов.

Во втором шве крупные образования присутствуют, но их количество меньше, чем в первом шве. В структуре границ зерен наблюдаются мелкие образования, они четко видны и их форма и размеры подобны форме и размерам частиц в теле зерна (см. рис. 4, б). Следовательно, в процессе кристаллизации в приграничные участки зерен оттесня-

ется жидкость с наименьшим отличием химического состава. Объем жидкости, идущий на образование зерна и его границ, имеет более высокую степень однородности. Увеличение ширины границ зерен в 1,5.2 раза свидетельствует о более раннем этапе начала их формирования в температурном интервале, более близком к температурам образования самого зерна.

Данные структурные изменения связаны с тем, что объем наплавочных паст, применяемых в промышленности (в данном случае первый состав пасты), готовится как смесь отличающихся друг от друга по химическому составу легирующих компонентов [15]. При таком подходе вероятность локальной концентрации частиц одного элемента по отношению к концентрации других легирующих элементов высока (рис. 5, а). Происходит их хаотичное распределение в жидком металле.

а)

б)

А В

С=А+В

Рис. 5. Распределение частиц легирующих элементов в объеме сварочной ванны: а - при использовании порошков без модификации; б - при использовании модифицированных порошков; А и В - частицы металла в исходном состоянии; С - модифицированная частица; Б - область растворения и диффузии элементов, входящих в состав частицы

Данное явление усугубляет кратковременность существования жидкой фазы в сварочной ванне, зависящее от ряда факторов: силы сварочного тока, объема сварочной ванны, скорости кристаллизации металла, находящейся в прямой зависимости от скорости наплавки и др. При ручной дуговой наплавке неплавящимся электродом средняя скорость сварки составляет 5.10 м/ч. С учетом средней температуры жидкой ванны 1,2.1,5 Тпл и её длины 7.10 мм средняя скорость кристаллизации металла составит 150 град/с, а время кристаллизации любой точки будет максимум 3,5 с. За это время любая частица должна не только расплавиться, но и равномерно распределиться по объему ванны. Если в качестве легирующих элементов применяются более тугоплавкие, чем железо, элементы, например хром и особенно вольфрам и молибден, на участках, прилегающих к линии сплавления, скорость кристаллизации будет ещё выше, а время существования жидкой фазы ещё меньше. Следовательно, легирующие элементы не успеют равномерно распределиться по

объему жидкой ванны. В таких условиях неизбежно будет возникать неоднородность химического состава закристаллизовавшегося металла.

Использование модифицированных порошковых материалов, имеющих равномерное распределение легирующих элементов в каждой частице, позволяет минимизировать неравномерность распределения легирующих элементов по объему расплава (рис. 5, б). Кроме этого, такие частицы имеют более высокую активность поверхности и низкую дисперсность, что приводит к их более быстрому растворению в сварочной ванне, а их атомы равномернее распределяются по объему жидкого металла.

Можно предположить, что при кристаллизации металла произойдут изменения фазовых переходов вещества из состояния переохлажденной жидкой среды в кристаллическую фазу. С учетом закона Гиббса более вероятно возникновение нонвариантной системы. В этом случае температура среды остается постоянной за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации [16].

Следовательно, размеры шва и зоны термического влияния должны увеличиваться, что и происходит при использовании синтезированных частиц: ширина шва возросла на 15.20 %, зона термического влияния - на 23.28 %.

Результаты химического анализа показали, что в швах, выполненных с использованием первого состава пасты, содержание Мп и Сг резко меняется в краевых участках наплавленного шва на расстоянии до 1000 мкм от линии сплавления. В этой области хрома содержится значительно меньше, а марганца больше, чем в центральной части шва.

Наиболее вероятной причиной пересыщения приграничных участков Мп и обеднения Сг является изменение условий первичной кристаллизации, когда из жидкого расплава образуется высо-

котемпературный феррит (5-феррит) [12]. Однако точные закономерности и природу данного явления предстоит ещё выяснить.

Выводы

Применение синтезированных порошковых материалов, используемых при изготовлении наплавочных паст, позволило повысить твердость и обеспечить химическую однородность наплавленного шва, а также повлиять на процессы структурообразования по границам зерен.

Выявлены новые возможности в повышении качества сварного соединения путем снижения неоднородности наплавленного металла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мойсов, Л. П. Метод прогнозирования технологических возможностей порошковых проволок / Л. П. Мойсов // Сварочное производство. - 2005. - № 8. - С. 26-29.

2. Винклер, Ф. Эффективное применение порошковых проволок при дуговой сварке / Ф. Винклер // Сварочное производство. - 2008. - № 1. - С. 41-44.

3. Походня, И. К. Исследование и разработка ИЭС им. Е. О. Патона в области электродуговой сварки и наплавки порошковой проволоки / И. К. Походня, В. Н. Шлепаков, С. Ю. Максимов // Автоматическая сварка. - 2010. - № 12. - С. 34-42.

4. Акулов, А. И. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки : учебник для вузов / А. И. Акулов. - 2-е изд. - М. : Машиностроение, 2003. - 560 с. : ил.

5. Куликов, В. П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки : учеб. пособие / В. П. Куликов. - Минск : Экоперспектива, 2003. - 415 с. : ил.

6. Теория сварочных процессов : учебник для вузов / А. В. Коновалов [и др.] ; под ред. В. М. Неровного. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. - 752 с.

7. Якубович, Д. И. Применение механически легированных порошков в качестве легирующих добавок при дуговой наплавке / Д. И. Якубович // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев, 2010. - С. 267.

8. Ловшенко, Г. Ф. Наноструктурные механически легированные материалы на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко, Б. Б. Хина ; под ред. д-ра техн. наук, проф. Ф. Г. Ловшенко. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2008. - 679 с.

9. Metallpulver und Verfahren zu seiner Herstellung : пат. 1909781 ФРГ, МКИ В 22 1/00 / J. S. Benjamin (ФРГ). - заявл. 01.03.68 ; опубл. 07.06.71. - 24 с.

10. Benjamin, J. S. Mechanical alloying / J. S. Benjamin // Scientific American. - 1976. - № 5. -Р. 40-48.

11. Фудзивара, М. Тенденции в разработке дисперсно-упрочненных оксидами сплавов на основе Fe / М. Фудзивара // Metals and Technol. - 1992. - Vol. 62, № 5. - С. 16-20.

12. Павлыго, Т. М. Размол порошковых компонентов карбидостали и их смеси а аттриторе / Т. М. Павлыго [и др.] // Порошковая металлургия. - 2004. - № 5-6. - С. 5-11.

13. Перспективные технологии / Под ред. В. В. Клубовича. - Витебск : ВГТУ, 2011. - 599 с.

14. Ловшенко, Ф. Г. Теоретические и технологические основы создания порошковых механически легированных алюминиевых и медных материалов : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.16.06 Ф. Г. Ловшенко. - Минск, 1998. - 44 с.

15. Якубович, Д. И. Влияние механически легированных композиционных порошковых материалов на свойства шва при дуговой наплавке / Д. И. Якубович, А. В. Шабловский // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев, 2011. - С. 247.

16. Материаловедение : учебник / В. А. Струк [и др.] ; под ред. В. А. Струк. - Минск : ИВЦ Минфина, 2008. - 519 с.

Статья сдана в редакцию 2 декабря 2015 года

Дмитрий Иванович Якубович, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: D.I.Yakubovich@mail.ru.

Сергей Михайлович Фурманов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: Pochta_furm@mail.ru.

Dmitry Ivanovich Yakubovich, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: D.I.Yakubovich@mail.ru.

Sergey Mikhailovich Furmanov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: Pochta_furm@mail.ru.