Дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов занимает одно из ведущих мест во всех отраслях промышленности. Одним из существенных недостатков дуговой сварки в среде защитных газов является повышенное разбрызгивание электродного металла и связанное с ним набрызгивание поверхности свариваемых деталей.[1, с. 3]
Разбрызгивание – это разбрасывание мелких и крупных капель расплавленного металла электрода и сварочной ванны. Разбрызгивание сопровождается выбрасыванием из зоны дуги большого количества брызг (капель) жидкого металла различного размера, вступающих в физико-химическое взаимодействие с поверхностными слоями свариваемого металла, что приводит к изменению его структурно-фазового состояния.[2, с. 18] Установлено, что трудоемкость по отчистки поверхности свариваемых изделий от брызг расплавленного металла, составляет 15–20% от основного времени сварки.[3, с. 30]
Один из способов снижения величины набрызгивания капель расплавленного металла на поверхность свариваемых деталей является применением покрытий для защиты поверхности свариваемого металла от брызг расплавленного металла.[4, с. 17] Но у данного способа снижения набрызгивания есть один существенный недостаток, некоторые, защитные покрытия отрицательно влияют на процесс сварки.
Поэтому актуальным становится вопрос о разработке функциональных покрытий, которые помимо всех своих преимуществ, будут еще положительно влиять на процесс сварки, свойства и структуру металла шва.
Один из способов влияния на структуру, химический состав и свойства сварного шва является введение в металл сварного шва модификаторов.
Модификаторы – это такие специально вводимые элементы для получения специальных свойств материала. Эти добавки влияют на кинетику распада пересыщенного твердого раствора, а следовательно, изменяют структуру сплава, механические, коррозионные, технологические и другие свойства материала.[5, с. 43]
Слово «модификатор» (от лат. modifico) означает изменение формы. Поэтому им названа специфическая группа литейных сплавов и композиций, при введении которых в расплав того или иного сплава, приводит к существенному изменению строения, а вместе с тем и эксплуатационных свойств.[5, с. 43]
Модификатор (от позднелат. modifico - видоизменяю, меняю форму) металлов и сплавов, вещество, которое существенно изменяют структуру и свойства обработанного им металла или сплава. Эффект от такой обработки называется модифицированием. [5, с. 44]
Некоторые модификаторы представлены в таблице 1.
Таблица 1
Элементы – модификаторы.[6, с.18]
|
Элемент |
Плотность г/см |
Атомная масса |
Т°C |
Т°C |
|
Магний |
1,74 |
24,3 |
651 |
1107 |
|
Кальций |
1,55 |
40,1 |
848 |
1487 |
|
Стронций |
2,6 |
87,6 |
769 |
1384 |
|
Барий |
3,5 |
137,3 |
725 |
1637 |
|
Лантан |
6,19 |
138,9 |
920 |
3469 |
|
Церий |
6,7 |
140,1 |
795 |
3424 |
|
Празеодим |
6,78 |
140,9 |
935 |
3127 |
Под модифицированием понимается процесс активного регулирования первичной кристаллизации или изменения степени дисперсности кристаллизующихся фаз путём введения в расплав добавок отдельных элементов или их соединений. [7, с. 45]
Модифицированием можно добиться:
1) измельчение микро- и макроструктуры;
2) уменьшение развития химической, физической и структурной неоднородности;
3) снижение содержание газов;
4) благоприятного изменения природы и формы неметаллических включений;
5) повышение комплекса технологических, механических и эксплуатационных свойств. [7, с. 45]
Модифицирование металла осуществляется вводом в жидкий металл, как правило, комплекса химических элементов и знание их физико-химических характеристик позволяет изменить качество металла в нужном направлении. [7, с. 46]
Один из основных модифицирующих элементов, кальций. Кальций отличается высокой упругостью паров, низкой растворимостью в металле и низкими температурами плавления (8480С) и кипения (14870С), что позволяет ему практически полностью удаляться из металла. Чтобы этого не происходило, мы вводим в состав лигатур многие другие элементы, способствующие пролонгированию, продлению, углублению действия кальция. [7, с. 47]
Следующий элемент из щелочноземельных – барий. Считается, что он не участвует в образовании неметаллических включений – растворимость его в металле чрезвычайно низкая.
Магний в лигатуре для модифицирования стали содержится в пределах 1,0…2,0%. Этот чрезвычайно активный металла обладает ещё меньшими, чем кальций температурами плавления (6510С) и кипения (11070С) и, вступая первым в реакцию при вводе в жидкую сталь, по нашим наблюдениям, предупреждает окисление кальция, снижает степень вторичного окисления металла.[7, с. 48]
Стронций по своим физико-химическим свойствам занимает промежуточное положение между кальцием и барием и несомненно также будет служить делу повышения эффективности модифицирования металла.[7, с. 49]
Цирконий, например, значительно измельчает неметаллические включения. Он обладает большим сродством к кислороду, азоту и сере, чем титан.[7,с. 50]
Бор повышает прокаливаемость стали, измельчает зерно аустенита.[7, с. 50]
В общем виде можно отметить, что введение в сталь кальция повышает её жидкотекучесть, видоизменяет оксидные и сульфидные включения, улучшает пластические свойства отливок и др. Дополнение лигатуры барием приводит к повышению усвоения кальция и, соответственно, к усилению положительного воздействия последнего, хотя в ряде случаев отмечается эффективность использования одного бария (без кальция).[8, с.158 ]
Также кроме щелочноземельных элементов хорошими модификаторами являются редкоземельные элементы. Редкоземельные металлы не ухудшают жидкотекучесть стали, снижают содержание в ней серы, эффективно модифицируют неметаллические включения, измельчают литую структуру отливок, ослабляют ликвационные процессы и чувствительность к водороду и др. Активные нитридообразующие элементы (титан, ванадий и др.) ослабляют отрицательное влияние повышенных концентраций азота, измельчают зерно, повышают прочностные характеристики отливок и др. [8, с. 163]
Например, при производстве рельсов, сталь модифицируют сплавами Fe-Si-Ca—Ba, она имеет более высокую пластичность, чем пластичность стали, модифицированной сплавами Fe—Si— Ca. Если учесть наследственное влияние физико-химических свойств исходного расплава на физико-механические свойства получаемых металлоизделий, то вышеуказанный факт позволяет полагать, что барий в жидкой рельсовой стали должен проявлять себя более сильным модификатором, чем кальций. Более существенным в эффекте модифицирования стали является изменение строения металлического расплава на наноуровне. Оно происходит не только при нагреве металла до критических температур, но также и под действием других факторов, в частности, при обработке щелочно-земельными металлами. 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.[9, с. 3]
Весьма эффективно использование бария при выплавке трубных сталей и сварке нефтегазопроводов. Так, введение 1 — 3 % Ва в электродное покрытие обеспечивает высокую трещиностойкость сварных соединений как на воздухе, так и в коррозионно-агрессивных средах. Скорость коррозии сварных металлоконструкций нефтегазопроводов снижается в 4 — 7 раз. При этом более высокая эффективность бария в сравнении с кальцием, достигается только за счет снижения содержания серы и фосфора.[10, с. 52]
Из вышесказанного видно, что модифицирование уже нашло свое применение в сварочном производстве при ручной дуговой сварке покрытыми электродами. Модификаторы вводились в сварной шов через электродное покрытие. А при сварке в углекислом газе модификаторы можно ввести в сварной шов через:
1) сварочную проволоку
2) защитное покрытие
В дальнейших разработках предполагается введение функциональных компонентов (модификаторов) в сварной шов при сварке в углекислом газе через защитные покрытия.
Поэтому целью исследований будет являться изучение влияния защитных покрытий, содержащих функциональные компоненты (модификаторы), на особенности сварки в углекислом газе.
Основными задачами для достижения поставленной цели будут являться:
1) разработка защитных покрытий, содержащих функциональные компоненты.
2) влияние защитных покрытий, содержащих функциональные компоненты (модификаторы) на структуру, химический состав и механические свойства сварного соединения.
Литература:
1. Федько.В.Т., Теория, технология и средства снижения набрызгивания и трудоемкости при сварке в углекислом газе.-Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. – 432 с.
2. Федько.В.Т., Технология, теоретические основы и средства снижения трудоемкости при сварке в углекислом газе: Учебник. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. – 398 с.
3. Федько В.Т., Ястребов А.П., Ильященко Д.П. Проблемы разбрызгивания металла при ручной дуговой сварке покрытыми электродами (обзор)//Технология машиностроения. – 2005 – №3 – с. 23 – 31.
4. Элементы теории и технологии защиты поверхности от брызг расплавленного металла при
5. сварке в углекислом газе: учебное пособие / В.Т. Федько, С.Б. Сапожков, П.Д. Соколов, А.П. Ястребов. – 2-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 146 с.
6. Большая Советская Энциклопедия.Второе издание Т. 28 - М., 1969-1978. – 660 с.
7. Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. О качественных характеристиках модификаторов // М: Сталь – 2007 – № 6 – с. 18 – 23.
8. Голубцов В.А., Усманов Р.Г., Шуб Л.Г. Модифицирование – эффективный метод улучшения качества стали // Черметинформация”, - Бюллетени ”Чёрная металлургия” – 2005 – №12. – с. 45 – 50.
9. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. – 271с.
10. А. А. Дерябин, B.C. Цепелев, В.В. Конашков, Е.Ю. Берестов, В.В. Могильный Кинематическая вязкость рельсовой стали, модифицированной сплавами Fe-Si-Ca И Fe-Si-Ca-Ba. // ИЗВЕСТИЯ высших учебных заведений. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ – 2008г. – №4 – с. 3 – 6.
11. И. В. Рябчиков, А. Ю. Ахмадеев, Т. В. Рогожина, В. А. Голубцов Сравнительная раскислительная и модифицирующая способность магния и щелочно-земельных элементов при внепечной обработке стали. // Сталь – 2008 – №12 – с. 51 – 54.
