Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат наук Линник Антон Александрович

• Линник Антон Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Линник Антон Александрович

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА И ОСОБЕННОСТИ

ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Объект исследования и предъявляемые к нему требования

1.2. Способы повышения ударной вязкости сварных соединений

1.3. Описание принципов модифицирования металла шва

1.4. Анализ опробованных схем ввода тугоплавких наноразмерных модификаторов при реализации различных способов сварки

1.4.1. Ручная дуговая сварка и наплавка плавящимися покрытыми электродами

1.4.2. Полностью механизированная сварка под слоем флюса

1.4.3. Ручная дуговая сварка в инертном газе вольфрамовым электродом

1.4.4. Частично механизированная дуговая сварка в защитном газе плавящимся электродом

1.4.5. Лазерная сварка

1.4.6. Плазменно-порошковая наплавка

1.4.7. Электрошлаковая сварка и наплавка

1.5. Выводы главы

1.6. Цель и задачи исследования

Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИКАТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

2.1. Физико-химические свойства тугоплавких соединений, применяемых в качестве модификаторов

2.2. Моделирование фазового и химического равновесия

2.3. Термодинамический расчет возможных реакций WC с элементами сварочной ванны

2.4. Термодинамический расчет возможных реакций Т1К с элементами сварочной ванны

2.5. Термодинамический расчет возможных реакций А1203 с Стр' элементами сварочной ванны

2.6. Выводы по главе

Глава 3' МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Состав сварочных материалов, используемых при проведении исследований'

3.2. Методы исследования сварных соединений

3.3. Выбор схем сварки под флюсом с использованием разработанных порошковых проволок

3.4. Сварка под флюсом с дополнительной горячей присадкой

3.5. Двухдуговая сварка под флюсом с порошковой проволокой

3.6. Экспериментальная установка для сварки под флюсом с дополнительной горячей присадкой, содержащей наноразмерные модификаторы

3.7. Выводы по главе

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРИСАДКОЙ, В ВИДЕ ПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК, СОДЕРЖАЩИХ НАНОРАЗМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

4.1. Оценка макроструктуры сварных соединений, полученных с применением наноразмерных модификаторов

4.2. Оценка микроструктуры сварных соединений, полученных с применением наноразмерных модификаторов

4.3. Результаты испытаний металла шва на стойкость к ударному изгибу

4.4. Результаты фрактографических исследований образцов

4.5. Результаты исследований химического состава образцов

4.6. Анализ полученных результатов

4.7. Выводы по главе

Общие выводы по работе и заключение

Список литературы

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

НРЧ - наноразмерные частицы КГ - композиционные гранулы ОШЗ - околошовная зона МШ - металл шва Пс - проволока сплошного сечения ПП - порошковая проволока

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время активно ведется строительство опасных производственных объектов, таких как магистральные нефте и газо проводы, сосуды для хранения нефти и газа, мосты и др. Материалом для строительства таких объектов являются низколегированные низкоуглеродистые стали. Основная часть сварных соединений таких конструкций выполняется при помощи автоматизированной сварки под слоем флюса, как в заводских, так и в монтажных условиях.

Согласно отраслевым документам к сварным соединениям, опасных производственных объектов предъявляются повышенные требования к ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах.

Среди современных исследователей особое внимание к средствам повышения механических свойств сварного соединения, уделяется модифицированию металла шва и наплавленного металла тугоплавкими частицами наноразмерного диапазона. Исследования в этой области показывают увеличение пластических свойств металла шва и измельчение зерна, за счет резкого увеличения количества готовых центров кристаллизации в расплавленном металле. Стоит отметить, что модифицирование частицами, вводимыми извне, стало возможным лишь в последние несколько лет, с появлением на рынке тугоплавких наноразмерных частиц.

Однако реализация различных способов сварки опробованных другими исследователями в основном предполагает прохождение частиц через дуговой промежуток, кроме того авторами указывается количество вводимых частиц по отношению к сварочным материалам, что делает невозможным определение количества частиц необходимых для достижения заданных механических свойств металла шва.

Исходя из вышеперечисленного предлагается создание порошковой проволоки, содержащей в своем составе композиционные гранулы на основе микроразмерного порошка никеля, механически перемешанного в планетарной

мельнице с наноразмерными тугоплавкими частицами. Кроме того, для исключения влияния сварочной дуги, проволоку необходимо подавать в низкотемпературную зону сварочной ванны в качестве дополнительной присадки. Для решения такой задачи подходит способ сварки с дополнительной горячей присадкой.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается его выполнением в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме «Разработка принципов модифицирования металла шва сварных соединений низкоуглеродистых низколегированных сталей за счет применения наноразмерных частиц» (Соглашение № 14.548.21.0216 от 28.09.2016 г., уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0216).

Цель работы - повышение ударной вязкости металла шва сварных соединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей за счет применения порошковых проволок, содержащих наноразмерные тугоплавкие частицы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и общих выводов, и списка литературы из 84 наименований.

В первой главе описаны основные производственные объекты, на которые ориентирована работа, определены требования к сварным соединениям опасных производственных объектов. Проведена классификация принципов модифицирования литой структуры металлов и выделены особенности применения модификаторов при сварке. Определено, что наибольшим потенциалом обладают тугоплавкие соединения наноразмерного диапазона работающие по принципу инокулянтов. Произведен анализ публикаций, посвященных модифицированию наплавленного металла и металла шва наноразмерными частицами при реализации различных способов сварки. Выбраны наиболее перспективные сварочные материалы, применяемые для

модифицирования металла шва наноразмерными тугоплавкими модификаторами' Сформулированы задачи работы'

Вторая глава посвящена выбору тугоплавких соединений наноразмерного диапазона удовлетворяющих требованиям к модификаторам инокулирующего типа и моделированию их поведения в расплаве сварочной ванны' В качестве модификаторов выбраны такие соединения как карбид вольфрама, нитрид титана и оксид алюминия. Моделирование поведения тугоплавких соединений проведено на основе термодинамических расчетов фазово-химического равновесия системы, включающей в себя непосредственно тугоплавкое соединение и элементы, входящие в состав сварочной ванны. Определен диапазон температур, при котором тугоплавкие соединения вступают в реакцию с элементами сварочной ванны и возможный состав продуктов взаимодействия.

Третья глава посвящена выбору и обоснованию составов сварочных материалов в виде порошковых проволок, содержащих наноразмерные модификаторы. Определены схемы ввода порошковой проволоки в различные температурные области сварочной ванны при реализации сварки под флюсом. Разработана методика исследования образцов изготовленных при помощи сварки под флюсом с применением разработанных материалов. Спроектирована и модернизирована лабораторная установка на базе подвесного автомата для сварки под флюсом, обеспечивающая возможность сварки с дополнительной горячей присадкой и двухдуговую сварку.

В четвертой главе представлены результаты исследований, проведенных в соответствии с разработанной методикой.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись расчетные и экспериментальные методы исследований.

Расчетные методы включали в себя моделирование поведения тугоплавких соединений карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия в расплаве сварочной ванны при помощи программного комплекса моделирования фазового и химического равновесия «Терра», реализующего расчет сложных термодинамических систем.

Экспериментальные исследования включали испытания металла шва образцов изготовленных с применением сварочных материалов, содержащих наноразмерные модификаторы на ударный изгиб при отрицательных температурах. Также проведены металлографические исследования металла шва и фрактографические исследования поверхностей разрушения с измерением химического состава.

Достоверность результатов и выводов подтверждается использованием апробированных методик, современного поверенного оборудования, совпадением расчётных и экспериментальных данных.

Ценность выполненных исследований: показана перспективность применения наноразмерных частиц карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия для модифицирования металла шва при автоматической сварке под флюсом с применением порошковых проволок с целью повышения ударной вязкости. Даны практические рекомендации по применению порошковых проволок содержащих наноразмерные частицы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что при введении наноразмерных частиц нитрида титана и оксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны, в металле шва образуются микропоры, в связи с диссоциацией вводимых частиц под действием температуры сварочной ванны;

2. Установлено, что наноразмерные частицы карбида вольфрама сохраняют свою стабильность при введении их в хвостовую часть сварочной ванны и приводят к незначительному увеличению среднего значения ударной вязкости металла шва (около 10%), но при этом приводит к существенному снижению разброса ее значений на 40% и 86% при введении частиц 0,03мас.% и 0,07мас.% соответственно. Влияние наноразмерных частиц карбида вольфрама на ударную вязкость металла шва связано с уменьшением среднего значения ширины первичных кристаллов металла в 2 раза и снижением разброса этих значений;

3. Применение наноразмерных частиц нитрида титана при их введении через хвостовую часть сварочной ванны приводит к росту среднего значения ударной вязкости металла шва на 43% и 65% при введении 0,03мас.% и 0,07мас.% соответственно, за счет модифицирующего действия сохранившихся наноразмерных частиц, а также за счет микролегирования металла шва титаном. При этом наблюдается увеличение разброса значений ударной вязкости, что связанно с наличием микропор, размером не более 12 мкм, в металле шва.

4. Применение наноразмерных частиц оксида алюминия при их введении через хвостовую часть сварочной ванны приводит к росту среднего значения ударной вязкости металла шва на 42% при введении 0,07мас.%, за счет модифицирующего действия сохранившихся наноразмерных частиц, а также за счет микролегирования металла шва продуктами частичной диссоциации оксида алюминия. При этом наблюдается увеличение разброса значений ударной вязкости, что связанно с наличием микропор, размером не более 17 мкм, в металле шва.

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования, подтверждающие возможность химического взаимодействия тугоплавких соединений карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия с элементами сварочной ванны;

2. Результаты экспериментальных исследований, направленных на определение технологических возможностей дуговой сварки под флюсом с дополнительной горячей присадкой. Доля участия ДГП в наплавленном металле не должна превышать 50% для однопроходной сварки и 59% для многопроходной;

3. Результаты исследований влияния наноразмерных частиц WC, TiN и А1203 на структуру металла шва, при их введении через электродную и присадочную проволоку;

4. Результаты исследования влияния наноразмерных частиц WC, TiN и А1203 на ударную вязкость металла шва, при их введении через электродную и присадочную проволоку;

Практическая значимость работы заключается в том, что предложен вариант введения наноразмерных частиц карбида вольфрама, нитрида титана и оксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны при автоматической сварке под флюсом. Показана нецелесообразность использования предложенных порошковых проволок в качестве электродных при сварке под флюсом. Установлено, что количество порошковой проволоки, подаваемой в хвостовую часть сварочной ванны не должно превышать 50% от наплавленного металла в связи с нарушением формирования сварного шва. Результаты работы были использованы при разработке электродной и присадочной порошковой проволоки, содержащей наноразмерные частицы в шихте.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научном семинаре кафедры технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2016 г.), Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2015 и 2016 г.). Международной научно-практической конференции «Технические науки: научные приоритеты ученых» (г. Пермь, 2016), III Международной научно-практической конференции «Новые технологии и проблемы технических наук» (г. Красноярск, 2016 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 6 научных статей, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Глава 1. МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА И ОСОБЕННОСТИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Объект исследования и предъявляемые к нему требования

В настоящее время активно ведется строительство опасных производственных объектов, таких как магистральные нефте и газо проводы, резервуары для хранения нефти, мосты. В зависимости от региона в котором ведется строительство таких объектов они могут подвергаться значительным перепадам температур от -50°С до +40°С. Среди материалов, используемых для строительства таких объектов широко применяются низкоуглеродистые низколегированные стали, обладающие достаточным запасом пластичности и прочности. Стоит отметить, что значительная часть сварных соединений таких объектов выполняется при помощи автоматической сварки под слоем флюса, притом, как в заводских, так и в монтажных условиях. К сварным соединениям таких объектов предъявляются требования, связанные с определением пластичности металла шва и околошовной зоны, такие как: испытания на разрыв, загиб и ударную вязкость, а также требования, связанные с нормами дефектности соединения. При том единственным испытанием, показывающим возможность эксплуатации сварных соединений при отрицательных температурах, является испытание на ударную вязкость с образцами, предварительно охлажденными до необходимой температуры. Температура испытания образцов подбирается согласно требованиям нормативно технической документации в зависимости от типа объекта, условий его эксплуатации и используемых материалов.

Согласно нормативно технической документации, к сварным соединениям перечисленных выше объектов предъявляются различные требования по ударной вязкости металла шва. Так сварные соединения стальных резервуаров для хранения нефти из сталей с пределом текучести до 360 МПа должны обеспечивать уровень ударной вязкости металла шва не менее 35 Дж/см2 при

испытании образцов с острым надрезом (KCV) при температуре испытаний «минус» 20°С. В Таблице 1 представлены требования к некоторым объектам.

Таблица 1.

Требования к уровню ударной вязкости металла шва для различных

объектов

№ п/п Наименование объекта Ударная вязкость металла шва Температура испытаний Ссылка

1. Стальные резервуары для хранения нефти не менее 35 Дж/см2 для сталей с пределом текучести до 360 МПа «минус» 20 °С [1]

не менее 50 Дж/см2 для сталей с пределом текучести свыше 360 МПа

2. Магистральный нефтепровод не менее 49 Дж/см2 для К54 (среднее арифмет, минимальное значение меньше на 5 от номин.) «минус» 20 °С [2]

не менее 62 Дж/см2 для К54 -К56 (среднее арифмет, минимальное значение меньше на 5 от номин.)

Среднее 56 Дж/см2, мин 42 для К56 [3]

Среднее не менее 62 Дж/см2 минимальное 47 Дж/см2 [4]

3. Магистральный газопровод не менее 50 Дж/см2 для р=8,3.. .9,8 МПа (минимально 37) «минус» 20 °С [5]

не менее 34,4 Дж/см2 для р=1,2...8,3 МПа (минимальное 29,4)

4. Стальные конструкции мостов Не менее 29 Дж/см2 KCU «минус» 40 °С [6]

Как видно из Таблицы 1 наибольшее распространение имеют испытания на ударную вязкость образцов с острым надрезом (KCV) при температуре испытания минус 20°С. Так минимально допустимо значение ударной вязкости на уровне 35 Дж/см2 для резервуаров для хранения нефти и 34,4 Дж/см2 для магистральных газопроводов.

В рамках предварительных работ были проведены исследования, направленные на определение уровня ударной вязкости металла шва сварных соединений низкоуглеродистых низколегированных сталей, обеспечиваемого современными сварочными материалами, при реализации автоматической сварки под флюсом.

Испытания проводили в соответствии с [7] на образцах типа IX и X при температуре испытаний «минус» 20оС. Образцы изготавливали из сварных соединений плоских заготовок толщиной 19 мм из низкоуглеродистой стали типа Ст3пс. Сварное соединение выполнялось на остающейся подкладке согласно соединению С19 по [8].

Так как при дуговой сварке под флюсом к сварочным материалам относятся электродные проволоки и сварочные флюсы. Следовательно, сочетание этих сварочных материалов определяет химический состав и механические свойства металла шва. Для исследований применялись как отечественные, так и зарубежные сварочные флюсы. В Таблице 2 представлены опробованные сочетания проволока/флюс и параметры режима сварки.

Таблица 2.

Комбинации проволока/флюс и режимы сварки КСС способом АФ

Сварочная проволока Диаметр проволоки, мм Флюс Сварочный ток А Напряжение, В Скорость сварки, м/ч

PipeHner LA-85 3,2 Pipeliner 860 350-600 27-33 25-28

L61 3,2 LE-860 350-600 27-33 25-28

Св-08ГА 3,0 UF-02M 350-380 28-32 25-28

4,0 360-420 29-34 25-28

Св-10НМА 3,0 UF-02M 350-380 28-38 25-28

4,0 360-420 29-34 25-28

Результаты исследований ударной вязкости изготовленных образцов представлены на Рис. 1.1. Как видно, применением опробованных комбинаций проволока/флюс возможно обеспечить ударную вязкость металла шва в диапазоне от 39 до 150 Дж/см2. Однако следует отметить существенный разброс

значений ударной вязкости, который может составлять от 36 до 117% от минимального значения. При этом наибольшие значения ударной вязкости были получены для металла шва, выполненного комбинацией проволока/флюс, обеспечивающей модифицирование металла шва молибденом или его легирование никелем.

160

Pipeliner 860 LE-860 UF-02M UF-02M UF-02M UF-02M

ИpeHner LA-85 3,2 L61 3,2 Св-08ГА 3,0 Св-08ГА 4,0 Св-10НМА 3,0 Св-10НМА 4,0

Рис. 1.1.

Ударная вязкость металла шва КСС, выполненных способом АФ при температуре испытаний «минус» 20 °С

Существенный разброс значений ударной вязкости, возникающий в рамках одного сварного шва, является важнейшей проблемой. Это связано с непостоянством химического состава сварочных материалов, а также ростом размеров дендритов при кристаллизации сварочной ванны большого объема, характерной для сварки под флюсом.

Полученные результаты показывают перспективность работ, направленных на создание сварочных материалов, позволяющих повысить стабильность значений ударной вязкости при сохранении средних значений не ниже 50 Дж/см2 при температуре испытаний «минус» 20 °С.

1.2. Способы повышения ударной вязкости сварных соединений

На настоящее время существует множество способов повышения ударной

вязкости металла шва и околошовной зоны. Их можно разделить на технологические, металлургические и комплексные приемы.

К технологическим приемам относятся различные наборы мер направленных на управление количеством вводимого тепла и скорости охлаждения изделий, как во время проведения сварочных работ, так и после них, к ним можно отнести следующие:

- подбор параметров режима сварки с целью уменьшения вводимой погонной энергии (в том числе импульсно дуговые процессы);

- выбор последовательности заполнения разделки;

- назначение термообработки изделия;

- и т.д.

Технологические приемы позволяют влиять как на механические свойства металла шва, так и на свойства металла околошовной зоны. Однако их применение зачастую связано с уменьшением производительности сварки, а термообработка крупногабаритных изделий не всегда целесообразна в связи с ее сложностью.

Металлургические приемы в то же время направлены на химическое воздействие на металл шва через сварочные материалы. К металлургическим приемам можно отнести следующие:

- рафинирование металла шва;

- легирование и микролегирование;

- модифицирование.

Однако данные приемы позволяют воздействовать только на объем расплавляемого металла, то есть металл шва. А применение сварочных материалов, содержащих легирующие элементы, такие как никель и молибден, приводит к существенному удорожанию самих материалов и как следствие сварочных работ.

К комплексным приемам относятся способы сварки, такие как сварка с металлохимической присадкой (МХП) и сварка с дополнительной горячей присадкой (ДГП) (Рис. 1.2.). В силу применения дополнительного присадочного

материала эти способы сварки позволяют уменьшить количество тепла, вводимого в сварное соединение в процессе сварки, без уменьшения производительности процесса. Кроме того, возможно металлургическое воздействие на металл шва через дополнительный присадочный материал.

а) б)

Рис. 1.2.

Комплексные приемы при сварке под флюсом а) сварка с МХП, б) сварка с ДГП

Оба способа позволяют дозировать количество дополнительной присадки вводимой в единицу длины шва, а, следовательно, и количество элементов, обеспечивающих металлургическое воздействие на металл шва. Однако для способа сварки с металлохимической присадкой характерна сложность ее дозирования, вследствие чего может наблюдаться неравномерность механических свойств по длине сварного соединения.

Наибольший потенциал по увеличению ударной вязкости сварных соединений при сварке под флюсом имеет способ сварки с дополнительной горячей присадкой. В этом случае дополнительный материал подается в сварочную ванну независимо от основного в виде проволоки, что упрощает его дозирование. Кроме того, существует возможность подавать проволоку в различные участки сварочной ванны, воздействуя тем самым на ее форму объем и скорости охлаждения различных участков.

Из способов металлургического воздействия наибольший интерес представляет модифицирование металла шва различными элементами. При

модифицировании вводятся элементы в количестве сотых долей от объема расплава. Модифицированием можно значительно измельчить размер зерен расплава в процессе его кристаллизации и тем самым повысить его пластические свойства.

Совокупное использование способа сварки с дополнительной горячей присадкой и модифицирования может существенно повлиять на механические свойства металла шва при реализации сварки под флюсом низкоуглеродистых низколегированных сталей.

1.3. Описание принципов модифицирования металла шва

Одним из перспективных путей воздействия на механические свойства литого металла является его модифицирование. Модифицированием называется измельчение структуры металлов и сплавов при помощи примесей, называемых модификаторами, специально вводимых в расплав или формирующихся в нем под влиянием добавок [9]. Притом количество вводимых элементов составляет не более 0,1 мас. %[10]. Данный опыт хорошо представлен в работах, посвященных процессам литья [11-14]. Согласно работам, посвященным вопросам модифицирования литого металла имеют место различные механизмы протекания процесса, что зависит от вида модификатора и условий, при которых протекает реакция [15]. Таким образом, модификаторы делятся по принципу взаимодействия с расплавом на ингибиторы (Рис. 1.3., Рис. 1.1, а), или ограничители роста кристаллов и инокулянты (Рис. 1.3., Рис. 1.1, б), или центры кристаллизации.

Ингибиторы так же делят по типу примесей на поверхностно-активные элементы, эвтектики и тугоплавкие частицы. Это разделение связано с физико-химическими свойствами примесей и соединений, которые они образуют в расплаве.

Поверхностно-активными элементами называют примеси, адсорбируемые отдельными гранями растущих кристаллов [16]. Благодаря избирательности их адсорбции отдельными гранями растущего кристалла такого рода примеси

способны не только тормозить рост кристаллов, но также влиять на его морфологию. Например, препятствовать развитию кристаллов игольчатой или пластинчатой формы, способствовать сфериодизации избыточной фазы.

а) б)

Рис. 1.3.

Кристаллизация расплава по схеме а) сдерживания роста кристаллитов б) создания большего числа зародышей кристаллизации

Примером поверхностно-активных элементов для сплавов на основе железа может служить бор (В) [17].

Эвтектики - создают прослойки по границам растущих дендритов, притом их температура кристаллизации меньше, чем у основного металла, таким образом, осуществляется полная изоляция растущих дендритов от остальной части жидкого металла, что приводит к сдерживанию развития дендритов и получению равноосных зерен [15].

При выборе модификаторов такого рода следует учитывать следующие рекомендации [2]:

- модифицирующая добавка должна образовывать с основой сплава эвтектику, с температурой, близкой к температуре плавления основного сплава.

- модифицирующая добавка должна иметь низкий коэффициент распределения в кристаллизующемся веществе, что вызовет концентрацию атомов модификатора вблизи поверхности кристалла.

Примером модификаторов эвтектического типа для алюминиевых сплавов может служить медь.

Однако, применение такого рода модификаторов ограничено, так как присутствие составляющих эвтектического типа повышает чувствительность металла шва к появлению горячих трещин.

Тугоплавкие частицы, так же как эвтектики, могут осаждаться на границах растущих кристаллов и сдерживать их рост путем изоляции растущего дендрита от окружающего жидкого металла [10,18]. В этом случае наблюдается интенсивное уменьшение размера кристаллов при значительном количестве модификатора (несколько десятых долей масс.% ), однако, возникает опасность снижения ударной вязкости в следствие осаждения хрупких тугоплавких соединений по границам зерен. Так при модифицировании стали титаном в работе [19] наблюдали эффект модифицирования при введении титана около 0,5 мас. % и констатировали склонность металла шва к хрупкому разрушению, за счет концентрации карбидов и нитридов титана по границам зерен.

Инокулянты в свою очередь разделяют также по принципу работы вводимого модификатора на «холодильники» и тугоплавкие частицы.

Под «холодильниками» (инокуляторами) подразумеваются элементы оказывающие охлаждающее воздействие на кристаллизующийся расплав [20]. Большой темп охлаждения способствует росту скорости кристаллизации и уменьшению развития ликвационных процессов, что благоприятно отражается на структуре.

Примером модификаторов такого рода могут служить частицы металла близкого по химическому составу к основному, добавляемые в расплав в процессе его охлаждения. Размер частиц подбирается таким образом, чтобы в результате их подплавления, до падения температуры расплава близкой к

температуре кристаллизации, их размер превышал критический размер зародыша кристаллизации. Тем самым искусственно увеличивается количество готовых центров кристаллизации, что приводит к диспергированию структуры [21].

Примером применения такого принципа модифицирования при сварке сталей может служить сварка под флюсом с дополнительной порошковой присадкой [22].

К минусам применения модификаторов этого типа можно отнести большую вероятность увеличения загрязнения металла неметаллическими включениями, в основном оксидами [20], а также потребность выдерживания определенного темпа охлаждения расплава.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Линник Антон Александрович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РД-25.160.10-КТН-015-15 Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Часть 1. Сварка при строительстве и ремонте стальных вертикальных резервуаров. Москва, 2015. 150 с.

2. РД-25.160.00-КТН-037-14 Сварка при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов. Москва, 2014. 153 с.

3. СТТ-08.00-60,30,00-КТН-031-1-05. Дополнение к РД 153-006-02 «сварка при строительстве магистрального нефтепровода «восточная сибирь - тихий океан » Специальные технические требования. Москва, 2005. 145 с.

4. Дополнения к РД-08.00-60.30.00-КТН-050-1-05. Сварка при строительстве нефтепровода БТС-2. Специальные технические требования. Москва, 2007. 96 с.

5. СТО Газпром 2-2.2-136-2007. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть 1. Москва, 2007. 206 с.

6. СТО-ГК «Трансстрой»-005-2007. Стальные конструкции мостов. Технология монтажной сварки. Москва, 2017. 162 с.

7. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. Москва: Стандартинформ, 2006. 45 с.

8. ГОСТ 8713-79. Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, контруктивные элементы и размеры. Москва: Стандартинформ, 2006. 39 с.

9. Панов А.Г. Стабильное модифицирование высокопрочных чугунов: метод, модификаторы, технологии. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 348 с.

10. Влияние нанопорошковых инокуляторов на структуру и свойства сплава AlSi7Mg / В. Манолов [и др.]// Литейное производство. 2011. № 11 С. 11-14.

11. Пат. 7509993 США. Semi-solid forming of metal-matrix nanocomposites/ L.S.Turng, M.P.DeCicco, X.Li. Опубл. 31.03.2009.

12. Пат. 6939388 США. Method for making materials having artificially dispersed nano-size phases and articles made therewith/ T.M.Angeliu. Опубл. 06.09.2005.

13. Пат. 2579329 РФ. Способ измельчения зерна стали в поверхностном слое отливки/ С.С.Кузовов. Опубл. 04.10.2016.

14. Пат. 20050000319 США. Process for producing materials reinforctd with nanoparticles and articles formed thereby/ S.C.Huang et al. 06.01.2005.

15. Алов А.А., Бобров Г.В. Модифицирование металла шва при сварке аллюминия // Сварочное производство. 1959. Вып. №6. С. 1-6.

16. Гольдштейн Я. Е. Мизин В.Г. Инокулирование железо - углеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1993. 416 с.

17. Гольдштейн Я. Е. Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

18. Болдырев А.М. Взаимодействие диоксида титана со сварочной ванной при автоматчиеской сварке под флюсом стали 10ХСНД с металлохимической присадкой/ А.М. Болдырев// Сварочное производство. 2014. №9. С. 14-19.

19. Особенности модифицирования титаном сварных швов при автоматической сварке среднеуглеродистой стали / К.К. Хренов [и др.]// Сварочное производство. 1959. № 6. С. 6-8.

20. Кузнецов М.А., Колмогоров Д.Е., Зернин Е.А. Управление структурой и свойствами металлов методом модифицирования (обзор) // Технология машиностроения. 2012. № 2. С. 5-8.

21. Моделирование процесса растворения ультрадисперсных порошков для определения их оптимальных размеров при регулируемой кристаллизации расплава/ А.И. Троцан [и др.]// ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет». 2010. №20. С. 61-66.

22. Ивочкин И.И. Малышев Б.Д. Сварка под флюсом с дополнительной присадкой. М.: Стройиздат, 1981. 175 c.

23. Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов // Омский научный вестник. 2009. №3. С. 63-67.

24. Кривоносова Е.А. Модифицирование и формирование структуры металла сварных швов низкоуглеродистых сталей: дисс. ... доктора техн. наук. Пермь, 2005. 266 c.

25. Development of high-strength steels for bolts / Kubota M. et al // Nippon Steel Technical Report №91 January 2005 P. 62-66.

26. Влияние модифицирования редкоземельными металлами на механические и коррозионные свойства низколегированных сталей / А.В. Иоффе [и др.]// Вектор науки ТГУ. 2010. №4(14). С. 41 - 46.

27. Исследование прочности сцепления частиц в модифицирующей присадке для сварки мостовых конструкций под флюсом/ А.М. Болдырев [и др.]// Нанотехнологии в строительстве. 2012. №2. С. 56-69.

28. Влияние нанодисперсных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла/ Г.Н. Соколов [и др.]// Сварка и диагностика. 2011. №3. С. 36-38.

29. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама/ Г.Н. Соколов [и др.]// Физика и химия обработки материалов. 2009. № 6. С. 41-47.

30. Феноменологическая модель формирования центров кристаллизации в металлическом расплаве при сварке под влиянием ультрадисперсных тугоплавких компонентов/ Г.Н. Соколов [и др.]// Вопросы материаловедения. 2015. № 4(84). С. 159-168.

31. Makarov S. V., Sapozhkov S.B. Production of electrodes for manual arc welding using nanodisperse materials // World Appl. Sci. J. 2014. Vol. 29, № 6. P. 720-723.

32. Makarov S. V., Sapozhkov S.B. Use of complex nanopowder (Al2O3, Si, Ni, Ti, W) in production of electrodes for manual arc welding // World Appl. Sci. J. 2013. Vol. 22, № SPL.ISSUE2. P. 87-90.

33. Makarov S.V., Gnedash E.V., Ostanin V.V. Comparative characteristics of standard welding electrodes and welding electrodes with the addition of nanopowders // Life Sci. J. 2014. Vol. 11. P. 414-417.

34. Технологические свойства покрытых электродов, изготовленных с применением нанопорошка сложного состава /С.В. Макаров [и др.]// Перспективы науки. 2015. № 1. С. 79-82.

35. Структура и свойства низкоуглеродистого металла, наплавленного под керамическим флюсом, содержащим композиционные микрогранулы М-нанодисперсный WC / А.С.Трошков [и др.]// Известия ВолгГТУ. 2012. №6. С. 187-190.

36. Получение металлохимической присадки с нанодисперсными частицами диоксида титана/ А.М. Болдырев [и др.]// Нанотехнологии в строительстве. 2013. №6. С. 53-66.

37. Получение металлохимической сварочной присадки с нанодисперсными частицами диоксида титана / А.М. Болдырев [и др.]// Нанотехнологии в строительстве. 2013. № 6. С. 53-66.

38. Композиционные проволоки для наплавки сплавов на основе алюминидов никеля и титана/ И.В. Зорин [и др.]// Сварка и диагностика. 2011. №3. С. 31-35.

39. Влияние нанодобавок на структуру и свойсвта мателла швов при сварке высокопрочных низколегированных сталей/В.Д. Кузнецов [и др.]// Прогрессивш технологи i системи машинобудувания. 2013. № 46. С. 143-150.

40. Строение, морфология и дисперсность металла, наплавленного дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии наноструктурированных модификаторов/ М.А. Кузнецов [и др.]// Сварка и диагностика. 2012. № 6. С. 8-10.

41. Литвиненко-Арьков В.Б., Соколов Г.Н., Кязымов Ф.А. Структура и свойства термостойкого металла, наплавленного порошковыми проволоками с наночастицами TiCN // Известия ВолгГТУ. 2012. № 6(9). С. 194-197.

42. Структура и свойства наплавленного металла системы С-Ре-Сг-М-Мо-Т1-N^0/ В.Б. Литвиненко-Арьков [и др.] //Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 1619.

43. Литвененко-Арьков В.Б. Аргонодуговая наплавка порошковой проволокой с наночастицами TiCN поверхности оправок трубопрошивного стана: автореферат ... канд. техн. наук. Волгоград, 2012. 19 с.

44. Черепанов А.Н., Оришич А.М., Шапеев В.П. Лазерная сварка металлов и сплавов с применением нанопорошковых модифицирующих добавок. Теория, эксперимент // Физическая мезомеханика. 2013. № 1. С. 91-104.

45. Влияние нанодисперсных частиц A12O3 на структурно-фазовое состояние покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC, полученных плазменно-порошковой наплавкой/ А.Н. Смирнов [и др.]// Сварка и диагностика. 2012. № 5. С. 32-37.

46. Исследование износостойкости упрочняющих покрытий системы Ni-Cr-B-Fe/WC модифицированных A12O3/ К.В. Князьков [и др.]// Ползуновский альманах. 2013. № 1. С. 169-171.

47. Князьков К.В. Разработка технологии модифицирования износостойкости покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC в процессе плазменно-порошковой наплавки: дисс ... канд. техн. наук. Барнаул. 2015. 125 с.

48. Структурно-фазовове состояние и поля внутренних напряжений в износостойких покрытиях системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC и покрытиях, модифицированных наноразмерными частицами A12O3. Часть 1. Материалы, методы исследований и роль химических элекментов / А.Н.Смирнов [и др.]// Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2012. № 4. С. 106-111.

49. Структурно-фазовове состояние и поля внутренних напряжений в износостойких покрытиях системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC и покрытиях, модифицированных наноразмерными частицами A12O3. Часть 3. Структура, фазовое состояние и поля внутренних напряжений в исследованных об/ А.Н. Смирнов [и др.]// Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2012. № 6. С. 75-79.

50. Структурно-фазовое состояние и поля внутренних напряжений в износостойких покрытиях системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC и в покрытиях, модифицированных наноразмерными частицами A12O3. Часть 2. Материалы, методы исследваний и роль химических элементов. / А.Н. Смирнов. [и др.]// Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2012. №5. С. 87-91.

51. Применение сварки для изготовления кольцевых заготовок из жаропрочных никелевых сплавов/ Е.Н. Еремин [и др.]// Вестник ЮУрГУ. Серия "Металлургия". 2015. № 15 (1). С. 57-60.

52. Электрошлаковая наплавка поверхностей изделий композиционным износостойким сплавом /А.А. Артемьев [и др.]// Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 4-2. С. 7-9.

53. Антонов, А.А. Разработка технологии аргонодуговой наплавки абразивостойкого до 500 °С сплава с введением модификатора в сварочную ванну: автореферат ... канд. техн. наук. Волгоград. 2016. 19 с.

54. Гущин, Д.А. Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой: автореферат ... канд. техн. наук. Москва. 2017. 17 с.

55. Особенности взаимодействия экзогенных наночастиц тугоплавких фаз с ПАВ в модельном расплаве никеля с учетом размерного фактора/ С.Н. Анучкин [и др.]// Российские нанотехнологии. 2012. Т. 7, № 7-8. С. 73 - 79.

56. Влияние микрочастиц диборида титана и наночастиц карбонитрида титана на структуру и свойства наплавленного металла /А.А. Артемьев [и др.]// Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 12. С. 32-37.

57. Модифицирование непрерывнолитой стали нанопорошками тугоплавких соединений/ В.П. Комушков [и др.]// Сталь. 2009. №4. С. 65-68.

58. Исследование модифицирования металла нанопорошковыми инокуляторами в кристаллизаторе сортовой машины непрерывного литья заготовок. Теоретическое обоснование/ В.П. Комушков [и др.]// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008. №8. С. 10-11.

59. Комушков В.П., Черепанов А.Н. Протопопов Е.В. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывной заготовки // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2010. №8. С. 57-64.

60. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов/ М.Р. Предтеченский [и др.]// Литейщик России. 2010. № 3. С. 28-29.

61. Гущин Д.А., Гребенчук В.Г., Гребенчук И.В. Анализ и поиск перспективных направлений модифицирования металла сварных швов при автоматической сварке под флюсом мостовых металлоконструкций // Современные решения обеспечения безопасности мостов. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 261. М., ОАО ЦНИИС, 2011. С. 18 - 25.

62. Трошков, А.С. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама // Ползуновский альманах. 2009. № 2. С. 72-75.

63. Самсонов Г.В. Физическое материаловедение карбидов. Киев. Наукова думка, 1974. 456 с.

64. Самсонов Г. В. Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения (справочник). 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1976. 558 с.

65. Самсонов Г. В. Нитриды. Киев. Наукова думка, 1969. 380 с.

66. Линсен Б.Г. Строение и свойства адсорбентов и катализаторов. //Мир. 1973. 648 с.

67. Сварочные материалы для дуговой сварки: Справочное пособие: В 2-х т. Т. 1. Защитные газы и сварочные флюсы. / Н.Н. Потапов [и др.] // М.: Машиностроение, 1989. 544 с.

68. ГОСТ 9467-75. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы. Москва: Издательство стандартов, 2008. 7с.

69. ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Москва: Стандартинформ, 2007. 11 с.

70. ГОСТ 2246-70. Проволока стальная сварочная. Технические условия. Москва: Издательсво стандартов, 2008. 20 с.

71. ГОСТ 19281-2014. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия. - Москва: Издательство стандартов, 2016. 25 с.

72. Влияние никеля на структуру и механические свойства шва, выполненного электродами с основным покрытием / И.К. Походня [и др.] // Автоматическая сварка. 1986. №2. С. 1-5.

73. ГОСТ 19851-74. Лента резаная из холоднокатанного проката. Москва: Издательство стандартов, 2003. 9 с.

74. Официальный сайт The Lincoln Electric Company [http: //www. lincolnelectric. com/ru-ru/Consumables/Pages/product. aspx?product= Products_ConsumableEU_SubmergedArc-Flux-761 (LincolnElectric_EU_Base)].

75. ГОСТ Р 8.736. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. Москва, 2011. 23 с.

76. ГОСТ Р 50779.10. Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения. Москва, 2000. 42 с.

77. Якушин Б.Ф., Сударев А.В., Куценко В.Н. Новая технология формирования подслоя при износостойкой дуговой наплавке // Сварка и диагностика. 2010. №5. С. 32-37.

78. Повышение качества и производительности наплавки на детали из закаливающихся сталей / Б. Ф. Якушин [и др.]// Автоматическая сварка. 1983. № 3. С. 48 - 50.

79. ГОСТ Р ИСО 5817. Сварка. Сварные соединения из стали, никеля, титана и их сплавов, полученные сваркой плавлением (исключая лучевые способы). Уровни качества. Москва, 2011. 28 с.

80. РД-25.160.10-КТН-016-15. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов. 2014. 187 с.

81. ГОСТ 5640. Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты. Москва, 1988. 17 с.

82. Хорн Ф. Атлас структур сварных соединений. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1977. 288 с.

83. ГОСТ Р ИСО 148-1-2013. Материалы металлические. Испытание на ударный изгиб на маятниковом копре по Шарпи. Часть 1. Метод испытания. Москва, 2014. 27 с.

84. РД 50-672. Руководящий документ по стандартизации методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. Москва, 1989. 22 с.

MMN

/ ^иштаж ____

ОЫЦЕС ГВОС ()1 РАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ

«НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО МОНТАЖНЫМ РАБОТАМ»

350020, г Краснолар. ул. Красная, 155 I. тел факс.«861 ) 255-54-58 www.niimontog.ru, h-mail.niimoniagtà mail.ru

ОГРН 1152308001361. ИНН КПП 2308110433/230801001. ОКНО 01411389

ЯВЛЯЕТСЯ ЧЛ1 НОМ СРОНП нНАКС». СВИДЕТЕЛЬСТВО О ЧЛЕНСТВЕ .NV 00036

<s

/ vr

29.08.2017 г. №289 На №

СПРАВКА о внедрении результатов исследования, полученных в диссертации A.A. Лннника «Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными част ицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом»

Рассмотренные на заседании ученого совета ООО «НИИМонтаж» результаты, полученные A.A. Линником в рамках диссертационного исследования на тему «Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом», имеют реальное практическое значение для предприятия. Работа выполнялась в период с 2013 по 2017 г. и была направлена на улучшение эксплуатационных свойств сварных соединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей путем повышения ударной вязкости металла шва и или роста стабильности ее значений за счет модифицирования металла шва наноразмерными частицами.

К наиболее существенным результатам исследования относятся:

1 Остановлено, что при введении наноразмериых частиц нитрида титана и оксида алюминия в хвостовую часть сварочной ванны в металле шва образуются газовые включения, приводящей к возникновению пор. в связи с диссоциации вводимых частиц под действием температуры сварочной ванны:

2) При сварке наиболее целесообразно применение в качестве модификаторов наноразменных частиц карбида вольфрама, вводимых в состав шихты порошковой проволоки;

3) Установлено, что наноразмерные частицы карбида вольфрама сохраняют свою стабильность при введении их в хвостовую часть сварочной ванны и приводят к измельчению и упорядочению структуры металла шва и, как следствие, снижению разброса значений ударной вязкости металла шва на 40% и 86% при введении частиц 0.03масс.% и 0.07масс.% соответственно;

Результаты, полученные A.A. Линником в рамках диссертационного исследования, приняты к внедрению при производстве присадочной и электродной проволоки, в шихту которых введены наноразмерные частицы.

Генеральный директор ООО «НИИМонтаж» С.А. Штоколов

отзыв

научного руководителя на диссертацию ЛИННИКА АНТОНА АЛЕКСАНДРОВИЧА на тему «Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмсрными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии.

Линник Антон Александрович окончил в 2013 году Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана по специальности «Технологии и оборудование сварочного производства». После окончания университета поступил на очное отделение аспирантуры МГТУ им. Н.Э. Баумана кафедры «Технологии сварки и диагностики» (МТ-7), срок окончания которой - октябрь 2017 года. В период обучения в очной аспирантуре Линник А.А. показал себя грамотным и целеустремлённым исследователем, способным самостоятельно решать сложные научно-технические задачи. Работа над диссертацией велась активно, творчески, соискатель самостоятельно выполнил значительный объем экспериментальных исследований на базе кафедры «Технологии сварки и диагностики».

Считаю, что по научной квалификации и результатам диссертационной работы Линник Антон Александрович достоин присуждения ему искомой ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 -Сварка, родственные процессы и технологии.

Научный руководитель, к.т.н., доцент кафедры МТ-7 «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Контакты:

Коберник Николай Владимирович, кандидат технических г 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.1

Н.В. Коберник (05.02.40)É Р И 0;

.НАЧАЛЬНИКА УПРАВЛЕНИЯ КАДРОВ

МГТУ имДЭ БАУМАНА

А. Г. МАТВЕЕВ