Применение модификаторов в металлургии и сварочном производсте (обзор)

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Зубенко Л.Н.
Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический
университет»
УДК 621. 791:620. 22
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИКАТОРОВ В МЕТАЛЛУРГИИ И СВАРОЧНОМ
ПРОИЗВОДСТЕ (ОБЗОР)
В данной работе представлено назначение и виды модификаторов для управления процессом кристаллизации металла. Краткий обзор применения модификаторов в различных отраслях машиностроения. Рассмотрено использование модификаторов и модификаторов с наноразмерными частицами в сварочном производстве. Ключевые слова: сварочное производство, модификаторы, модифицирование, наноразмерные частицы, нанопорошки, металл шва.
По природе воздействия модификаторы можно разделить на три вида: модификаторы 1-го рода, 2-го и 3-го рода. Модификаторы 1-го рода влияют на структуру за счет изменения энергетических характеристик (энергия активации и поверхностное натяжение) з, а р о ж д е н и я н о в о й ф, а з ы. Модификаторы 2-го рода изменяют структуру, влияя на нее, как зародыши твердой фазы. Модификаторы 3-го рода — холодильники / инокуляторы -снижают температуру металла и повышают скорость кристаллизации, тормозя тем самым развитие ликвации элементов [1].
Наибольшее применение получили модификаторы 1-го рода. Модификаторы первого типа могут тормозить рост твердой фазы только за счет концентрационного барьера на границе расплав-кристалл. При этом не происходит изменения энергетических характеристик процесса. Добавки второго типа, снижают поверхностное натяжение на границе расплав-к р и с т, а л л и и з б и р, а т е л ь н о концентрируются на поверхности кристаллов (дендритов). Таким
образом, ввод модификаторов 1-го рода сопровождается изменением поверхностного натяжения и энергии активации в противоположных н, а п р, а в л е н и я х, о д н о в р е м е н н о и з м е л ьч, а е т с я м, а к р о з е р н о и укрупняется микрозерно, т. е. оказывается комплексное воздействие на макро- и микроструктуру. Модификаторы 1-го рода представлены в таблице 1 [1].
Т, а к ж е н, а п, а р, а м е т р ы кристаллизации и отражающую ее м, а кр о ст р у к т ур у м о гу т в л и я т ь модификаторы 2-го рода. Это влияние связано с контактным действием на процесс зарождения центров кристаллизации. При введении в расплав нерастворимой примеси со свойствами, близкими к свойствам кристаллизующегося вещества, происходит существенное снижение интервала метастабильности расплава и измельчение макрозерна. Такие примеси называют изоморфными с кристаллизующимся веществом и модификаторами 2-го рода. Обычное содержание модификаторов этого типа менее 0,1%. Модификаторы 2-го рода 3 представлены в таблице 1 [1].
Ввод модификаторов 3-го рода X (инокуляторов) в кристаллизующийся расплав обеспечивает повышение однородности и дисперсности литой ¦ структуры, оптимизацию формы и '- распределения неметаллических включений, уменьшение некоторых литейных дефектов. Попадая в металл, в инокуляторы приводят к локальному & gt- о х л, а ж д е н и ю м е т, а л л и ч е с к о г о
расплава, при этом сначала на них происходит намораживание корочки твердой фазы, которая в дальнейшем вследствие нагрева от окружающего расплава расплавляется, позже расплавляется и сам инокулятор. Таким образом, инокуляторы в р, а с п л, а в е о т б и р, а ю т т е п л о н, а собственный нагрев и расплавление, в результате чего снижается температура расплава. Эффект охлаждения приводит к росту скорости кристаллизации, что отражается на п о в ы ш е н и и о д н о р о д н о с т и механических свойств в крупных кованых изделиях ответственного назначения. С увеличение массы вводимых инокуляторов скорость кристаллизации возрастает [1].
На практике элементы -м о д и ф и к, а т о р ы н, а ш л и с в о е применение в различных отраслях машиностроения.
Например, в работе [2] при п р о и з в о д с т в е р е л ь с о в, с та л ь модифицируют сплавами Fe-Si-Ca-Ba, она имеет более высокую пластичность, чем пластичность стали, модифицированной сплавами Fe-Si-Са. В силу размерного несоответствия атомов кальция и бария с атомами железа и различия в электронном строении при их введении в сталь происходят необратимые изменения наноструктуры (кластерной структуры) расплава и приближение его к более равновесному состоянию.
В работе [3] представлено управление структурным состоянием расплава чугуна, а, следовательно, и процессом формирования заданных свойств при кристаллизации, с п о м о щ ь ю ф у л л е р е н о в ы х наномодификаторов. Одним из св о й ст в ф ул л е р е н о в, ко то р о е кардинально изменяет взгляды на структуру жидкого чугуна, является наличие физической поверхности раздела фуллерен-расплав со всеми термодинамическими параметрами,
присущими фазовым поверхностям раздела, что открывает возможности объяснения целого ряда явлений при модифицировании и кристаллизации расплавов чугуна. Наномодификатор э ф ф е к т и в н о в л и я е т н, а кристаллизацию не только графитной фазы, но и на фосфидную эвтектику, и на первичное зерно чугуна, и на фазу н е м е та л л и ч е ск и х в к л ю ч е н и й, активизируя последнюю в качестве дополнительных гетерогенных центров графитизации.
В современном мире сварочное производство занимает одно из важнейших мест в машиностроении, т.к. большинство изделий производится при помощи различных способов сварки. Поэтому становится актуальным вопрос о применение м о д и ф и к, а т о р о в, в т о м ч и с л е модификаторов с наноразмерными частицами в сварочном производстве. Хотя данное направление является новым, уже есть некоторые научные разработки в данной области.
Так в работе [4] представлены исследования по использованию в качестве модификатора бария при выплавке трубных сталей и сварке нефтегазопроводов. Введение 1−3% Ва в электродное покрытие обеспечивает высокую трещиностойкость сварных соединений, как на воздухе, так и в коррозионно-агрессивных средах. С к о р о с т ь к о р р о з и и с в, а р н ы х металлоконструкций нефтегазопроводов снижается в 4−7 __ р, а з. П р и это м б ол е е в ы со к, а я эффективность бария в сравнении с кальцием, достигается только за счет снижения содержания серы и? фосфора.
Введение в расплав стали X нанодисперсных металлических и неметаллических порошков [5], ^ свойства которых существенно® отличаются от свойств макро- и микропорошков того же химического с о с т, а в, а, с п о с о б с т в у е т
м од и ф и ц и р о в, а н и ю м ет, а л л, а и в ы з ы в, а ет п е р е р, а сп р ед ел е н и е вредных примесей между границами и объемами зерен. Размер зерен при этом уменьшается, что приводит к повышению пределов текучести и прочности, увеличению пластичности и деформируемости стали, а также к снижению коэффициента трения. В качестве нанодисперсного компонента испол ьзовал и п орошок карби да вольфрама. Материалом, транспортирующим нанодисперсный порошок, служил порошок никеля, в который при совместной обработке в планетарной мельнице внедряли карбид вольфрама. В результате получали никелевые гранулы, в которых содержалось около 30 масс. % нанокарбидов. Введение никеля и н, а н о к, а р б и д о в в о л ь ф р, а м, а в электродные покрытия приводит к трансформации структуры металла в модифицированный субдисперсный твердый раствор на основе Fe с о с т, а т о ч н ы м, а у с т е н и т о м, расположенным по границам зерен. Ко л и ч е с т в о н е м е т, а л л и ч е ски х включений, которые прежде имели произвольные очертания и были н еравн ом ерн о расп редел ен ы в металле, сократилось на 15−20%. Такая структура металла должна способствовать повы шен ию его пластических свойств в условиях отрицательных температур и циклического нагружения. Изменение структуры и химического состава металла привело к увеличению его твердости на 23−25%.
В работе [6] представлена технология сварки жаропрочны х никелевых сплавов с применением частиц тугоплавких соединений. Для повышения свойств металла шва было п р и м е н е н о м од и ф и ц и р о в, а н и е металлической ванны дисперсными ино кул я тора м и, в частности карбонитридом титана. Введение к о м п о н е н т о в о с у щ е с т в л я л и
п е р е п л, а в о м д о п о л н и т ел ь н о го трубчатого электрода на никелевой основе, внутренняя полость которого зап ол н я л ась п орош кообразн ы м модификатором. В макроструктуре металла шва имеют места зерна, г р, а н и ц ы к о т о р ы х в о сн о в н о м приблизительно одинаково удалены от центра. Размер зерна при этом уменьшается до 1−2 мм. Микроструктура модифицированного шва показывает, что карбиды имеют к о м п, а к т н у ю о к р угл ую ф о р м у, расположены в большей части на границах зерен, что, по-видимому, и у п р о ч н я е т и х, о б у с л, а в л и в, а я п о в ы ш е н н у ю ж, а р о п р о ч н о с т ь. Структура околошовной зоны имеет меньший размер зерна, что несколько повышает свойства всего сварного соединения. Таким образом, и с с л е д о в, а н и я п о к, а з, а л и, ч т о повышение свойств металла шва при его модифицировании связано со с н и же н и е м ур о в н я л и кв, а ц и й, у л у ч ш е н и е м м о р ф о л о г и и и топографии карбидных фаз.
На данный момент уже имеется т е х н о л о г и я п р и м е н е н и е н, а н о м, а т е р и, а л о в п р и высокотемпературной обработки никельхромовых сплавов при э л е к т р о ш л, а к о в о м л и т ь е и электрошлаковой сварке [7]. При этом возможно управление микро- и м, а кр о структур ой жар о п роч н ы х никельхромовых сплавов и их физико-механическими свойствами при п о м о щ и в в е д е н и я в р, а с п л, а в наночастиц карбонитрида титана в виде нанокристаллов, которые служат центрами кристаллизации.
Также разработана технология лазерной сварки с применениемд нанопорошка, позволяющая получать с в, а р н о й ш о в с с у щ е с т в е н н о ул у ч ш е н н ы м и п р о ч н о с т н ы м и свойствами [8]. Основная идея новой § представленной технологии — & gt- введение в сварной шов порошка
тугоплавкого соединения (например, карбида или н итрида титан а) с наноразмерными частицами. Это даёт возможность управлять процессом кристаллизации металла при сварке. Введение нанопорошка в сварной шов и з м е н я е т п р о ц е с с зароды ш еобразован и я, которое происходит на наноразмерн ых частицах на границе контакта трёх фаз (наночастица — зародыш — расплав) и резко изменяет строение и величину (морфологию и дисперсность) растущего зерна. Структура шва в м е сто и го л ьч, а то — д е н д р и т н о й ста н ови тся квази равн оо сн ой и мелкодисперсной. Сварной шов с дендритно-игольчатой структурой не столь прочен, как с мелкодисперсной. Уменьшается размер неметаллических в к л ю ч е н и й, с о о т в е т с т в е н н о повышаются механические свойства (прочность и пластичность) металла шва, возрастает в несколько раз относительное удлинение, увеличиваются предел прочности и предел текучести.
Изучен процесс лазерной сварки с п ри м ен ен и ем н, а н оп о ро ш ко вы х инокуляторов [9, 10]. В качестве н ан оп орош ковы х и н о кул я торов и с п о л ь з о в, а л и с ь т у го п л, а в к и е соединения & quot-Ш, ТЮ, У2О3, а также их смесь, плакированные хромом. Подготовленная композиция наносилась в виде суспензии на поверхность свариваемых пластин. Применение наномодификаторов позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет у в е л и ч е н и я к о э ф ф и ц и е н т, а поглощения интенсивности лазерного излучения. При этом уменьшается ш и р и н, а с в, а р н о г о ш в, а, з о н, а термического влияния улучшается качество соединения, измельчается структура сварного шва, существенно во з р, а ста ют е го м еха н и ч е ски е характеристики. В работе [11] рассматривалась лазерная сварка
стали с титановым сплавом. Для проведения экспериментов использовались коррозионно-стойкая сталь и титановый сплав с промежуточными вставками. Наиболее эффективной оказалась вставка на основе меди М1. При этом сварное соединение с медной вставкой о бл, а да ет д о статоч н о в ы со ко й прочностью.
Для изготовления строительной и дорожной техники, оборудования для горно-добывающей промышленности, подъемно-транспортного о б о р у д о в, а н и я и д р у г и х металлоконструкций в основном и сп о л ь з уют ко н ст р укц и о н н ы е, легированные стали. Основным способом получения неразъемных соединений данных сталей является сварка плавящимся электродом, к недостаткам которой относятся механическая, структурная и химическая неоднородность сварного соединения. Актуальным становится вопрос применения модификаторов, а в частности наноразмерн ых эл ем ен тов, при дуговой сварке плавящимся электродом. Это позволит управлять процессом кристаллизации металла сварочной ванны- прогнозировать структуру и свойства металла шва, а также получать равнопрочные сварные соединения.
Список литературы
1. Задиранов А. Н., Кац А. М. Теоретические основы кристаллизации __ металлов и сплавов. Из-во. РУДН, ?3 2008. — 227 с. g
2. Гольштейн Я. Е., Мизин В. Г. в Модифицирование и J микролегирование чугуна и стали. М: 3 Металлургия, 1986. — 271 с. X
3. Давыдов С. В. ^ Наномодификатор как инструмент ^ генной инженерии структурного g состояния расплава чугуна — Сб. докладов Литейного консилиума № 1 у «Модифицирование как эффективный
метод повышения качества чугунов и сталей» — Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006. — 40 с.
4. Дерябин А. А, Цепелев В. С., Конашков В. В., Берестов Е. Ю., Могильный В. В. Кинетическая вязкость рельсовой стали, модифицированной сплавами Fe^-Са и Fe-Si-Са-Ва. Известие высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2008. — № 4. -с. 3−6.
5. Соколов Г. Н., Лысак И. В., Трошков А. С., Зорин И. В., Горемыкина С. С., Самохин А. В., Алексеев А. Н., Цветков Ю. В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама. // Физика и химия обработки материалов. — 2009. — № 6. -с. 41−47.
6. Еремин Е. Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов. // Омский научный вестник. — 2009. — № 3. — с. 63−67.
7. Жеребцов С. А. Применение н, а н о м, а т е р и, а л о в и высокотемпературной обработки никельхромовых сплавов при электрошлаковом литье: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -
Новокузнецк, 2006. — 22 с.
8. Наночастицы в каждый самолет // Наука и жизнь. — 2008. — № 4.
— с. 8.
9. Афонин Ю. В., Черепанов А. Я., Оришич А. М., Батаев А. А., Буров В. Г., Маликов А. Г. Лазерная сварка титана с использованием нанопорошковых инокуляторов. // Исследование, разработка и применение высоких техн ол огий в п ром ы ш л ен н ости: сборник трудов 5 Международной научной — практической конференции.
— Санкт — Петербург, 2008 — Т. 12 — с. 322−324.
10. Черепанов А. Н., Афонин Ю. В., Маликов А. Г., Оришич А. М. О п р и м е н е н и и н, а н о п о р о ш к о в тугоплавких соединений при лазерной сварке и обработке м еталлов и сплавов // Тяжелое машиностроение. -2008. — № 4. — с. 25−26.
11. Черепанов А. Н., Афонин Ю. В., Оришич А. М. Лазерная сварка стали с титановым сплавом с применением п р о м е ж у т о ч н ы х в с т, а в о к и нанопорошковых инокуляторов // Тяжелое машиностроение. — 2009. -№ 8. — с. 24−26.
Зубенко Л. Н.
Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический __
университет» ^
УДК 621. 791. 92:620. 03 ?
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИКАТОРОВ В СОСТАВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ПОКРЫТИЙ
В работе приведены элементы-модификаторы, которые можно применять в составе д функциональных покрытий для улучшения процесса сварки, свойств и структуры наплавленного д металла.
Ключевые слова: элементы-модификаторы, защитные покрытия, структура наплавленного е металла.
Дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов занимает одно я из ведущих мест во всех отраслях промышленности. Одним из существенных и недостатков дуговой сварки в среде защитных газов является повышенное

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой