Фізико-хімічні та технологічні основи одержання композитних сталевих зливків для виробництва зварювальних дротів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна Академія України

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеню

доктора технічних наук

05.16.02 - "Металургія чорних металів"

Фізико-хімічні та технологічні основи одержання композитних сталевих зливків для виробництва зварювальних дротів

Стовпченко Ганна Петрівна

Дніпропетровськ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній Академії України Міністерства освіти та науки України

Науковий консультант Доктор технічних наук, професор Яковлєв Юрій Миколайович Національна металургійна Академія України, завідувач кафедри теорії металургійних процесів, професор Офіційні опоненти:

Чл.-кор. Національної Академії наук України, доктор технічних наук, професор Григоренко Георгій Михайлович (Інститут Електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України (м. Київ), завідувач відділом фізико-хімічних досліджень матеріалів)

Доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович (Запорізький Державний Технічний Університет, завідувач кафедри “Машини та технологія ливарного виробництва”, професор)

Доктор технічних наук Старов Ремуальд Вікторович (Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України (м.Дніпропет-ровськ), завідувач відділом фізико-технічних проблем металургії сталі)

Провідна установа - Дніпродзержинський державний технічний університет, Міністерство освіти та науки України, м. Дніпродзержинськ.

Захист відбудеться 10 жовтня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній Академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної Академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)

Автореферат розісланий 7 вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, докт.техн.наук, професор В.К. Цапко

1. Загальна характеристика роботи

металургійний сталевий дріт зварювальний

Змінення умов функціонування та напрямків розвитку підприємств чорної металургії України обумовлює першочергову увагу виробників до якості та конкурентоспроможності металургійної продукції, створення нових прогресивних профілів металопрокату та економічних технологій їх виробництва. Слід відмітити, що в країнах із розвинутою металургією та великою долею безперервної розливки (США, Японія, Франція та ін.) приділяється увага розробці різноманітних методів одержання зливків для виробництва композитних матеріалів, про що свідчить велика кількість патентів останніх років. Оскільки властивості композитних матеріалів часто вищі, ніж монометалічних, а металургійні технології є економічними, можна вважати перспективним їх використання в майбутньому.

Тенденції розширення сфер використання зварювання для з'єднання деталей конструкцій та механізмів в усіх галузях сучасної промисловості та будівництва обумовлює ускладнення та збільшення вимог до властивостей та номенклатури зварювальних дротів. Це викликає необхідність розробки та засвоєння виробництва нових зварювальних матеріалів різноманітного марочного складу та призначення.

Розробка металургійних технологій виробництва зварювальних сталей прямує за вимогами споживачів до різноманіття сортаменту дротів суцільного перерізу та якості зварних з'єднань, які повинні бути забезпечені, підвищення технологічних та продуктивних показників процесу зварювання електродом, який плавиться. Сучасне сталеплавильне виробництво здатне виробляти різні марки сталей (вуглецеві, низьколеговані, високолеговані, в тому числі із добавками мікролегуючих елементів) для зварювальних дротів суцільного перерізу та забезпечити відповідність самим суворим вимогам по обмеженням розбіжності плавочного хімічного складу сталі. В той же час, суттєвим резервом металургійних технологій є розробка та засвоєння нових матеріалів, які представляють собою композит, що дозволяє реалізувати економічний та ефективний підхід до проблеми підвищення якості та властивостей зварювальних матеріалів.

Актуальність теми. Робота присвячена створенню композитних зливків для виробництва ефективних зварювальних дротів нетрадиційним високопродуктивним способом. Критичний аналіз сучасного стану та тенденцій розвитку сортаменту зварювальних матеріалів, а також можливостей металургійних технологій в забезпеченні вимог до них, показав доцільність створення сталевих композитних зливків для одержання нового типу зварювальних матеріалів - композитних дротів. Використання високопродуктивних металургійних способів одержання та переробки сталевих композитних зливків для виробництва зварювальних дротів забезпечує порівняно невисоку вартість, що гарантує конкурентоспроможність останніх.

При створенні композитних зливків для виробництва зварювальних дротів враховували накопичений досвід фундаментальних знаннь та основні металургійні принципи забезпечення заданих характеристик металу, а також специфічні особливості процесів формування зварного шва. Це дозволило раціоналізувати вирішення проблеми створення сталевих зливків для виробництва зварювальних композитних дротів із цілеспрямованою воздією на зварювально-технологічні властивості його та утворюємий зварний шов.

Широкі технологічні можливості одержання сталевих зливків із застосуванням композитного способу введення різноманітних добавок (металевих і неметалевих) дозволили автору поставити перед собою задачу створення нового класу зварювальних матеріалів - композитних зварювальних дротів різного хімічного складу та призначення.

Виконання роботи пов'язане з планами науково-дослідних робіт Національної металургійної Академії України (НМетАУ). Базовими для підготовки роботи були науково-дослідні роботи, які виконані в рамках програм Державного комітету по науці та техніці України (номер держреєстрації 0193U034576), приорітетних програм Міністерства освіти України (номери держреєстрації 0196U009298, 0199U000759), керівником та відповідальним виконавцем яких був автор.

Мета роботи: Сформулювати принципи, теоретично та експериментально обгрунтувати наукові та технологічні основи створення сталевих зливків особливої конструкції з композитоутворюючими вставками, які заповнені металевими та неметалевими матеріалами, для одержання різних за складом та призначенням ефективних зварювальних матеріалів - композитних; дослідити та випробувати високопродуктивну технологію їх виробництва металургійними способами із використанням уніфікованої матриці.

Об'єктом дослідження є процес формування та переробки композитного зливка, особливості його структури.

Предметом дослідження є фізико-хімічні та технологічні основи одержання композитних зливків для виробництва зварювальних дротів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні задачі:

на основі сучасних уяв про структуру рідких розплавів, характеру проявлення модифікуючої воздії елементів визначити принципи доцільності розподілу активних, у відношенні металу зварювальної ванни, добавок по складовим частинам композитного комплексу та уточнити термодинамічні особливості взаємодії активних мікролегуючих добавок із домішками сталі при температурах сталеплавильних та зварювальних процесів;

на базі фізичного та математичного моделювання встановити основні закономірності та особливості кристалізації композитних зливків із твердими вставками;металургійними способами забезпечити знаходження в складі дроту компонентів, в активному при зварюванні стані, які здатні реалізувати металургійну обробку розплава зварювальної ванни та цілеспрямовану воздію на формування складу, структури металу зварного шва (мікролегуючий, модифікуючий, рафінуючий та/або інші ефекти);

обгрунтувати та дослідити технологічні можливості використання сталевого зливка і композитного способу введення добавок для виробництва зварювальних дротів різноманітного складу із використанням єдиної уніфікованої матриці в умовах діючого металургійного виробництва без суттєвих змін технологічних регламентів основних переробок; експериментально підтвердити технологічність виробництва та ефективність використання композитних зварювальних дротів різноманітного складу та призначення;

встановити характер деформуємості композитних зливків та профілів із різними наповнювачами композитної вставки (металевими та неметалевими); дослідити макро-, мікроструктуру та властивості композитного металопрокату лабораторної та промислової виплавки;

оцінити зварювально-технологічні властивості зварювальних дротів різного складу та призначення, які одержані із сталевих композитних зливків, якість зварних швів;

сформулювати та обгрунтувати принципи створення композитних зливків для одержання ефективних зварювальних матеріалів; намітити шляхи розширення сортаменту, виробництва та споживання нового класу матеріалів - композитних зварювальних дротів.

Методи дослідження. В роботі використані сучасні розрахункові та експериментальні методи досліджень, які дозволяють встановити закономірності процесу затвердівання сталевих зливків, включаючи математичне моделювання (чисельний експеримент), фізичне моделювання із додержанням відповідних критеріїв подібності. Для дослідження теплофізичних характеристик порошків використаний відомий розрахунково-аналітичний метод. Металографічні дослідження якості металу виконані за стандартними методиками, які забезпечують порівнянність одержаних результатів. Всі експериментальні визначення виконані із використанням перевіренних приборів. Дослідження зварювально-технологічних властивостей дротів виконані за методиками та на обладнанні незалежних організацій, які є центрами сертифікації зварювальних матеріалів (ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, TNO Metals Research Institute, ІТЦ “Прометей”).

Наукова новина одержаних результатів. Пошукачем особисто одержані такі нові наукові рішення:

вперше теоретично обгрунтовані та експериментально підтверждені принципи єдиного підходу та можливість використання металу сталевого зливка, як уніфікованої матриці для створення зварювальних композитних матеріалів різноманітного складу та призначення;

вперше розроблені принципи створення нового классу зварювальних матеріалів на базі композитних сталевих зливків;

подальший розвиток дістало розрахунково-аналітичне обгрунтування доцільності вилучення активних добавок для введення в ізолюючу композитну вставку, яке засноване на аналізі термодинамічних особливостей взаємодії активних добавок із домішками сталі при різних температурних умовах організації процесу та фізико-хімічних властивостей елементів;

вперше експериментально показані широкі технологічні можливості нетрадиційного металургійного способа отримання зварювальних матеріалів із зливків зі вставками, які заповнені порошковими матеріалами;

подальший розвиток отримав математичний опис процесу затвердіння композитних зливків - застосовані двомірні моделі заповнення виливниці із урахуванням гідродинаміки руху розплаву та кристалізації;

вперше експериментально встановлена можливість одержання та переробки композитних зливків зі вставками, які заповнені непластичними неметалевими матеріалами, та обсягом до 46% об'єму зливка, в тому числі коаксіальної конструкції.

Практичне значення одержаних результатів.

на базі встановлених закономірностей взаємодії мікролегуючих елементів із домішками сталі у високотемпературній області організації процесу створені композитні сталеві зливки для одержання зварювальних дротів, які оказують ефективну металургійну воздію на метал зварного шва, який формується;

підтверждена технічна можливість одержання та переробки високопродуктивними металургійними методами композитних зливків із металевими та неметалевими наповнювачами композитної вставки, в тому числі із композиціями легування здійснення яких важке або неможливе традиційними способами;

випробувано конструювання композитних сталевих зливків із уніфікованою матрицею, які забезпечують одержання ефективних складів зварювальних материалів, розроблених на основі принципу вилучення частини легуючого комплексу в композитну вставку; показана доцільність одержання та використання композитних зварювальних дротів широкого марочного складу та призначення;

використання сталевого зливка в якості уніфікованої матриці для одержання композитних зварювальних дротів значно розширює можливості металургійного виробництва в забезпеченні різноманіття сортаменту та гнучкості реагування на потребу в дротах різного складу;відмічені при фізичному моделюванні особливості кристалізації композитних зливків з твердими вставками та модифіковані математичні моделі можуть бути використані для прогнозування процесів формування литих композитів інших типів (наприклад, при одержанні зливків трьохшарової сталі для сільськогосподарського машинобудування тощо);

на основі дослідно-промислового випробування технології одержання сталевих зливків із використанням уніфікованого матеріалу матриці (сталь Св-08Г2С) показана можливість виробництва композитно-мікролегованих зварювальних дротів без зміни технологічних схем основних переробок та економічна ефективність композитного способу введення мікролегуючих добавок;

комплекс зварювально-технологічних випробувань композитно-мікролегованих зварювальних дротів з добавками РЗЕ показав перспективність їх впровадження та конкурентоспроможність на ринку Європейської спільноти.

Документи, які підтверджують використання результатів роботи наведені в Додатках до дисертації.

Особистий внесок пошукача. В диссертації узагальнені результати теоретичних та експериментальних досліджень виконаних особисто автором під час проведення науково-дослідних робіт, які виконувались в НМетАУ під керівництвом автора, або при його безпосередній участі. Основні ідеї роботи, принципи створення ефективних композитних зварювальних дротів із сталевих зливків, постановка задач та вибір методик експериментальних досліджень, теоретичні виклади та висновки належать автору. Автор не використав в роботі ідеї та розробки, які належать співавторам сумісно опублікованих робіт.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дослідженнь, які узагальнені в дисертації, були доповідені, обговорені та одержали позитивну оцінку на Міжнародних, Європейських та регіональних конференціях і семінарах: Друга Міжнародна конференція (Second International Conference) “Solidification and gravity”, Мішкольц, Угорщина, 1995; Міжнародна конференція (International Welding Conference) ”Welding Science & Technology”, Татранска Ломніца Матляре, Словаччина, 1996; Міжнародна науково-технічна конференція “Зварювання в енергетиці”, Київ, 1996; Європейська конференція асоціації матеріалознавців “The ASM International European Conference on Welding and Joining Science and Technology”, Мадрід, Іспания, 1997; Науково-технічна конференція "Пути повышения качества и экологичности литейных процессов", Одеса, 1998; Міжнародна науково-технічна конференція "Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів", Запоріжжя, 1998; Міжнародна науково-технічна конференція "Литейно-металлургические процессы. Новые технологии, материалы и оборудование", Київ, 1998; Міжнародна науково-практична конференція "Современные проблемы металлургии", Дніпропетровськ, 1999; Міждержавна науково-методична конференція "Компьютерне моделювання", Дніпродзержинськ, 1999; Науково-технічна конференція по теорії та практиці сталеплавильного виробництва, Маріуполь, 1999; Міжнародна конференція французського товариства металургів та матеріалознавців (SF2M) "Journees пAutomne 1999" ?ариж; Франція, 1999, Міжнародна конференція “Simulation, Designing and Control of Foundry Processes - FOCOMP'99” Краків, Польща, 1999.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 25 статтях в спеціалізованих фахових науково-технічних журналах та збірниках наукових праць (в т.ч. 7 без соавторів), 10 матеріалах та тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура дисертації. Робота складається із вступа, п'яти розділів, заключення, висновків та додатків. Основний зміст викладено на 333 сторінках друкованого тексту, включаючи 88 малюнків, 33 таблиці, 4 додатка та список використаних літературних джерел із 347 найменуваннь.

Автор щиро вдячний науковому консультанту, професору, доктору технічних наук Юрію Миколайовичу Яковлєву, поради якого допомогли автору представити цю роботу.

Вважаю своїм обов'язком висловити глибоку вдячність своєму першому вчителю к. т. н. Івану Микитовичу Зігало під керівництвом якого було розпочате вирішення цієї проблеми.

Автор від душі завдячує своїм колегам по роботі, співробітникам Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, Інститута електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, АТВТ Інженерно-технічний центр "Прометей", TNO Metals Research Institute за зацікавлене співробітництво та сприяння, завдяки якому результати, які узагальнені в дисертаційній роботі, доведені до практичного використання.

2. Основний зміст роботи

Теоретичні уявлення та практичні рішення в сфері мікролегування та модифікування сталі (в тому числі для металевих зварювальних матеріалів)

Проаналізовані сучасні теоретичні уявлення про рідкий стан розплавів та характер виявлення мікролегуючої (модифікуючої) воздії розчинних добавок активних елементів, металургійні можливості забезпечення вимог до зварювальних матеріалів. На основі систематики фізико-хімічних властивостей показана можливість апріорного вибору добавок, які дозволяють цілеспрямовано воздіяти на деякі технічно важливі властивості сталі (іонізаційну здатність, теплову поведінку, механічні властивості). Відмічено, що ефект індивідуальної воздії елемента на структуру та властивості сплавів залежить від характеру його хімічної взаємодії з наявними домішками та основою. Зроблений висновок, що структурна неоднорідність рідких і, далі, твердих металів щільно пов'язані, та в значній мірі визначаються хімічною неоднорідністю.

В результаті узагальнення літературних даних по модифікуванню сталі разноманітного сортаменту та власних теоретичних і практичних досліджень автора показано, що вибір модифікатора значно спрощується при врахуванні вимог до металопродукції в процесі експлуатації. З цієї точки зору зварювальні дроти є специфічним видом металовиробів, оскільки призначені для переплаву у зварювальній ванні. Нестійкість ефекту модифікування до переплаву не дозволяє якісним та структурним покращенням, які були досягнені відносно металу дроту (зливка), в повній мірі проявитися у відношенні зварного шва. Тому, стосовно зварювальних дротів можна стверджувати, що спосіб введення добавок до складу матеріалу (в состав металу або “шихтову” частину) визначає як тип його, так і ефективність воздії на формування структури та властивостей металу зварного шва.

На основі аналізу переваг та недоліків існуючих металургійних способів введення активних добавок в сталь та врахування специфічності призначення зварювальних дротів обгрунтована доцільність використання металу сталевого зливка, як уніфікованої матриці для створення широкої гами композитних зварювальних дротів із введенням до складу їх металевих та неметалевих добавок. Конструкція композитних дротів передбачає знаходження у вісьовій зоні однієї або декількох композитних вставок, які вводяться при розливці до рідкого ядра сталевого зливка. Композитна вставка містить компоненти, які сприяють стабілізації зварювального процесу та активній металургійній обробці металу зварювальної ванни. Конструкція композитної вставки може передбачати розділення об'єму її для одночасного вводу декількох матеріалів.

Термодинамічний аналіз взаємодії добавок активних елементів із домішками сталі при високих температурах

Феноменологічний аналіз умов протікання сталеплавильних та зварювальних процесів дозволяє стверджувати, що до формування складу та покращення структури зварного шва можна підходити (з деякими корективами), як до шихтовки металургійної плавки. Оскільки доля металу дроту в формуванні шва сягає 50%, він є основним компонентом шихтовки та ефективним засобом керування формуванням складу металу зварювальної ванни та структури шва.

Тому, більшість закономірностей, встановлених в металургійній практиці для оптимізації процесів виплавки сталі та покращення якості рідкого металу, можуть бути використані, та, при дотриманні певних умов, здійснені і у відношенні металу зварювальної ванни. Основною відміною металургійних систем промислових процесів зварювання та виробництва сталі є температура, при якій відбувається формування складу розплаву та взаємодія активних добавок із домішками сталі. Температурні умови процесу визначають повноту протікання реакції, ймовірність утворення тих чи інших сполук та кінетику процесу.

Для реакцій взаємодії мікролегуючих елементів (рідкісноземельні елементи, цирконій, титан, ванадій, ніобій) із основними домішками сталі виконані розрахунки рівноважних вмістів кисню, сірки та нітрогену в інтервалі концентрацій мікролегуючих елементів, які притаманні низьколегованим сталям зварювального сортаменту в інтервалі температур 1850-2800 К. Найбільш активними при температурах сталеплавильних процесів (навіть враховуючи рівень характерної концентрації) є кальцій, церій, цирконій та титан, а при температурах 2400-2600 К розкислювальна здібність вуглецю більша, ніж мікролегуючих елементів.

Крім того, продукти реакції окислення вуглецю знаходяться в газовому стані, і ступінь завершення її може бути достатньо повним. Термодинамічний аналіз показав, що активні у відношенні кисня мікролегуючі елементи, які введені в розплав (складу дротів суцільного перерізу), при температурах сталеплавильних процесів будуть повністю або частково (в залежності від вмісту) зв'язані в оксиди, що обмежує можливості мікролегування металу зварного шва. В разі введення мікролегуючих добавок в “шихтовій” частині дроту, вони здатні зв'язувати інші домішки сталі та легувати метал завдяки тому, що окислення вуглецю при температурах зварювальних процесів термодинамічно більш вірогідно та відбувається в першу чергу. Це може призводити до появи нових сполук, змінення порядку виникнення неметалевих фаз.

Для елементів, які фактично проявляють найбільшу активність у відношенні сірки та нітрогену виконані розрахунки рівноважних концентрацій. представлені залежності, які характеризують здатність елементів до зв`язування сірки.

Дослідження якості та властивостей модифікованого РЗЕ металу, а також змінення його складу та властивостей при переплаві показали, що РЗЕ утворюють сульфіди ти оксисульфіди, знаходження яких в металі покращує комплекс механічних властивостей сталі та які, в той же час, здатні до видалення при звичайному переплаві.

Відомо, що при електродуговому зварюванні низьколегованих сталей, в залежності від ступеню захисту дуги від взіємодії із повітрям, вміст нітрогену в металі зварних швів складає від 0,08 до 0,228 %. Тому вплив мікролегуючих елементів, які зв'язують нітроген, на якість та структуру швів (особливо для самозахисних дротів) є дуже суттєвим. Розраховані величини рівноважних концентрацій нітрогену для реакції розчинення його в присутності характерних для низьколегованих сталей концентрацій легуючих елементів та реакцій утворення нітридів мікролегуючих елементів в досліджуваному температурному діапазоні. Показано, що введення в розплав заліза мікролегуючих елементів, які здатні утворювати нітриди, а також марганцю призводить до підвищення розчинності нітрогену в залізі. Розрахунки взаємодії активних добавок з нітрогеном при реальних вмістах мікролегуючих елементів та нітрогену може відбуватися поблизу інтервалу кристалізації або вже в твердому металі. Найбільшу схильність до утворення нітридів проявляють цирконій, титан, церій та бор. Однак, існує велика вірогідність першочергової взаємодії активних у відношенні до нітрогену та кисню елементів із киснем. Тому, добавки елементів, які введені в склад зварювального матеріалу з метою нітридоутворення, повинні бути захищені від окислення в зоні дуги вуглецем, а в інтервалі температур сталеплавильних процесів - добавками мікролегуючих елементів - розкислювачів.

Так, експериментально встановлено, що сумісний ввод РЗЕ та титану дозволяє значно покращити структуру сталі та підвищити її міцність та пластичність. При цьому РЗЕ переважно зв'язують кисень та сірку, а титан утворює дисперні сполуки (карбонітриди), які зміцнють сплав. Підвищується ізотропність, дисперсність первинної та вторинної зеренної структури, рівень механічних та експлуатаційних властивостей сталі.

Аналіз власних результатів та даних інших авторів показує, що мікролегування (модифікування) металу зварного шва більш ефективно покращує механічні та службові характеристики його, ніж забезпечення ефекту “чистих швів”. Найбільш повно модифікування зварного шва відбувається при взаємодії активних добавок із домішками сталі безпосередньо в зварювальній ванні.

Для прогнозування складу продуктів взаємодії в реагуючих системах, склад яких відповідає сталям мікролегованих дротів, виконані розрахунки із використанням багатоцільового програмного комплексу "АСТРА". Розглянуті варіанти взаємодії в процесах зварювання в захисних газах - вуглекислому газі та аргоні, для характерного складу (%): С- 0,1; Mn - 1,6; Si - 0,7; S - 0,02; P - 0,02; O - 0,001; Al - 0,009; Ce - 0,05; Ti - 0,05.

Одержані залежності співвідношеннь та складу фаз системи (метал, шлак, газ) для різних температур організації процесу в захисних газах.

При температурах зварювальної зони (2873 К) відбувається видалення до 72% сірки в газову фазу при незначному підвищенні її вмісту в металі. Одночасно в газову фазу переходить до 88% церію. На відміну від цього, при взаємодії в CO2 видалення сірки до шлаку відбувається тільки при температурах сталеплавильних процесів і не перевищує 15%. Перехід сірки до газу при температурах зварювальної зони також суттєво нижчий (до 2,5 %). Таким чином, можливості видалення (зв'язування) сірки із металу одного і того ж складу значно знижуються, оскільки значна частина церію витрачається на взаємодію з киснем окислювальної атмосфери, воздію якої слід враховувати або попереджувати.

Розрахунком показано, що титан при проведенні процесу в аргоні залишається в металі і, таким чином, може утворювати дисперсні частки, які сприяють зміцненню сталі. На відміну від цього, в металі, який контактує із CO2, частина титану переходить в шлак. Вміст титану в металі є максимальним при температурі біля 2123 К (98%), коли починає проявлятися захисна дія вуглецю. Підвищення температури до 2873 К призводить до збільшення вмісту титану в шлаковій (35%) та газовій (39%) фазах, що обумовлене утворенням оксидів титану, їх дисоціацією та випаровуванням.

Одержані дані про утворення в системі іонізованих компонентів. При протіканні процесу в аргоні максимальний вклад в іонізацію дугового проміжка вносять іони церію (для порівняння, масс. %, при 2373 К - Ce+ - 2,31Ч10-7, інших іонів немає, при 2873 К - Ce+ - 1,4Ч10-4, Al+ - 2,32Ч10-7; Mn+- 6,86Ч10-7; Fe+1 - 4,85Ч10-7). Прогнозуємий ступінь іонізації в умовах, відповідаючих зварюванню в вуглекислому газі, значно нижчий (сумарна масова доля іонізованих компонентів в CО2 при 2873 К складає 1,638Ч10-5 % що в 8,7 раза нижче, ніж в Ar - 1,4312Ч10-4%), оскільки повністю відсутні іонізовані атоми церію, що знаходяться в складі стійких кисневих сполук.

Таким чином, в склад матеріалів для зварювання в СО2 є актуальним введення розкислювачів та вуглецю для забезпечення достатнього ступіню розкислення зварювальної ванни та проявлення елементами мікролегуючої здатності. При зварюванні в вуглекислому газі мікролегуючі добавки, які введенні до складу металу дроту, менш впливають на іонізаційні властивості матеріалу із-за окислювальної воздії середовища. Це підтверджує доцільність введення мікролегуючих добавок в ізолюючій композитній вставці.

Експериментальні та модельні дослідження процесів при кристалізації композитних зливків та поведінки порошків в композитній вставці при нагріві та деформації

Виконані експериментальні та модельні дослідження, які спрямовані на прояснення механізму процесів, що визначають формування композитних зливків, а також технологічних особливостей, можливостей та обмежень композитного способу ввода добавок в зливки та переробки останніх на дроти багатократною пластичною деформацією.

З метою візуалізації процесу формування та кристалізації композитних зливків із твердою вісьосиметричною вставкою було виконане фізичне моделювання на прозорій (тіосульфат натрію) моделі. Модель виконана в рамках геометричної подібності вісьовому перетину поширеної донизу виливниці МК12К (КДГМК "Криворіжсталь"). Динаміка росту твердої корки від стінки моделі відповідає закону квадратного кореню із середнім значенням коефіцієнту затвердівання bм - 0,386 см/хв0,5, що відповідає (в перерахунку із використанням критерієв подібності) коефіцієнту затвердівання сталі - 2,01 см/хв0,5 (за літературними даними 2,0-2,92 см/хв0,5). Швидкість росту корки з боку композитної вставки нижча і постійно зменшується до повного вичерпання теплоакумулюючої здібності її.

Відмічені особливості гідродинаміки руху розплаву при розміщенні в центральному об`ємі моделі вісьосиметричної вставки. Основна відміна полягає в тому, що центральна частина зливка блокована макрохолодильником.Тому, в перші моменти після розливки в розплаві утворюються два фронти кристалізації, які спрямовані по нормалі до поверхонь стінки форми та композитної вставки. В переохолоджених об`ємах прилеглого розплаву утворюються окремі кристали, завдяки яким були чітко видні низхідні потоки охолодженої рідини, які рухаються уздовж цих поверхонь. Відмічено, що інтенсивний конвективний рух закінчується приблизно за 1/7 - 1/9 загального часу затвердівання зливка. До того ж моменту практично повністю закінчується і формування конусу кристалів в донній частині зливка. Після прогріву вставки дія її, як макрохолодильника, завершується і низхідний потік біля її поверхні зникає. Спостережені деякі відміни процесу затвердівання модельних зливків із вставками різних об`ємів. При обсязі 1% об'єму зливка, вставка розплавилась у зоні теплового центру. Збільшення об'єму вставки до 1,5-2,5 % виключило підплавлення її та первісного намерзлого шару.

Структура модельних зливків має характер аналогічний реальним, тому можна вважати, що спостережені при моделюванні особливості гидродинаміки руху розплаву та його затвердіння, відповідають процесам формування сталевих композитних зливків.

Виконані експериментальні дослідження теплофізичних властивостей порошкових материалів, які використовували в якості наповнювачів композитних вставок для виробництва зварювальних дротів (феросплавів РЗЕ, цирконію, титану та графіту різного ступеню подрібнення). Встановлено, що теплопровідність порошків на 1-2 порядка нижча, ніж компактних материалів. Наприклад, для феротитану: компактного - 74,0 Вт/м К, порошку фракцією до 0,5 мм - 0,6 Вт/м К. Ефективна теплопровідність всіх досліджених порошків знаходится в межах 0,5-1,5 Вт/м.К. Показана тенденція підвищення коефіцієнта ефективної теплопровідності порошків з підвищенням температури, що, напевне, зумовлене неідеальністю контакту часток порошку, вкладом повітряних прошарків та підвищенням долі теплопередачі випромінюванням.

Розроблені методики розрахунку гідродинаміки руху металу та температурних полів при заповненні виливниці та подальшому затвердіванні сортових зливків, в тому числі із вісьосиметричними композитними вставками. Проблема заповнення та затвердівання сталевого зливка представлена двомірною вісьосиметричною нелінійною сумісною задачею гідродинаміки рідкого металу та теплопереносу у зливку, який формується: поля швидкостей металу рідкого ядра зливка та формування (товщини та форми) корки металу на межі із виливницею є взаємозв'язаними. Нестаціонарну гідродинаміку руху розплаву описували системою рівнянь Нав'є-Стокса:

- вектор швидкості розплаву, Р - тиск, r - густина, nэ - ефективний коефіцієнт кінематичної в'язкості, який враховує турбулентний характер руху рідини, F- вектор масових сил, - оператор Гамільтона, D - оператор Лапласа.

Нестаціонарне поле температур розраховували методом наскрізного розрахунку по диференціальному рівнянню теплопереносу:

де - t - час, - вектор швидкості рідини, Т- температура рідкого металу, l - коефіцієнт теплопровідності, с- теплоємкість, r- густина, Сэ (Т)- ефективна теплоємкість.

Рішення системи рівняннь гідродинаміки виконане із використанням методу розщеплення по фізичним факторам О.М. Білоцерковського.

Математична модель затвердівання зливка збудована в вигляді двомірної задачі теплопереносу. Всі рівняння доповнені відповідними початковими та граничними умовами. Проміжну перевірку адекватності математичної моделі виконали за літературними даними про кінетику затвердіння звичайних зливків масою 4,32 т, які одержані при пізньому введенні РЗМ для індикації межі розділу твердої та рідкої фаз в зливку, який кристалізується. Відносна похибка розрахункових значень товщин корки металу для різних моментів періоду кристалізації та горизонтів висоти зливка в порівнянні із промисловим експериментом склала не більш 6,25%, що підтвердило адекватність математичного моделювання.

Виконане математичне моделювання затвердіння композитних зливків з вставками, які заповнені порошками феросплавів РЗЕ та цирконію. В розрахунках використовували експериментальні значення коефіцієнтів теплопровідності та густини порошків. Співставлення розрахункових товщин намерзлих шарів на вставки різних діаметрів, із експериментальними даними, які визначені на темплетах заготовки квадрат 80 мм із промислових композитних зливків.

Моделювання забезпечило достатньо високий ступінь відповідності розрахункових та експериментальних даних. Відносна похибка загалом не перевищує 10%. Розрахунком не виявлено різниці в розмірах намерзлого шару для двох типів феросплавів. Величина намерзлого шару зростає при збільшенні діаметру та товщини вставки, що свідчить про переважний вплив маси композитної вставки взагалі, яка у великій мірі визначається розмірами оболонки її, оскільки густина сталі більш як в 3 рази вища за густину порошків наповнювачів. Визначені температури нагріву порошків наповнювачів (густина 2000-2500 кг/м3, коефіцієнт теплопровідності 0,60-0,75 Вт/мЧК) - 1650-1700 К.

Показана стійкість моделі при зміненні параметрів об'єкту та адекватність її результатів, в тому числі і при прогнозуванні теплового впливу композитних вставок. Універсальність методики дозволяє використовувати її в якості інструменту, який забезпечує можливість використання технології композитного введення для зливків різної маси. Однією із умов одержання якісних та стабільних за складом композитних дротів є відсутність нерівномірності деформації на всіх стадіях переробки. Оскільки композитний зливок (і, далі, дріт) має в своєму складів різні за механічними властивостями матеріали: сталеву матрицю та вставку, заповнену порошковими добавками феросплавів, вуглецьмістячих матеріалів, флюсів, тощо, провели дослідження процесу формозмінення на всіх переробках композитного виробу..Характер пластичної деформації композитних зливків із різними наповнювачами композитної вставки оцінювали виходячи із умови збереження об'єму, шляхом визначення розмірів профіля і вставки на макротемплетах та мікрошліфах металу на послідовних стадіях переробки.

При введенні в композитну вставку були продеформовані порошки різної природи та із різними механічними властивостями (кремністі феросплави РЗЕ, цирконію, феротитан, титанова губка, графіт, оксиди флюсуючих композицій), в тому числі і неметалеві матеріали. Встановлена відсутність суттєвої нерівномірності деформації при переробці композитних зливків. Загальне зменшення перетину профіля від зливка до дроту складає від 500 для лабораторних до більш як 250000 разів для промислових зливків. Показана стабільність процесу формозмінення при багатостадійній переробці композитних зливків із порошковою вставкою при використанні різних процесів обробки тиском - прокаткою, ізостатичним пресуванням, ковкою та волочінням.

Подібність поведінки при деформуванні великого набору різнорідних материалів свідчать про те, що характер і механізм формозмінення порошків в металічній матриці є загальним і визначається особливостями реологічної їх поведінки.

Аналіз механічних та фізичних характеристик матеріалів-наповнювачів дозволяє припустити, що в процесі деформації відбувається перерозподіл пор - одночасне збільшення кількості і зменшення розмірів їх і спостерігається явище рівноважної пористості, при якому процес деформації не призводить до суттєвого зменшення об'єму порошкового тіла. Рівень рівноважної пористості є зворотньопропорційним міцності металевої зв`язки, і, тому, для материалів із невисокою механічною міцністю (феросплавів, оксидів, тощо) може бути високим. Однорідний характер деформування порошкової композитної вставки із різних порошкових матеріалів сумісно з пластичною сталевою матрицею зумовлений подрібненням та переміщенням часток порошку при зменшенні профілю зі збереженням рівня рівноважної пористості.

Дослідження спрямовані на розширення використання композитного способу введення добавок, а також розробку і випробування композицій для зварювальних дротів різного призначення, в тому числі на основі підходу до металу сталевого зливка як уніфікованої матриці. Досліджено можливості використання в якості наповнювачів композитної вставки широкої гами материалів - металевих та неметалевих. Конструювання зливків для одержання різноманітних композитних зварювальних дротів виконували на основі єдиних принципів та з урахуванням вимог до них. З метою раціоналізації рішення поставлених задач композитні зварювальні дроти були умовно розділені на три основні групи:

мікролеговані композитні зварювальні дроти з загальною масовою долею мікролегуючих та модифікуючих добавок приблизно до 2%;

флюсомістячі композитні зварювальні дроти і дроти з оксидними композиціями для спеціальних видів зварювання;

макролеговані композитні зварювальні дроти для зварювання високолегованих сталей та зносостійких наплавок.

В першій групі експериментів здійснено комплексний та роздільний ввід різноманітних мікролегуючих та модифікуючих елементів в сталеві зливки. Розрахунками та експериментально встановлено, що практично всі мікролегуючі добавки (титан, цирконій, рідкісноземельні елементи, молібден, хром та ін.), в характерних для мікролегованих зварювальних сталей масового сортаменту кількостях, можуть бути введені в композитну

вставку у вигляді порошків феросплавів серійного виробництва без технологічних утруднень.

Виконана широка дослідницька програма по одержанню різних видів дротів на основі використання металу сталевого зливка, як уніфікованої матриці. Виготовлені композитні зливки для отримання дротів для зварювання низьколегованих сталей в середовищі захисних газів із високим рівнем зварювально-технологічних властивостей та якістю зварних швів:

з оптимізованим вмістом РЗЕ (0,03-0,05%) та цирконію (0,05-0,07%), що забезпечує при однаковому марочному складі матриці, високу стабільність процесу зварювання та низький ступінь розбризкування крапель електродного металу (2 % і 6 %, відповідно);

з оптимізованим вмістом РЗЕ та додатковим введенням в композитну вставку вуглецю у вигляді графіту. Дріт показав високий рівень зварювально-технологічних властивостей та підвищенний ступінь переходу РЗЕ в склад шва (на 5-11 %), що сприяє посиленню модифікуючої воздії РЗЕ у відношенні неметалевої фази металу;

виконане комплексне мікролегування/модифікування зварного шва одночасним введенням рідкісноземельних елементів та титану. Встановлений сінергизм воздії елементів, забезпечений високий ступінь розкислення металу шва та модифікування сульфідної та нітридної неметалевої фази, знижена пористість шва. За рахунок утворення складних карбонітридів титану підвищується міцність шва (в середньому на 20-40 МПа). Дріт показав високий рівень зварювально-технологічних характеристик при зварюванні в CO2: розбризкування на прямій полярності - до 5%, на обратній полярності - до 8%. Досягнене подрібнення зеренної структури метала та неметалевих фаз при сприятливому зміненні морфології останніх;

за рахунок введення в композитну вставку зливка марганцю показана можливість підвищення загального його вмісту в складі дроту (і, далі, зварного шва) без погіршення пластичності металу, що спостерігається при звичайному легуванні сталі.

Всі варіанти складів виконані на основі єдиної матриці - зливків сталі Св-08Г2С (вміст основних елементів, %: С - 0,05-0,11; Mn - 1,8-2,1; Si - 0,7-0,95; SЈ0,02; PЈ 0,02). Вибір сталі Св-08Г2С в якості уніфікованої матриці зумовлений тим, що вона має найбільший обсяг випуску і споживання в Україні, Росії та країнах СНД для механізованого зварювання металоконструкцій та була основою для розробки ряду складів мікролегованих дротів. Таким чином, встановлена можливість створення та одержання дротів разного марочного складу без змінення марочного складу виплавляємої сталі, за рахунок варіювання тільки складу наповнювача композитної вставки.

Дослідження показали, що можливе введення в композитну вставку частини, а в деяких випадках всього основного легуючого комплексу марочного складу зварювальних дротів. Частина розповсюджених в масовому сортаменті дротів має нижчий ступінь легування, ніж у сталі Св-08Г2С, що зумовило вибір в якості матриці нелегованої вуглецевої сталі Св-08. Крім того, в “шихтомістячих” зварювальних дротах (електроди, порошкові дроти тощо), металева основа представлена цією, або аналогічними сталями. Це зумовлює перспективність конструювання та здійснення композитного виконання дротів із використанням принципів, які закладені в ефективних складах “шихтомістячих” зварювальних материалів.

В розвиток цієї ідеї відлили зливки, які представляють композитний варіант виконання дротів суцільного перерізу марок Св-10НМА та Св-08ГА. В якості матриці використали сталь Св-08 (вміст основних елементів, %: С - 0,05-0,08; Mn - 0,6-0,8; Si - 0,04-0,12; S - 0,02; P - 0,02). Легуючий комплекс марочного складу вказаних сталей повністю винесений в композитну вставку (для Св-10НМА - Ni - 1,1% та Mo - 0,4% для 08ГА - Mn - 0,5%). Обсяг композитних вставок, які забезпечують введення легуючих в обох варіантах достатньо великий та складає - 10,89 та 2,78%, відповідно. В якості матриці в цих зливках випробуваний метал різних ступенів розкислення, але без змінення вмісту основних елементів: киплячий та спокійний (сталь заспокоїли присадками алюмінію). Встановлена можливість використання киплячого металу - досягнено надійне зварення вставки з металом зливка, сотові пузирі заварилися при деформації зливка. Оскільки киплячий метал має високу пластичність, переробка таких зливків не викличе утруднень при прокатці в промислових умовах та дозволяє зменшити кількість необхідних відпалів при волочінні.

Ще одна серія лабораторних експериментів спрямована на дослідження технічних можливостей створення композитних самозахисних зварювальних дротів. Запропоновано використовувати в цих цілях введення в композитну вставку вуглецьмістячих материалів - чавуну, сажистого заліза, графіту: при температурах зварювальної зони вуглець окислюється із утворенням моно- та діоксиду. Газ, який утворюється, забезпечує захист дуги, як і в разі дисоціації карбонатів.

Крім того, запропоноване введення в композитну вставку активних розкислювачів (РЗМ, цирконій, титан) в реакційно-здібному при зварюванні вигляді. Цей шлях передбачає запобігти утворенню пор зв'язуванням розчинених газів, переважно кисню та нітрогену, які потрапляють в метал зварювальної ванни при зварюванні на повітрі, в хімічні сполуки із утворенням неметалевих включень сприятливої морфології.

Виконані різні варіанти зливків для виготовлення композитних дротів із забезпеченням газового захисту дуги продуктами окислення вуглецю. Найкращі результати одержані при використанні графіту (ПГ 50ПУ), в якому вуглець має високу активність та низький коефіцієнт переходу в метал. Розрахована максимальна кількість газу, яка може виділятися при горінні 0,1% додатково введенного вуглецю - 2,04 дм3 на 100 г дроту.

Порівняння отриманого значення із експериментальною величиною газовиділення при зварюванні електродами із покриттям фтористо-кальцієвого типу - 5 дм3/100г показує співставний порядок їх. Таким чином, вже невеликі добавки вуглецю сприяють захисту дуги.

Випробуваний комбінований підхід: в композитну вставку введені активні розкислюючі добавки (РЗЕ - 0,065%, цирконій - 0,2%) та підвищений вміст вуглецю (на 0,1 - 0,18%), введенням його в композитну вставку або метал зливка. Зварювально-технологічні випробування показали, що кращі властивості мають дроти із композитним вводом мікролегуючих добавок та вуглецю.

Реалізована ідея комплексного розкислення-мікролегування зварювальної ванни щодо процесу зварювання на повітрі. Так, в композитну вставку введені значні кількості титану (до 2,5 %), який є активним розкислювачем та нітридоутворювачем. Дроти показали високий рівень зварювально-технологічних властивостей, як при зварюванні на повітрі, так і в захисному газі. Механічні випробування стикового з'єднання, звареного на повітрі дротом зі зливка з вмістом титана 2,5%, показали високий рівень міцності (sт=648 МПа, sв=731 МПа) металу шва, однак показники пластичності при випробуваннях на розрив d=2,3%, y=3,4% та ударний згиб КСV=0,6 - 4,2 Дж/см2 не задовільняють вимогам до з'єднань відповідального призначення.

Механічні властивості зварного шва, одержаного зварюванням на повітрі дротом із зливка із вмістом титану 1,1%, мають більш сприятливе сполучення міцності та пластичності: sт= 521,7 МПа, sв=648,6 МПа, d=19%, y=47,5%, ударна в'язкість (при +20 °С) - КСV=27 Дж/см2, що дозволяє використовувати його для зварювання конструкцій загального призначення без застосування захисних середовищ.

Виконана серія експериментів по виготовленню зливків для дротів з використанням в якості наповнювачів композитної вставки флюсуючих добавок та оксидів. Конструювання композитних зливків для зварювальних дротів із флюсовою серцевиною ускладнене тим, що обсяг композитної вставки є дуже великим, що зумовлене низькою густиною порошків компонентів флюсуючих систем. Необхідна кількість флюсу, яка звичайно вводиться до порошкових дротів, складає 5 - 8% масових. При середній насипній густині флюсових сумішей та чистих компонентів до 2000 кг/м3, об'єм полості композитної вставки може складати 15 - 50% об'єму зливка. Тому, використовували метод відливки, який передбачає видавлювання рідкої серцевини зливка примусовим зануренням композитної вставки. При цьому розливку металу виконують із розрахунковим недоливом, а верхню частину зливка заповнюють за рахунок внутрішнього тиску рідкого металу, який створюється введенням композитної вставки.

На базі аналізу літературних даних визначений ряд складів флюсів систем CaF2 - Al2O3, CaF2-SiO2, TiO2 -CaF2-Al2O3, введення яких в композитні вставки не визиває ускладнень. Запропоноване та випробуване роздільне введення компонентів флюсу.

Були відлиті зливки із роздільним вводом компонентів флюсу (% мас.): SiO2 - 1,7, CaF2 - 2,2. наведена фотокопія макроструктури металу переробного профілю 14 мм. Центральну частину розділеного об'єму коаксіальної оболонки композитної вставки заповнили CaF2, а кільцевий зазор - SiO2. Випробуваннями дроту діаметром 3 мм при зварюванні під флюсом було показано, що вилучення CaF2 із складу флюсу може зменшити утворення летючих з'єднань (SiF4) та твердих складових зварювального аерозолю за рахунок фільтрації їх крізь шлаковий пузир із екологічно дружніх речовин, який утворюється при розплавленні шару безфторидного флюсу.

Випробуваний композитний ввід оксиду титану (до 7% мас.) в центральній вставці в склад дроту для зварювання низьколегованих конструкційних сталей в захисних газах та на повітрі. За рахунок низького потенціалу іонізації TiO2 досягнене покращення зварювально-технологічних властивостей, як при зварюванні в СО2, так і на повітрі. Але при зварюванні на повітрі спостерігали мілкі пори в кратері шва, що свідчить про необхідність введення розкислювачів та елементів, які зв'язують нітроген.

Випробуване використання композитного способу введення для виготовлення дротів для “мокрого зварювання”. Відлили композитні зливки із роздільним вводом в коаксіальну вставку оксидів заліза та титану Fe3O4 - 5,38% та ТiO2 - 7,7%, загальна масова доля оксидів - 13%). Необхідність розділення об'єму композитної вставки викликана високим ступенем седиментаційного розшарування суміші цих оксидів. В макроструктурі перерізу зливка можна бачити чітку лінію стику фронтів кристалізації.

Дендритний характер структури свідчить, що теплоакумулююча здібність композитної вставки (масою 22 та об'ємом 46 відсотків об'єму зливка) наближена до максимально допустимої.Таким чином, експериментально встановлена можливість одержання та переробки зливків із композитними вставками, заповненими оксидними та флюсуючими (неметалічними) компонентами, в тому числі коаксіальної конструкції, та великих обсягів - до 46 % зливка, які предназначені для одержання композитних дротів для різних процесів зварювання.

Випробувано одержання композитних зливків для виробництва зварювального дроту типу Св-01Х19Н18Г10АМ4 (ЭП-690) в лабораторних умовах. Дріт призначений для зварювання в захисних газах стабільноаустенітних важкозварюємих корозійностійких сплавів типу 01Х27Н31М4Б (для виготовлення сосудів та трубопроводів виробництва мінеральних добрив). Запропоноване мікролегування дроту добавками рідкісноземельних металів, в тому числі із використанням композитного способу ввода.

Марочний склад основного металу зливків (% масових): вуглець - 0,02; хром - 18,9; нікель - 18,1; марганець - 10,3; молібден - 3,5; кремній - 0,2%, сірка - 0,006; фосфор - 0,008, алюміній - 0,06; титан - 0,02 (розкислення металу здійснювали присадками алюмінію і титану). Виконали слідуючі варіанти мікролегування РЗЕ: -введення фероцерію в рідкий метал перед відливкою зливка в розрахунку на 0,4% масових; - введення фероцерію на 0,2% в рідкий метал та 0,2% в композитну вставку (4,7% об'єма зливка) у вигляді сплаву марганець-церій (40% церію); - введення металевого іттрію на 0,4% в рідкий метал; - введення металевого іттрію на 0,2% в рідкий метал та 0,2% в композитну вставку (4% об'єму зливка). Сплав марганець - церій виготовляли спеціально, оскільки введення РЗЕ у вигляді кремністої лігатури є недопустимим за вимогами до хімічного складу матеріалу, а температура плавління фероцерію не дозволяє вводити його в композитну вставку.