Улучшение качественных характеристик металла шва за счет повышения чистоты шихты
Министерство
образования и науки Украины
Запорожский национальный технический
университет
Кафедра
ОТСП
ОТЧЕТ ПО
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ
Улучшение качественных характеристик
металла шва за счет повышения чистоты шихтовых материалов
Выполнил:
ст. гр. ИФ-329 П.Ю. Горбань
Руководитель:
проф. В.С. Попов
Принял:
доц. В.А. Гук
2002
Содержание.......................................................................................................... 2
Введение............................................................................................................... 3
1.
Исследование структуры и свойств наплавленного металла.......................... 4
1.1
Исследование химического состава наплавленного металла........................ 4
1.2
Исследование неметаллических включений в металле шва........................... 6
1.3
Механические свойства наплавленного металла........................................... 6
Заключение.......................................................................................................... 8
Перечень
ссылок.................................................................................................. 9
В современных условиях производства
машин, агрегатов и металлоконструкций самого различного назначения сварка, как
метод получения неразъемных соединений, остается ведущим технологическим
процессом.
Эксплуатационная надежность сварных
швов и стабильность их физико-механических свойств зависят от качества и
постоянства состава исходного сырья, используемого для изготовления электродов.
Для получения высоких свойств наплавленного металла промышленностью выпускается
сварочная проволока с достаточно низким содержанием газов, серы, фосфора и
других вредных примесей. По специальному заказу изготавливают проволоку из
стали, выплавленной в вакуумно-индукционных печах, подвергнутой электрошлаковому
или вакуумно-дуговому переплаву [1].
Получение металла шва с минимально
возможным содержанием кислорода и оксидных включений достигается путем
одновременного раскисления металла алюминием, титаном, кремнием и марганцем,
вводимыми в покрытие в виде ферросплавов [2]. Однако содержание кислорода и
оксидных включений при этом остается еще достаточно высоким [3]. Для снижения
содержания кислорода в металле шва и с целью влияния на процесс зарождения
включений, их форму, дисперсность и состав, обычно используются сильные раскислители
и модификаторы – церий, цирконий, иттрий, барий, кальций [3,4,5,6]. Применение
таких активных элементов в покрытии сварочных электродов усложняет
технологический процесс подготовки шихты. Операции дробления, смешивания и
пассивирования компонентов сопровождается большой потерей этих элементов на
окисление [7].
Во многих отраслях
промышленности при изготовлении ответственных деталей из низколегированных
сталей применяются электроды с основным покрытием типа УОНИ-13. Сварочные
электроды с фтористо-кальциевым покрытием имеют существенные преимущества перед
всеми другими при сварке конструкций ответственного назначения [1]. Электроды
типа УОНИ-13 характеризуются более низким содержанием газов в наплавленном
металле по сравнению с электродами других видов, малая окислительная
способность покрытий обеспечивает более полный переход легирующих элементов в
металл сварочного шва.
В наплавленном
металле наблюдается и прирост примесей цветных металлов, серы и фосфора, по
сравнению содержанием в проволоке, за счет перехода их из обмазки электрода.
Это обусловлено тем, что в некоторых ферросплавах, используемых в качестве
составляющих покрытия, содержание серы и фосфора в 1.5¸5.0 раз больше, чем в
сварочной проволоке [8]. Доля таких компонентов в покрытиях электродов обычно
составляет 15¸30 %. В работе [9] установлено, что при наплавке электродами
фтористо-кальциевого типа в шлак переходит фосфора 0.001¸0.002 %, серы 0.0013¸0.004% по
отношению к массе расплавленного стержня. Следовательно, гарантировано низкое
содержания серы и фосфора в металле сварного шва возможно лишь за счет снижения
концентрации этих примесей в компонентах покрытия электродов. В состав
электродных покрытий фтористо-кальциевого типа в основном входит ферротитан,
ферромарганец и ферросилиций. Причем наибольшую долю из них занимает ферротитан
до 15%. Поэтому газонасыщенность ферротитана и содержание в нем таких примесей
как сера, фосфор и цветные металлы существенно влияют на свойства металла
сварных швов [2]. Для улучшения свойств сварных швов необходимо использовать в
сварочных электородах ферротитан высокого качества с низким содержанием газов и
примесей цветных металлов. Следовательно, актуальной задачей материаловедения и
сварки является разработка материалов и технологий, позволяющих улучшить
структуру и свойства наплавленного металла за счет улучшения качества сварочных
электродов.
В связи с выше
изложенным для улучшения структуры и свойств наплавленного металла, предложено,
при изготовлении электродов типа УОНИ-13 использовать комплексную лигатуру, полученную
сплавлением электрошлаковым способом отходов титана с серийными ферросплавами,
с использованием эффекта рафинирования активными шлаками.
Для исследования влияния состава ферротитана
на свойства наплавленного металла были изготовлены три партии электродов УОНИ
13/55 с различными по составу и способу производства ферросплавами:
партия А – по рецептуре с использованием
алюминотермического ферротитана ФТи30А и ферросплавов промышленного
производства.
партия Б – по рецептуре А с заменой
ферротитана алюминотермического способа производства ФТи35А на ферротитан
электрошлаковой выплавки ФТШ45.
партия В – по рецептуре А с заменой всех
ферросплавов промышленного производства на 12% опытного
комплексно-легированного ферротитана К-2.
Пассивирование сплава К-2 производили в
муфельной печи при температуре 350° С в течение 30 мин. Исследование технологического процесса
приготовления обмазочной массы и нанесения ее методом опрессовки для всех трех
партий электродов, а также процесса возбуждения и горения дуги показало, что
каких либо различий в технологичности при изготовлении и наплавке металла между
электродами партий А, Б и В не наблюдается [10].
Химический состав металла, наплавленного
электродами с покрытиями, содержащими ферротитан разного способа производства,
имеет некоторые различия [9] (табл. 1.1, 1.2.).
Таблица 1.1 – Химический состав наплавленного металла
Партия электродов
|
Массовая доля элементов, %
|
|
С
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
А
|
0,09
|
0,05
|
1,0
|
0,020
|
0,020
|
0,10
|
0,030
|
0,80
|
0,020
|
0,022
|
В
|
0,09
|
0,035
|
1,0
|
0,014
|
0,016
|
Паспортный состав
|
0,08-0,11
|
0,2-0,5
|
0,6-1,2
|
£0,022
|
£0,024
|
Как видно из приведенной таблицы, химический состав металла, наплавленного
электродами всех исследованных в работе партий, соответствует требованиям
паспорта электродов УОНИ 13/55. Более низкое содержание Si и Mn в металле,
наплавленном электродами партии Б и В получено в результате большего вовлечения
этих элементов в реакции раскисления металлической ванны, при меньших
содержаниях Аl в покрытии электродов партии Б и В (0,14%) в сравнении с покрытием
А (0,96%). Более высокая концентрация Si, Mn и Тi в металле партии В в
сравнении с Б свидетельствует о меньших потерях этих элементов на поверхностное
окисление в процессе изготовления электродов при использовании сплава К-2. В
металле, наплавленном электродами партии В, содержится наименьшее количество
примесей S и P, что является следствием применения комплексно-легированного
ферротитана К-2, при получении которого методом ЭШВ использовались отходы
титана, содержащие малое количество этих примесей, а промышленные ферросплавы
ФМн1 и ФС 45 были рафинированы по S и P высокоосновным флюсом в процессе
выплавки.
При этом, в наплавленном металле снижается не
только количество S и P, газов (О и N), а также и примесей цветных металлов [8]
(табл.1.2).
Таблица 1.2 – Содержание газов и примесей цветных
металлов в наплавленном металле
Партия
электродов
|
Массовая доля элементов, %
|
|
O
|
N
|
Ti
|
Cu
|
Sn
|
А
|
0,050
|
0,0073
|
0,011
|
0,1
|
0,01
|
Б
|
0,046
|
0,0062
|
0,018
|
0,08
|
0,005
|
В
|
0,040
|
0,0065
|
0,020
|
0.08
|
0,005
|
При производстве ферротитана и комплексно-легированного ферротитана
методом ЭШВ используются отходы Тi в виде листовой обрези, содержащие низкое
количество газов (О и N), С и примесей цветных металлов без использования
вторичного А1, что полностью исключает возможность их внесения. Поэтому содержание
примесей Cu и Sn в металле, наплавленном электродами партии Б и В ниже, чем
электродами А.
Количество
кислорода в металле, наплавленном электродами партии В, наиболее низкое. Это
свидетельствует о более полном раскислении металла шва при использовании в
покрытии В комплексно-легированного ферротитана К-2.
Использование
ферротитана ЭШВ в покрытии сварочных электродов позволило снизить в
наплавленном металле содержание газов, примесей и неметаллических включений.
Результаты оценки загрязненности
неметаллическими включениями металла, наплавленного опытными электродами
приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3 – Содержание оксидных включений в
наплавленном металле
|
Массовая доля оксидных включений, %
|
Партия
|
Общее
|
Удельная доля в общем количестве, %
|
электродов
|
Количество
|
Al2O3
|
SiO2
|
Сложные оксиды (Si-Ti-Mn-Fe)·O
|
А
|
0,052
|
44,5
|
35,5
|
20,0
|
Б
|
0,043
|
28,8
|
51,5
|
В
|
0,030
|
20,5
|
16,0
|
63,5
|
Проволока Св.-08,
Св-08Г2С [2]
|
0,005-0,015
|
59,11
|
33,14
|
7,75
|
Как видно из
приведенных в таблице данных, в наплавленном металле электродов партии Б и В
существенно снижено общее количество неметаллических включений. В металле,
наплавленном электродами В, содержащем только один ферросплав в виде
комплексно-легированного ферротитана, полученного методом ЭШВ, общее количество
неметаллических включений снижено более чем на 40% в сравнении с металлом
электродов А, при использовании алюминотермического ферротитана и раздельным
введением в покрытие других раскислителей – ферромарганца и ферросилиция. При
этом, количество тугоплавких включений с Al2O3 более чем
в два меньше, чем в металле, наплавленном электродами А. В таких же пределах
уменьшено содержание стекловидных силикатов. В металле партии Б и В
отсутствуют крупные экзогенные частицы тиалита и перовскита, характерных для
ферротитана алюмотермического способа производства. При снижении общего
количества включений несколько возрастает удельная доля силикатов сложного
состава с гетерогенной микроструктурой. Преимущественное формирование силикатов
сложного состава и меньшее содержание кислорода в металле, наплавленном
электродами В, при равном исходном количестве раскислителей в покрытии этих
электродов, свидетельствует о более полном и интенсивном процессе удаления
продуктов реакции раскисления при использовании комплексно-легированного ферротитана
[5].
Результаты исследования механических свойств
металла, наплавленного опытными электродами, представлены в табл. 1.4.
Таблица 1.4 – Механические свойства металла сварного
шва, наплавленного опытными электродами
|
Значения механических свойств по ГОСТ 6996 -75
|
Партия
электродов
|
Временное сопротивление разрыву sВ, МПа
|
Предел текучести
sТ, МПа
|
Относительное удлинение
d, %
|
Ударная вязкость KCU, Дж/см2
|
А
|
505-545
|
400-420
|
23-27
|
155-205
|
Б
|
520-560
|
400-440
|
26-28
|
175-220
|
В
|
540-565
|
420-450
|
27-30
|
210-240
|
Типичные значения
для УОНИ 13/55 [5]
|
510-570
|
390-440
|
24-28
|
156-245
|
Паспортные данные
УОНИ13/55
|
³ 490
|
³ 390
|
³ 20
|
³ 160
|
Требования
ГОСТ 9467-75 к типу электродов Э50А
|
³ 490
|
—
|
³ 20
|
³ 130
|
Механические свойства и химический состав
наплавленного металла всех партий электродов соответствует требованиям ГОСТ
9467-75. При этом, пластичность металла наплавленными электродами партий Б и В
выше чем А. Использование в покрытии электродов более чистого по примесям и
неметалличским включениям ферротитана электрошлаковой выплавки ФТШ 45
позволило повысить на 7% средние значения относительного удлинения и на 9%
ударной вязкости в сравнении с электродами партии А. При замене всех
ферросплавов покрытия электродов на комплексно-легированный ферротитан
электрошлаковой выплавки К-2 средние значения относительного удлинения
увеличены на 12%, а ударной вязкости на 18% в сравнении с электродами партии А,
и на 8 и 9% соответственно для средних типичных значений электродов УОНИ 13/55.
Таким образом проявилось более низкое содержанием газов, S и P, а также
примесей цветных металлов в наплавленном металле электродами В, по сравнению с
А и электродами промышленного изготовления с использованием ферротитана
алюминотермического способа производства. Присутствие в металле, наплавленном
электродами партии А, значительного количества тугоплавких включений
неблагоприятной формы и силикатных стекол вызывает снижение ударной вязкости
металла по сравнению с металлом электродов Б и В. Это связано с тем, что
тугоплавкие оксиды Al угловатой, неправильной формы выполняют роль больших
концентраторов напряжений по сравнению с округлыми (глобулярными) включениями
силикатов в металле, наплавленном электродами Б и В [9,10].
1. Применение в составе покрытия электродов основного типа ферротитана
электрошлаковой выплавки, а также комплексных Ti-Mn-Si – содержащих ферросплавов,
полученных методом электрошлакового переплава отходов титана, стали и
промышленных ферросплавов (ферромарганца и ферросилиция) позволяет получить
наплавленный металл с более высокими пластическими свойствами.
2. Использование в покрытии сварочных электродов основного типа УОНИ13/55
ферротитана ЭШВ позволяет снизить в наплавленном металле содержание оксидов
алюминия на 30-40%, при снижении содержания примесей цветных металлов до 20%.
3. Использование комплексно легированного ферротитана, полученного методом
ЭШВ в составе обмазки электродов УОНИ 13/55 обеспечивает также большую степень
раскисления наплавленного металла при меньших потерях элементов раскислителей.
Содержание S и Р при этом снижено на 30 и 20% соответственно. Массовая доля
включений в наплавленном металле в виде оксидов уменьшена на 20%, при снижении
примесей цветных металлов Cu и Sn до 20%. Снижено более чем на 40% содержание
мелкодисперсных включений корунда. Все это в комплексе, позволило повысить
ударную вязкость на 15% и относительное удлинение наплавленного металла на 20%.
Таким образом, для повышения чистоты
наплавленного металла по неметаллическим включениям, улучшения пластических
свойств наплавленного металла целесообразно использовать в составе обмазки
сварочных электродов основного типа комплексных титан содержащих
лигатур-раскислителей, полученных методом электрошлаковой выплавки.
1. Заке И.А. Сварка разнородных сталей:
Справочное пособие. - Л. : Машиностроение, 1973.-208с.
2. Богачевский А.А. Повышение качества
металла шва путем введения в покрытие синтетического волластанина и цериевой
лигатуры. // Сварочное производство. - 1993. - №4. - с.8.
3. Справочник по сварке / под ред. Е.В.
Соколова. Т.1. - М. : Машиностроение, 1962. - 657с.
4. Походня И.К. Газы в сварных швах. -
М. : Машиностроение, 1973.-256с.
5. Кабацкий В.И., Приволов Н.Т.,
Макаренко В.Д. Особенности влияния комплексных лигатур на содержание газов в
наплавленном металле при сварке электродами с основным покрытием // Сварочное
производство. - 1986. - №12. - С. 4-5.
6. Лунев В.В., Шульте Ю.А. Применение
комплексных лигатур с РЗМ и ЩЗМ для улучшения свойств литых и деформированных
сталей. // Влияние комплексного раскислителя на свойства сталей. - М. :
Металлургия, 1982. - с.32-50.
7. Степанова В.В. Повышение
качества марганцовистых и хромомарганцовистых сталей для отливок и поковок.
Дис. на соиск. Ученой степени КТН. - Запорожье ЗГТУ. - 1996.
8. Газы и примеси в ферросплавах / М.И. Гасик, В.С. Игнатьев, С.И.Хитрик.
- М. : Металлургия, 1970. - 152с.
9. Букин
А.А., Кохан С.В. Прогнозирование содержания S и P в металле, наплавленном
покрытыми электродами // Автоматическая сварка. - 1988. -№2. - с.27.