Наукові та технологічні основи використання рідкісноземельних металів у зварювальних матеріалах для підвищення службових характеристик конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.791.052

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

НАУКОВІ ТА ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ВИКОРИСТАННЯ РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИХ МЕТАЛІВ У ЗВАРЮВАЛЬНИХ МАТЕРІАЛАХ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ СЛУЖБОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність: 05.03.06 - зварювання та споріднені процеси і технології

ЄФІМЕНКО МИКОЛА ГРИГОРОВИЧ

Маріуполь - 2010 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий консультант:

Д`яченко Світлана Степанівна, доктор технічних наук, професор, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор.

Офіційні опоненти:

Савицький Михайло Михайлович, доктор технічних наук, професор, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, керівник відділу, м. Київ;

Кассов Валерій Дмитрович, доктор технічних наук, професор, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедри "Підйомно-транспортні машини", м. Краматорськ;

Размишляєв Олександр Денисович, доктор технічних наук, професор, ПДТУ, професор кафедри "Обладнання та технологія зварювального виробництва", м. Маріуполь.

Захист відбудеться 21.05.2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь Донецької області, вул. Апатова, 115)

Автореферат розісланий 14.04.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01, доктор технічних наук, професор Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Конкурентоспроможність машинобудівельних виробництв тісно пов`язана з використанням якісних металевих матеріалів. Одним з ефективних засобів підвищення службових характеристик залізовуглецевих сплавів і їх зварних з`єднань без помітної зміни відношення ціна/властивості є використання для мікролегування рідкісноземельних металів (РЗМ).

Незважаючи на значний прогрес у розвитку теорії і практики застосування РЗМ в металургії, в зварювальному виробництві їх використання затримується. Це пов`язано з недостатньо вивченими процесами впливу РЗМ на метал зварного шва.

До теперішнього часу до кінця не розроблена теоретична концепція з питань механізмів впливу РЗМ на кристалізацію металу шва, дифузію елементів, корозійну стійкість, холодостійкість і ін.

Немає повної ясності в питані, як найефективніше використовувати РЗМ у зварювальних матеріалах (електродних покриттях, флюсах, шихті порошкових дротів) - у вигляді оксидів, чистих металів, фторидів чи складних комплексних лігатур. Існують значні розбіжності у визначенні залишкового вмісту РЗМ в металі зварних швів, що ускладнює прогнозування властивостей і звужує їх практичне використання у зварювальному виробництві. Не розкриті до кінця механізми впливу РЗМ на метал при зварюванні залежно від кількості їх введення у присадкові матеріали. Не до кінця установлено, які з РЗМ є найбільш ефективними для використання при зварюванні.

У зв`язку з цим проведення комплексних досліджень, спрямованих на максимальне узагальнення уявлень про вплив РЗМ на властивості металу шва, створює теоретичне підґрунтя для більш широкого використання РЗМ у зварювальному виробництві, що є актуальною проблемою і має важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно з координаційним планом найважливіших науково-дослідних, проектно-конструкторських і технологічних робіт в галузі науки і техніки, затвердженим науковою Радою з проблеми "Нові процеси зварювання і зварні конструкції" при ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ з виконавцями - ДП "Завод ім. Малишева", ІЕЗ ім. Є.О. Патона, п/с В-2652 "Розробка і дослідження електродів з покращеними характеристиками для зварювання нових спецсталей" (тема ТТ 7-615-75); Ясиновським коксохімзаводом МЧМ - "Розробити і впровадити корозостійкі матеріали (електроди), леговані РЗМ, для зварювання і ремонту апаратури коксохімічного виробництва" (д/р № 01870030340); "Розробити і впровадити порошковий дріт на основі лігатур РЗМ і технологію захисту від зносу коксохімічного обладнання шляхом механізованого наплавлення" (д/р № 01870031041); Єнакієвським коксохімзаводом - "Розробка технології виготовлення вузлів дробарок і пресів з використанням матеріалів, легованих РЗМ, для підвищення їх зносостійкості" (д/р № 01811331007); ВАТ "Турбоатом" - "Розробити і впровадити технологію зварювання товстостінних конструкцій з низьколегованих сталей з використанням високотехнологічних зварювальних матеріалів" (д/р № 01890021903).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - розробка наукових основ використання РЗМ при створенні присадкових зварювальних матеріалів для підвищення службових характеристик зварних конструкцій відповідального призначення.

Для досягнення цієї мети було необхідно вирішити такі задачі:

1. Провести аналіз і узагальнення сучасних уявлень щодо впливу РЗМ на структурні зміни і властивості ферито-перлітних і аустенітних високолегованих Сr-Ni, Cr-Ni-Mn та Cr-Ni-Mo сталей.

2. Обґрунтувати раціональність використання ітрію та вивчити механізм його впливу на структурні перетворення вуглецевої сталі (модельного сплаву) при нагріванні та охолодженні. Встановити закономірності зміни структури та механічних властивостей сталі від концентрації ітрію.

3. Дослідити чинники впливу на коефіцієнти засвоєння РЗМ металом шва при використанні їх у присадкових зварювальних матеріалах в різному вигляді (оксидів, лігатур, чистих металів).

4. Визначити залежність механічних і службових характеристик зварних швів від концентрації РЗМ.

5. На основі комплексного підходу дослідити вплив РЗМ на процес первинної кристалізації, перерозподіл сірки, дифузію вуглецю при зварюванні сталі та корозійну стійкість металу шва. Розширити уявлення про поведінку водню під впливом РЗМ при формуванні структури металу зварного шва.

6. На базі узагальнення результатів комплексних досліджень сформулювати науково-обґрунтовані рекомендації щодо практичного використання РЗМ при створенні складів зварювальних матеріалів з прогнозованими властивостями і впровадити їх у промислове виробництво.

Об'єкт дослідження - процеси формування структури металу зварного шва з мікродобавками РЗМ.

Предмет дослідження - механізми впливу РЗМ на структуроутворення при первинній та вторинній кристалізації, дифузійні процеси та механічні і спеціальні властивості (корозостійкість, холодостійкість, зносостійкість).

Методи дослідження. Для виконання поставлених завдань проводили комплексні експериментальні дослідження усіх значущих процесів, які всебічно характеризують вплив РЗМ на метал зварних швів сталей. Вивчення структури здійснювали за допомогою оптичної металографії, растрової та просвічувальної електронної мікроскопії. Кінетику ізотермічного розпаду аустеніту досліджували магнітометричним, дилатометричним та рентгеноструктурним методами. Для встановлення мікророзподілу хімічних елементів, їх дифузії, ідентифікації фаз використовували метод рентгеноструктурного, мікродифракційного та мікрорентгеноспектралього аналізів, а також авторадіографії. Дослідження стабільності структури здійснювали методом внутрішнього тертя (ВТ). Для визначення залишкового вмісту РЗМ в металі використовували один з ядерно-фізичних методів елементного аналізу - метод характеристичного рентгенівського випромінювання, збуджуваного протонами. Коефіцієнт дифузії водню визначали електрохімічним дифузійним методом Даванатхана і Сташурського. Корозійні дослідження і механічні випробовування проводили на типовому обладнанні.

Достовірність отриманих результатів підтверджується їх успішним використанням на підприємствах машинобудівного та металургійного профілів. рідкісноземельний зварювальний властивість конструкція

Наукова новизна отриманих результатів. В дисертаційній роботі узагальнені результати системного комплексного дослідження з актуального наукового напрямку - підвищення службових характеристик зварних конструкцій шляхом використання рідкісноземельних металів у зварювальних матеріалах.

Сукупність теоретичних положень і практичних результатів роботи може бути кваліфіковано як теоретичне узагальнення і вирішення важливої науково-прикладної задачі, що має велике народно-господарське значення.

Наукова новизна полягає в наступному:

1. Вперше здійснені системні комплексні дослідження впливу рідкісноземельних металів на структурні зміни зварних швів на сталі, починаючи з первинної кристалізації і закінчуючи перетвореннями в твердому стані і встановлений зв'язок між кількістю введених в метал РЗМ, структурою та механічними і службовими властивостями. Встановлено, що найбільш ефективним із РЗМ для виробництва зварювальних матеріалів є ітрій і лігатури з ітрієм. Сформульовані наукові положення, що забезпечують основи для розробки зварювальних матеріалів нового покоління - з підвищеними службовими властивостями, які містять у своєму складі РЗМ.

2. Встановлені закономірності впливу ітрію на структуру і властивості вуглецевої сталі. Вперше показано, що ітрій, крім рафінуючої і модифікуючої дії, спричиняє легувальний вплив на сталь (збільшує силу зв'язків у кристалічній ґратці фериту, підвищує ступінь закріплення дислокацій і стабільність структури, впливає на критичні точки та кінетику розпаду аустеніту). Проаналізована залежність структури та властивостей від залишкової кількості ітрію і встановлено, що оптимальною концентрацією є ~ 0,08 %. При такому вмісті ітрію значно уповільнюється дифузійна активність вуглецю, що перешкоджає утворенню карбідів. Надмірна його концентрація (? 0,2 %) призводить до утворення на міжзеренних межах високоітрійових фаз.

3. Вперше систематизовані результати експериментальних досліджень відносно визначення коефіцієнтів засвоєння РЗМ металом зварного шва при введені їх у присадкові матеріали (електродні покриття, флюси, суцільні і порошкові дроти), що дозволяє прогнозувати його структуру і властивості. В металі зварних швів з феритно-перлітною структурою ітрій при концентрації до ~ 0,01 % здійснює модифікуючий і рафінуючий вплив, що забезпечує найкраще поєднання всіх механічних показників. При збільшенні вмісту ітрію (? 0,01 %) в металі шва він проявляє себе як легувальний елемент. В аустенітному металі шва з точки зору отримання оптимального співвідношення показників механічних властивостей оптимальною є концентрація ітрію 0,002-0,004 %, а концентрація його 0,002-0,0035 % знижує швидкість корозії у 2-4 рази, підвищує стійкість до міжкристалітної корозії (МКК) у кислому середовищі. Введення у присадкові матеріали оксидів РЗМ (Y₂O₃, CeO₂) забезпечує подрібнення структури, але приводить до засмічення металу неметалевими включеннями.

4. Розвинені уявлення відносно впливу ітрію на поведінку сірки при первинній кристалізації металу зварного шва. Вперше виявлено, що ітрій усуває шаруватий розподіл сірки у зварних швах, сприяє перерозподілу її з пограничних ділянок у осі і тіло кристаліта, знижує хімічну мікронеоднорідність металу, що підвищує механічні властивості і службові характеристики конструкцій.

5. Вперше запропоновано механізм впливу РЗМ на процес кристалізації з рідкого стану, оснований на урахуванні їх активності при температурах зварювального процесу, та здатності зв'язувати у стійкі високотемпературні сполуки шкідливі домішки (S, O, H та інші) тим самим нейтралізувати їх негативну дію на метал шва. При введені ітрію на 40-50°С зменшується температурний інтервал кристалізації, що забезпечує підвищення технологічної міцності: металу з ферито-перлітною структурою на 30 %, з аустенітною структурою на 90 %.

6. Дістали подальшого розвитку уявлення про дифузійну поведінку водню у мікролегованих ітрієм металах зварних швів. Вперше експериментально доведено, що під впливом ітрію коефіцієнт дифузії водню знижується: у сталях, які мають об'ємно-центровану кристалічну ґратку - в 2 рази, в сталях з гранецентрованою кристалічною ґраткою - на 30 %. Причиною цього є присутність ітрію у неметалевих включеннях, а також твердому розчині, який забезпечує високу енергію електронних зв'язків з воднем.

Практичне значення отриманих результатів. На базі узагальнень результатів комплексних досліджень науково обґрунтовані технологічні рекомендації щодо розробки зварювальних матеріалів в вмістом РЗМ з підвищеними службовими властивостями. Розширено діапазон використання РЗМ при створенні і виготовленні присадкових матеріалів для електродугового зварювання.

Розроблено гаму складів присадкових матеріалів (захищених авторськими свідоцтвами -33а.с., патентами України і Російської Федерації - 2 патенти), які забезпечують високі службові характеристики зварних конструкцій (механічні властивості, корозостійкість, холодостійкість, зносостійкість). Розроблена технічна документація (технічні умови, технологічні процеси) на виготовлення зварювальних матеріалів, які застосовуються при зварюванні сталей різних структурних класів, зносостійких наплавок, лігатури з РЗМ, флюсу для механізованого засобу паяння, порошкових дротів.

Результати роботи впроваджені у виробництво на державному підприємстві "Завод ім. Малишева" (м. Харків) 1993р., ВАТ "Турбоатом" (м. Харків) 1991р., (широке використання розробок у виробництві підтверджено в 2009 році), Ясинівському коксохімічному заводі (м. Авдіївка) 1986, 1988г, Єнакієвському коксохімічному заводі (м. Єнакієво) 1984р., Ключевському заводі феросплавів (Росія) 1987р. та ряді інших підприємств машинобудівного профілю зі спеціальним та реальним економічним ефектом 500 тис. грн.

Ряд результатів розробок включений до підручників, рекомендованих МОН України для студентів вищих навчальних закладів зварювальних спеціальностей: "Зварювання спеціальних сталей і сплавів", 2007р. 192с. (автор М.Г. Єфіменко); "Металознавство і термічна обробка зварних з'єднань", 2003 р. 488 с. (автори М.Г. Єфіменко, Н.О. Радзівілова), а також використовується у науково-дослідній роботі студентів та аспірантів кафедри "Зварювальне виробництво" Української інженерно-педагогічної академії (м. Харків).

Особистий внесок здобувача полягає в розвитку теоретичних і практичних основ використання РЗМ при створенні і виготовленні присадкових матеріалів з підвищеними механічними та службовими властивостями.

Гіпотези, основні наукові положення, висновки та рекомендації, які виносяться на захист здобувачем, виконані самостійно. Основні результати дисертації одноосібно викладені у 10 надрукованих роботах [2, 12, 19, 22, 25, 29, 31, 35-37]і у 34 роботах участь автора складає не менше 60 %; захищено 33 авторськими свідоцтвами, та 2 патентами України і Росії, у яких автор брав участь в розробці складів зварювальних матеріалів, технології їх виготовлення, експериментальних дослідженнях технологічних і службових властивостей, їх впровадження у виробництво.

В роботах, надрукованих у співавторстві, автору належить:

- формулювання мети, розробка методики експерименту, технології виготовлення зразків, обробка і узагальнення результатів дослідження (1, 3, 7, 9, 16, 18, 21, 23, 38);

- визначення мети, розробка методики експерименту, структурні дослідження, висновки (5, 6, 8, 13, 15, 20, 26, 30, 39, 43, 44);

- ідея використання ізотопів при вивченні процесів дифузії при зварюванні, мікрохімічної неоднорідності, обробка отриманих результатів, висновки (5, 10);

- формулювання мети, розробка технології виготовлення зразків, обробка результатів експериментів, висновки (4, 7, 11, 14, 17, 23, 24, 40-42);

- визначення задачі досліджень, підготовка металу зразків, обґрунтування механізму впливу РЗМ на дифузійну рухливість елементів, висновки (23, 24, 27, 28, 32);

- ідея введення РЗМ для підвищення зносостійкості, структурні дослідження, висновки (33, 34).

Автор брав безпосередню участь як керівник і виконавець у договірних і держбюджетних науково-дослідних роботах, результати яких використані в даній дисертації. Брав участь у розробці технічної і технологічної документації (технічні умови, технологічні процеси, інструкції та ін.), впровадженні результатів дисертації у виробництво і авторський супровід при експлуатації. У всіх дослідницьких роботах його участь була визначальною.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на 7 міжнародних конференціях (Київ - 2000, 2002, 2003 р.; Харків - 2003р.; Москва - 1998р.; Донецьк - 1997р.; Львів - 2009р.) і 7 республіканських і національних (Київ - 1980, 2002 р.; Харків - 1981, 1990р.; Дніпропетровськ - 1987 р.; Запоріжжя - 1986 р.; Краматорськ - 1984 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на науковому семінарі технологічних відділів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, на науковому семінарі кафедри зварювального виробництва МДТУ ім. Баумана (м. Москва), на розширеному науково-технічному семінарі УІПА.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 69 робіт, у тому числі 30 статей у профільних виданнях. Нові технічні рішення захищені 33 авторським свідоцтвами та 2 патентами України та Росії.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота загальним обсягом 291 сторінок машинописного тексту містить 21 таблицю і 103 рисунки, складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 299 найменувань і 2 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведений сучасний стан питання, обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета і визначені задачі, які необхідно вирішити для її досягнення, показано зв'язок роботи з науковими програмами, темами, визначена наукова новизна і практична цінність.

В першому розділі розглядається роль РЗМ в управлінні процесами формування структури і підвищенні службових характеристик залізовуглецевих сплавів та їх зварних з'єднань. Виконаний аналіз показав, що більшість вчених пояснюють підвищення властивостей під впливом РЗМ трьома механізмами: модифікуванням, яке викликає подрібнення первинної структури; рафінуванням - очищенням від шкідливих домішок (S, P, O, H тощо); легуванням - зміцненням твердого розчину. Практичний досвід використання РЗМ при отриманні виробів показав їх позитивний вплив на властивості металу. Між тим, питання легувального ефекту РЗМ залишилось мало вивченим.

В металургії залізовуглецевих сплавів технічної і наукової проблем використання РЗМ практично не існує. Щодо металу зварних швів, його формування, на відміну від литва, відрізняється низкою специфічних умов (температурний режим, швидкість кристалізації тощо), що значно ускладнює їх вивчення і не дозволяє в повній мірі використовувати напрацювання вчених-металургів в царині впливу РЗМ на структуроутворення. Ці чинники у значній мірі і явились визначальними, що привело до затримки широкого використання РЗМ у зварювальному виробництві.

Відомості щодо ефективності і перспективності використання РЗМ (Y, Ce) у матеріалах для зварювання були висвітлені науковцями провідних наукових шкіл України, зокрема ІЕЗ ім. Є.О. Патона (Б.Є. Патон, Т.М. Слуцька, І.К. Походня, Ю.А. Грецький, В.Ф. Мусіяченко), ЗНТУ (А.Г. Александров, Ю.Н. Савонов) і інші, але глибоких матеріалознавчих досліджень у цьому напрямку проводилось мало.

Залишається недостатньо вивченим питання впливу РЗМ на кристалізаційні процеси, дифузійну поведінку хімічних елементів під впливом РЗМ, не систематизовані дані стосовно засвоєння РЗМ металом зварного шва, взаємодії РЗМ з вуглецем, сіркою, воднем при формуванні структури.

Проведений аналіз дозволив визначити напрямки системного наукового дослідження впливу РЗМ на особливості структуроутворення, фазовий стан, властивості металу.

В другому розділі представлено наукове обґрунтування вибору РЗМ, опис методів і методик дослідження, підготовка зразків.

Вищеозначена специфіка утворення металу зварного шва - значна швидкість охолодження, що призводить до утворення нерівноважних структур, мікрохімічної неоднорідності; вплив термічних циклів на нижні прошарки при багатопрохідному способі зварювання тощо - унеможливлюють досконале глибоке вивчення наміченої в роботі проблеми. У зв'язку з цим для вивчення легувального і модифікуючого ефектів впливу РЗМ за модель було використано вуглецеву сталь, отриману методом лиття. В подальшому цей метал використовувався для виготовлення зварювальних електродів, що дозволило з достатньою достовірністю трактувати механізм впливу РЗМ на метал шва.

В машинобудуванні для зварювання високоміцних загартованих сталей 30Х 2Н 2М, 45Х 2ГСНМД і інших основними зварювальними присадковими дротами є СВ-08Х 20Н 9Г 6, СВ-08Х 20Н 9Г 7Т, які найбільш відповідають умовам експлуатації конструкції із вказаних сталей. В експериментах використовувались електроди зі стрижнями з вказаних марок дроту.

Для зварних конструкцій коксохімічного виробництва, які експлуатуються в агресивних середовищах з участю сірчаної кислоти, роданідів, хлоридів, сульфатів амонію та інших сполук найбільш широко використовуються сталі Х 17Н 13М 2(3)Т, Х 18Н 9(10)Т. Для зварки цих сталей рекомендуються Cr-Ni-Mo присадкові дроти. Нами в експериментах використані дроти Х 19Н 11М 3 і Х 18Н 9Т.

Проаналізовано переваги і недоліки РЗМ при введені їх у метал при зварюванні. Зроблено висновки, що найбільш ефективними з точки зору технологічної, економічної, забезпечення підвищення механічних і спеціальних властивостей може бути ітрій, а також сплави з ітрієм і оксиди РЗМ. В експериментах було використано: ітрій металевий, лігатури з ітрієм, сплав Y-Mg, оксиди Y₂О ₃, СеО ₂, Du₂O₃, Sm₂O₃.

В третьому розділі розглянуто вплив Y на структурні зміни і властивості сталі хімічного складу (%, мас): С = 0,3; Mn = 0,51; Si = 0,27; P = 0,022; S = 0,033; Al = 0,027, яка була використана як модель. Залишковий вміст Y відповідно варіантам був такий (%, мас): 1-0,025; 2-0,045; 3-0,084; 4-0,12; 5-0,16; 6-0,21; 7-0,4; 8-1,6.

Експерименти показали, що Y спричиняє легувальний ефект на сталь. Це виявляється у зміні співвідношення структурних складових залежно від концентрації Y: до ~ 0,1 % відбувається зростання долі перліту, яка досягає ~ 80 % (рис. 1) при кількості вуглецю 0,3 %. Подальше підвищення вмісту Y створює феритизуючу дію, а при концентрації Y ? 0,21 % на межах зерен виділяються надлишкові фази.

Рис. 1. Вплив ітрію на вміст перліту у сталі 30.

Мікрорентгеноспектральним аналізом визначено, що надлишкові фази містять Fе, Al, Y, Mn і значну кількість вуглецю і розташовуються у вигляді сітки по межах первинних зерен. Це дає підставу вважати, що Y утворює ряд складних сполук з вказаними елементами, в тому числі карбідів. Утворення карбіду Y було підтверджено дослідженнями на сталі 20, у яку був введений ізотоп вуглецю ¹⁴С. З цієї сталі був виготовлений контейнер з різьбовим отвором, в який засипали дисперсний порошок Y. Контейнер закривали заглушкою і витримували при 900°С протягом 5 годин у середовищі аргону. Після охолодження порошок висипали на негативну плівку типу МР і виявили її інтенсивне почорніння, що вказує на насичення порошку вуглецем, тобто утворення карбідів.

Легувальний ефект проявляється також у зміні періоду кристалічної гратки фериту (рис. 2), положення критичних точок (рис. 3), стійкості переохолодженого аустеніту при ізотермічному перетворенні.

Вплив Y на період ґратки має немонотонний характер (рис. 2, крива 1): до 0,025 % він зростає, потім зменшується, починаючи з концентрації Y 0,16 % знову підвищується, досягає максимуму при 0,21 % Y і поступово зменшується.

Зростання періоду ґратки б-ферита до концентрації 0,025 % свідчить про утворення твердого розчину Y у Fе_б (0,1824 нм та 0,1339 нм відповідно). Одночасно з розчиненням Y у Fе_б - відбувається рафінування сталі (взаємодія Y з О, Р, Ѕ тощо), що призводить до зменшення періоду ґратки в інтервалі концентрацій 0,025-0,16 %. Подальше збільшення а, згідно з роботами А.П. Любченка, можна пояснити "дорозчиненням" Y в Fе після завершення процесу рафінування. Зменшення ж а при концентрації Y > 0,21 % пояснюється утворенням надлишкових фаз.

Зміна періоду ґратки Fе_б корелює зі значеннями мікротвердості структурних складових (рис. 2, криві 2 і 3), оскільки з підвищенням ітрію Y у твердому розчині відбувається його зміцнення.

Рис. 2. Вплив Y на зміну періоду ґратки б-фази (1), мікротвердості перлі- ту (2) і фериту (3).

Під впливом Y змінюється положення критичних точок (рис. 3), чим можна пояснити залежність кількості перліту від вмісту Y. Зниження точки Аr₁ при вмісті Y ~ 0,1 %, еквівалентне збільшенню швидкості охолодження, що і призводить до зростання кількості квазіевтектоїду.

Рис. 3. Вплив Y на положення критичних точок.

Ітрій значно впливає на перетворення переохолодженого аустеніту. При 0,084 % він зсуває С-подібну діаграму вправо, тобто підвищує стабільність г-фази.

Збільшення концентрації Y до 0,21 % зменшує інкубаційний період і діаграми ізотермічного перетворення для сталі без Y із 0,21 % Y практично однакові. При охолодженні з однаковою швидкістю зсув вправо С-подібної діаграми забезпечує розпад аустеніту в області більш низьких температур, що, як і зниження критичної точки Аr₁, повинно збільшувати кількість квазіевтектоїду у порівнянні зі сталлю без Y (рис. 1).

В роботі проаналізовані амплітудна та температурна залежності внутрішнього тертя (ВТ) сталі з різним вмістом Y (рис. 4). Встановлено, що найнижчий амплітудний фон ВТ має сталь з 0,084 % Y і це свідчить про формування найбільш стабілізованої структури. Як видно, стабілізація структури може бути пов'язана з підвищенням сили Пайєрлса-Набарро, загальним зменшенням густини дислокацій та збільшенням сили їх закріплення домішковими атомами.

Перші два чинники в даному випадку вирішального значення не мають. Останній чинник підтверджується експериментально. Як видно з рис. 4, а найбільшу критичну амплітуду г_кр має сталь з вмістом 0,084 % Y (32х 10^-5 у порівнянні з 10х 10^-5 для сталі без Y).

Рис. 4. Амплітудна (а) і температурна (б) залежності фону внутрішнього тертя: 1 - сталь без Y; 2-4 - з масовою долею 0,045; 0,084; 0,16 %Y відповідно.

Критична амплітуда г_кр оцінюється з виразу:

,

/де U - енергія зв'язку домішкових атомів з дислокаціями; G - модуль зсуву; b - вектор Бюргерса; С_о - середня концентрація домішок у твердому розчині; г_кр - характеризує момент відриву дислокацій від закріплюючих їх домішок.

Таким чином можна зробити висновок, що Y у кількості ~ 0,1 % зміцнює сталь за рахунок збільшення енергії зв'язку домішкових атомів з дислокаціями U.

Ця сталь є також і найбільш термічно стабільною - температура відриву дислокацій від домішкових атмосфер лежить в області 400°С, тоді як у сталі без Y - близько 200 °С (рис. 4, б).

Описані структурні зміни, закріплення дислокацій, рафінуючий ефект обумовили залежність властивостей сталі від вмісту Y, яка має екстремальний вигляд з максимумом при концентрації Y близько 0,1 % (рис. 5). Слід підкреслити, що за такої кількості Y одночасно забезпечується підвищення всіх механічних характеристик: у_в на 20 %, у_0,2 на 15 %, д на 81 %, ш на 125 %, КСU на 150 %. Таким чином можна однозначно стверджувати, що додаток у сталь приблизно 0,1 % Y суттєво підвищує її конструкційну міцність.

Практичним висновком з аналізу результатів досліджень, отриманих на моделі, є встановлення закономірностей впливу Y на параметри структури і механічні властивості і дає змогу з науково-обґрунтованих позицій з допустимим ступенем похибки використовувати їх в експериментах, пов'язаних з дослідженнями і розробкою зварювальних матеріалів, мікролегованих РЗМ.

Рис. 5. Вплив Y на зміну механічних властивостей сталі 30.

В четвертому розділі досліджений процес впливу РЗМ на твердіння, формування структури і властивості наплавленого металу і металу зварного шва. Визначені коефіцієнти засвоєння (Кз) РЗМ металом шва при їх введенні у різному вигляді (чистих металів, оксидів, лігатур) у присадкові матеріали (електродні покриття, порошкові і суцільні дроти, флюс). Вигляд присадкового матеріалу, об'єкт введення домішок РЗМ та їх вид і хімічний склад металу показано у табл. 1, а вміст РЗМ у наплавленому металі, залежно від їх кількості у присадковому матеріалі, на рис. 6.

Таблиця 1. Вид домішок і хімічний склад металу

№ вар.	Об'єкт введення домішок	Домішки	Хімічний склад, мас %
			C	Mn	Si	Cr	Ni	S	P
1	Стрижень	Y	0,31	0,52	0,3			0,033	0,022
2	Електродне покриття	Y	0,1	0,9	0,7	0,1	0,1	0,018	0,02
3		Y-Si- Al-Ca
4		Y2O3
5		CeO2
6		Y	0,1	5,5	0,7	18,6	9,7	0,013	0,022	0,05Ti
7		Y2O3
8		CeO2
9		Y-Mg
10		Y	0,07	1,2	0,8	18,7	10,8	0,012	0,019	2,3Мо
11		Y2O3
12		CeO2
13	Флюс	Y2O3	0,09	0,6	0,55			0,018	0,021
14	Шихта порошкового дроту	Y-Si- Al-Ca	0,11	1,2	0,6			0,02	0,02

Встановлено, що Кз знаходиться в області ~ 1-13 %. Найвищий Кз при введенні РЗМ у метал присадки (стрижень). При введенні РЗМ в покриття електроду, осердя порошкового дроту, флюс Кз = 4-7 % для ферито-перлітного металу і 1-5 % для аустенітного.

Розподіл РЗМ (Y) в металі зварного шва вивчали прямим експериментом, вводячи ізотоп ⁹⁰Y в електродне покриття. Як відомо ступінь рівномірності розподілу РЗМ в металі спричиняє значний вплив на рівномірність розподілу S, P, O, дифузійну рухливість вуглецю, водню, що у свою чергу впливає на анізотропію механічних властивостей. Виявлено відносно рівномірний розподіл його в металі.

Рис. 6. Залежність концентрації РЗМ у наплавленому металі від їх вмісту у присадкових матеріалах.

Розподіл сірки в металі вивчали шляхом введення ізотопу ³⁵S в основний метал (сталь 20). РЗМ (Y, CeO₂) вводили в електродний стрижень і покриття електрода. Сірка, як відомо, у зварних швах, відіграє основну негативну роль, утворюючи мікрохімічну неоднорідність, що знижує опір утворенню гарячих тріщин, ударної в'язкості металу.

Встановлено, що без Y розподіл сірки носить контрастний шаруватий характер (рис. 7, а І, ІІ). Сірка локалізується переважно у міжосьовому просторі дендрітів. У металі з Y шарувата неоднорідність сірки майже не спостерігається (рис. 7, б І), міжосьові простори проявляються менш чітко.

Рис. 7. Характер розподілу сірки у зварному шві вуглецевої сталі 20, виконаний електродом зі стрижнем із сталі 30 без Y (а); та з вмістом Y 0,084 % (вміст Y у шві 0,006 % б); авторадіограми - I, II, б; оптичні знімки - III. Ізотоп ³⁵S вводився у сталь 20. Збільшені ділянки ІІ і ІІІ відзначені на авторадиограмі І.

Вплив Y на дифузійну поведінку вуглецю вивчали на зварних з'єднаннях зі сталі 20, метал для зварювання виплавляли із введенням в нього ізотопу ¹⁴С. Встановлено, що у зразках без Y (рис. 8, І), при нагріванні утворюється широка зневуглецьована зона з боку сталі 20 і зона зі значним вмістом вуглецю з боку сталі 08Х 20Н 9Г 7Т (шов). При введенні Y у сталь 20 значно зменшується розмір як зневуглецьованої, так і навуглецьованої зон (рис. 8, ІІ).

В однорідних металевих парах відзначається аналогічна закономірність - введення ітрію в один із металів пари спричиняє його навуглецьовування, а наявність ітрію в обох металах пари забезпечує мінімальний градієнт по вуглецю, його відносно рівномірний розподіл в металі зварного шва і основному металі.

Рис. 8. Авторадіограми (а) і фотометричні криві (б) розподілу вуглецю у зварному з'єднанні сталь 20-08Х 20Н 9Г 7Т (метал шва) після відпускання при 650 °С, 100 годин.

Отриманий результат є ще одним свідченням того, що Y відноситься до карбідоутворювачів.

Здатність Y зменшувати дифузійну рухливість вуглецю використовувалась в експериментах з вивчення його впливу на корозійну стійкість Cr-Ni, Cr-Ni-Mn, Cr-Ni-Mo сталей у сірчаній кислоті. Встановлено, що мікролегування металу зварних швів РЗМ різко (в 2-3 рази) гальмує корозійний процес (рис. 9). Більш жорсткі умови випробувань зразків (650°С з витримкою 100 годин; електроліт 1М HClO4+0,1М NaCl) не змінили характеру протікання корозійних процесів. Це підтверджено значним зменшенням ступеню схильності мікролегованого металу до міжкристалічної корозії (МКК) (рис. 10).

Рис. 10. Залежність МКК металу зварного шва 07Х19Н11М3 від температури і часу: а - без Y; б - з вмістом 0,0028% Y.

Основним чинником підвищення стійкості металу до МКК є зменшення виділення карбідів Cr на межі кристалітів, підвищення чистоти міжзеренних областей (рис. 11).

Рис. 11. Стан міжзеренних просторів у металі зварних швів 07Х 19Н 11М 3 після термообробки при 650 ⁰С, 100 годин, виконаний електродами: а - вихідний варіант; б - з вмістом РЗМ. Ч4000.

При вивченні дифузійної поведінки водню встановлено, що у зразках з вмістом ітрію коефіцієнт дифузії (D_н) знижується (табл. 2). Як відомо, в сталях з ОЦК ґраткою дифузійне переміщення водню відбувається в основному через тіло зерна. Неметалеві включення, недосконалості меж, фази, які розташовані на межах зерен і кристалітів, являються пастками і затримують переміщення водню.

Таблиця 2. Хімічний склад і D_н наплавленого металу

Варіант	Хімічний склад, мас %	Середній розмір неметалевих включень (НВ), мкм	Ступінь забрудненості, ІзагЧ103	Коеф. дифузії водню DнЧ10-6 см 2/сек (10-7 см/с)*
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Ti	S	P	Y
1	0,09	0,9	0,63				0,019	0,021		3,9	12,6	2,33
2	0,1	0,9	0,6				0,017	0,02	0,0045	20	9,85	1,12
3	0,1	0,95	0,65				0,016	0,02	0,007	1,8	9,63	1,06
4	0,05	0,9	0,8	18,7	8,9	0,07	0,02	0,023				3,2±0,26
5	0,05	0,95	0,8	18,9	8,9	0,07	0,019	0,02				2,07±0,34

Примітка: * - позначення в дужках відносяться до варіантів 4 і 5.

Зниження індексу забрудненості, якісна зміна на межах зерен і кристалітів зменшує кількість пасток. Вказані зміни під впливом Y повинні були збільшити D_н. Всупереч цьому D_н зменшився у 2 рази (з 2,33 до 1,06 10^-6 см ²/с). Аналогічний результат отримано при дослідженні дифузійної поведінки водню у сталях з ГЦК ґраткою (D_н зменшився з 3,02 до 2,07 10^-7 см ²/с). Результати експерименту дають підставу стверджувати, що основною причиною затримки переміщення водню являється наявність Y в металі у вигляді НВ, фаз, рівномірно розташованих у матриці, а також Y, який частково знаходиться у твердому розчині.

Не виключено, що зв'язки атомів Y з воднем визвано не тільки пружною силою, а й хімічною взаємодією і за даними Савицького Є.М., можуть утворюватися стійкі сполуки з воднем типу YH₂.

Залежно від вмісту РЗМ (Y, Y₂O₃,CeO₂) у зварних швах сталей відбуваються значні структурні зміни. У ферито-перлітних сталях перш за все зменшується у 2-3 рази розмір зерна. В металі без Y, наплавленому електродами типу Е-50 (стрижень-сталь СВ-08А), як і електродами зі стрижнем модельного сплаву, найбільш імовірний розмір зерна 30 мкм (36 %) при розбіжності 5-50 мкм. Введення в покриття електродів типу Е-50 Y в кількості 0,1-0,3 % як і 0,16 % і 0,21 % у електродний стрижень (модельний сплав), різко звужує криву розподілу - середній імовірний розмір 7-17 мкм (~ 50 %), а при введенні у електродне покриття 1 % Y цей розмір зменшується до ~ 7 мкм (>55 %).

Імовірний середній розмір зерна при введенні 0,3 % Y₂O₃, або СеO₂ зменшується до 20 мкм (40 %). Зменшуються розміри НВ з 1-6 мкм до 0,6-2,0 мкм. Їх склад - YSi, Mn₂O, Y₂O₃, Y₂O₂S, Y₂S₃, YC₂, MnOЧ3Mn₂O₃ЧSiO₂. При вмісті Y в покритті до 0,3 %, що аналогічно його вмісту у стрижні модельного сплаву 0,12 % (залишковий вміст у металі шва до ~ 0,009 %) спостерігається модифікуюча і рафінуюча дія. Вміст Y в покритті >1 %, адекватний його концентрації у стрижні електрода 0,16 % (залиш. конц. ? 0,01 %), призводить до зміни структури і фазового складу (у металі шва фіксується структура бейнітного типу), що вказує на початок появи легувального ефекту. З точки зору отримання оптимальних в'язко-пластичних характеристик і службових властивостей зварних швів найкращою являється така концентрація РЗМ, яка забезпечує модифікуючий і рафінуючий вплив (рис. 12, 13).

Рис. 12. Залежність механічних властивостей наплавленого металу від вмісту ітрію в покритті електрода.

Рис. 13. Температурна залежність ударної в'язкості ферито-перлітного металу, наплавленого електродами: 1 - без Y; і з вмістом Y в покриті; 2- (0,1 %); 3-(0,3 %); 4-(0,2 %).

В аустенітних сталях під впливом РЗМ руйнується дендритна структура, зменшується розмір зерен, НВ. Модифікуюча дія оксидів (Y₂O₃,CeO₂) ідентична ітрію з тією різницею, що оксиди мають схильність забруднювати структуру металу. Очищення структури, підвищення механічних властивостей забезпечується введенням в електродне покриття до 0,1-0,3 % Y. Концентрація у покритті Y або Y₂O₃,CeO₂ >0,5 % призводить до підвищення кількості НВ, утворенню нових фаз, більшість з яких містять у своєму складі РЗМ, О, S, Са. В частині з них присутній вуглець.

Звуження температурного інтервалу кристалізації (ТІК) при твердінні розплаву сприятливо впливає, як відомо, на одну з важливіших характеристик - опір утворенню кристалізаційних тріщин. Досліджували зразки з модельного сплаву і переплавленого електродуговим способом цього ж металу. Встановлено (рис. 14), що вміст у зварювальному матеріалі 0,025 %Y (залишковий вміст 0,003 %) звужує ТІК на 40-50єС (підвищує температуру солідусу з 1390єС до 1440єС).

Рис. 14. Вплив ітрію на температурний інтервал кристалізації сталі 30.

Звуження ТІК забезпечило значне зростання технологічної міцності мікролегованих РЗМ зварних швів (рис. 15): вуглецевої сталі на 32 % (А_кр. підвищилось з 14 до 16,5 мм/хв.); аустенітної сталі на 65-90 % (А_кр. підвищилось з 11 до 18-21мм/хв.). На підставі виконаних експериментів та узагальнення даних інших досліджень, можна запропонувати такий механізм впливу РЗМ на процес первинної кристалізації. При зварюванні у розплавленому металі при температурі значно вище температури початку кристалізації РЗМ утворюють стійкі сполуки з киснем, сіркою. На наступному етапі на цих утвореннях адсорбуються і інші елементи, які мають високу хімічну спорідненість до РЗМ, у тому числі і вуглець. Вказані утворення виступають у ролі другої фази, яка активує процес кристалізації. Зменшується мікрохімічна неоднорідність. Зростає швидкість кристалізації. Доказом справедливості цієї гіпотези є зменшення ступеню шаруватості розподілу сірки у зварних швах, очищення меж зерен і кристалітів, зміна розташування НВ, підвищення стійкості металу зварних швів до утворення гарячих тріщин.

В роботі експериментально установлені концентраційні залежності механічних властивостей металу зварних швів від кількості введених у зварювальні матеріали РЗМ. Показано, що при введені у покриття електродів, шихту порошкового дроту, флюс оптимальна концентрація РЗМ дорівнює 0,1-0,3 % і 0,084-0,12 % при введені у суцільний дріт (залишковий його вміст у ферито-перлітному металі ~ 0,006-0,009 %). Такі концентрації забезпечують підвищення ударної в'язкості KCU₊₂₀ на 60 %, а KCU_-60 у два рази; підвищення д і ш на 40 і 10 % відповідно при деякому збільшенні властивостей міцності.

Рис. 15. Вплив РЗМ на технологічну міцність металу зварного шва. Примітка: коефіцієнт покриття електрода вуглецевого - 0,33; аустенітного - 0,25.

Введення оксидів РЗМ (Y₂O₃,CeO₂) в меншій мірі підвищує механічні властивості (загалом на 10-30 %), а вміст їх у покритті електрода ? 0,5 % поряд зі значним подрібненням дендритної структури призводить до збільшення кількості оксидних включень.

Рис. 16. Вплив ітрію на механічні властивості металу шва 10Х 20Н 9Г6.

Залишковий вміст Y ? 0,01 % призводить до зниження пластичності, ударної в'язкості і значного зростання міцності за рахунок зміни співвідношення структурних складових фериту і перліту та їх модифікування. Слід відзначити, що така концентрація Y у металі шва являється межею початку процесу легування.

Характер впливу РЗМ на зміну механічних властивостей металу зварних швів 10Х 20Н 9Г 6, 07Х 19Н 11М 3, 10Х 18Н 9Т однотипний. Установлено (рис. 16), що при оптимальній концентрації Y (0,1-0,3 % у покритті) зростають всі механічні показники, зокрема KCU підвищується на ~ 70 %. Основними чинниками такого зростання є очищення меж кристалітів від сірчаних легкоплавких сполук, подрібнення дендритної структури, підвищення технологічної міцності.

В п'ятому розділі представлені результати деяких основних розробок - зварювальні матеріали, які забезпечують підвищені механічні і спеціальні властивості зварних з'єднань, промислове випробування і впровадження.

Електроди для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей (марка ЗТМ-2У; а.с. № 626915) розроблені з використанням РЗМ - Si лігатури. Рекомендовані для зварювання сталей, які експлуатуються при негативних температурах. Хімічний склад (% мас.): С = 0,1; Mn = 1,19; Si = 0,9; S = 0,009; P = 0,016; Y = 0,0083. Механічні властивості: у_в = 640МПа; у_т = 510МПа; д = 29 %; ш = 70 %; KCU₊₂₀ = 2,3МДж/м ². Однією з визначальних характеристик надійності роботи конструкцій при негативних температурах є робота зародження і розповсюдження тріщини. Ці показники для металу, наплавленого електродами ЗТМ-2У при температурі мінус 40^оС збільшилися відповідно у 1,7 і 2 рази (з 0,08 до 0,16 МДж/м²).

Використовуються на ДП "Завод ім. Малишева" для зварювання блоків циліндрів дизелів Д 100 та інших вузлів. Занесені у "Каталог сварочных материалов". Морським регістром допущені для зварювання відповідальних судових конструкцій (лист № НИ-6 3/3-367 від 25.02.89).

Електроди для зварювання корозостійких аустенітних сталей на основі дроту Св-06Х 19Н 11М 3 (патент № 15674, Україна, марка ЛК-1) впроваджені для ремонтної зварки комунікацій (сатуратори, трубопроводи) у відділеннях виготовлення роданистих солей Ясиновського коксохімзаводу. Міжремонтний інтервал підвищився у 3 рази.

Електроди для зварювання загартованих високоміцних сталей типу 30Х 2Н 2М (а.с. № 133235, ЗТМ-ЛТУ 1-80, марка ЗТМ-Л), розроблені з використанням Y-Mg лігатури, що забезпечило: нейтралізацію шкідливих легкоплавких домішок, подрібнення дендритної структури і, як наслідок, підвищення в 1,5 рази критичної швидкості утворення гарячих тріщин, а також в 1,9 рази KCU. Введені у галузевий стандарт ОСТ В 3-43-02-88. Використовуються на ДП "Завод ім. Малишева" при виготовленні конструкцій спеціального призначення. Рекомендовані для впровадження на підприємствах оборонної галузі.

В основу розробки флюсу для паяння і наплавлення покладені результати досліджень впливу РЗМ на корозостійкість (а.с. 717842). Флюс (марка 200М 1) внесений у галузевий стандарт ОСТ 3-5150-80 "Флюсы для пайки металлов"; у конструкторську документацію - "ТУ на паяные соединения изделий 457, Д-100" ДП "Завод ім. Малишева".

Розроблена, пройшла успішне випробування і виготовляється лігатура С 30РЗЭ 10 (ТУ 14-141-91-87). Склад (%, мас.): Y = 10-15 %; Fe = 2-10 %; Ca = 0,3-5,0; Al = 2-8 %; Si - залишок. Розроблена з розрахунку її використання у електродних покриттях, флюсах, шихтах порошкових дротів. Виготовлювач - Росія, Ключевський завод феросплавів.

Порошковий дріт для зносостійкого наплавлення робочих поверхонь деталей конструкцій, які працюють в умовах ударно-абразивного зношування (А.с. 1279163). Хімічний склад наплавленого металу (%мас): С = 2,8; Cr = 26; Mn = 1,2; Si = 0,8; Ni = 2; РЗМ (Y + Ce) = 0,01…0,015; Fe = осн. Структура металу - надлишкові карбіди хрому (35-38 %) у аустенітно-карбідній матриці. РЗМ, які вводилися до осердя порошкового дроту у вигляді РЗМ-лігатури, забезпечили подрібнення структурних складових. Твердість наплавленого шару - 53-56 HRC. Технологія зміцнення робочих поверхонь впроваджена у виробництво на Єнакієвському коксохімзаводі. Зносостійкість робочих органів обладнання підвищилась в середньому у 3,1 рази.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведені теоретичні узагальнення та сформульовані нові уявлення відносно впливу РЗМ на механізми структуроутворення при електродуговому зварюванні сталей. Створено науково-практичні основи використання РЗМ у зварювальних присадкових матеріалах і розроблені технологічні рекомендації; розроблена гама складів зварювальних матеріалів і здійснено їх впровадження у промислове виробництво.

1. На основі отриманих результатів системних комплексних досліджень, спираючись на фундаментальні положення вітчизняних і зарубіжних вчених-металознавців, запропоновано механізми і визначені чинники впливу РЗМ на властивості металу зварних швів сталей, простежено весь ланцюг перетворень при формуванні їх структури, установлена ефективність використання одного із РЗМ - ітрія при розробці нових присадкових матеріалів з підвищеними механічними і спеціальними властивостями.

2. Вперше встановлено, що у вуглецевій сталі (модель) ітрій проявляє себе як легувальний елемент: змінює положення критичних точок; період гратки фериту; істотно впливає на кінетику розпаду аустеніту. Вміст Y в межах до 0,1 % збільшує кількість перлітної складової з ~ 40 % до ~ 80 %. Концентрація Y? 0,2 % приводить до феритизації структури з одночасним утворенням інтерметалідів, НВ, карбідів ітрію на межах зерен і кристалітів. Оптимальний вміст Y у сталі (0,084 %) підвищує силу зв'язків у кристалітній ґратці фериту, підвищує ступінь закріплення дислокацій, стабілізує структуру, що забезпечило зростання КСU₊₂₀ - на 70 %; KCU_-60 - в два рази; у_B - на 20 %; д - на 80 %; Ш - у 2,5 рази.

Встановлені закономірності впливу Y на структуру і механічні характеристики металу моделі явились основою і були використані у дослідженнях структурних перетворень і властивостей металу зварних швів при введенні РЗМ.

3. На основі систематизації експериментальних досліджень установлені коефіцієнти переходу РЗМ із присадкових матеріалів у метал шва при зварюванні сталі: з феритно-перлітною структурою К ₃ ? 4-13 % (7-13 % при введені у суцільний дріт; 4-7 % при введенні в покриття електрода, осердя порошкового дроту, флюс); з аустенітною структурою К₃ ? 1-5 %. З практичної точки зору це дає змогу апріорно вводити кількість РЗМ у нові присадкові зварювальні матеріали з метою отримання прогнозованої залишкової концентрації у металі зварних швів і, відповідно, прогнозувати їх властивості.

4. Прямими експериментами, використовуючи ізотопи ⁹⁰Y, ¹⁴С, ³⁵S установлено, що: ітрій являється карбідоутворювачем, гальмує дифузійну активність вуглецю; домішок Y усуває шаруватий розподіл сірки у зварних швах, забезпечує перерозподіл її з меж зерен і кристалітів переважно у тіло кристаліта, знижує мікрохімічну неоднорідність.

5. Запропоновано механізм впливу РЗМ на процес кристалізації металу шва, оснований на урахуванні їх високої активності і здатності зв'язувати у стійкі високотемпературні сполуки шкідливі домішки (S і інші) у передкристалізаційний період, що зменшує об'єм лікватів перед фронтом зростаючих кристалітів, різко підвищує температуру солідусу, внаслідок чого звужує ТІК на 40-50єС. Завдяки нейтралізації легкоплавкої фази, звуження ТІК підвищилась технологічна міцність зварних швів: низьковуглецевих сталей на 30 %; аустенітних в середньому на 80 %.

6. Отримали подальший розвиток уявлення відносно дифузійної поведінки водню в мікролегованих ітрієм зварних швах. Вперше встановлено, що введення Y в метал швів зменшує коефіцієнт дифузії водню у сталях з ґраткою ОЦК у 2 рази, з ґраткою ГЦК на ~ 30 %. Це пов'язано з присутністю у металі енергетичних пасток, якими являються рівномірно розташовані мілкодисперсні НВ з ітрієм, а також деяка частка Y у твердому розчині.

7. Зменшення дифузійної активності вуглецю під впливом Y гальмує процес утворення карбідів хрому на міжкристалітних межах аустенітних сталей. Вміст ітрію 0,0017-0,0032 % (0,1-0,5 Y в покритті електрода) зменшує у 2-3 рази інтенсивність розчинення металу шва у середовищі Н ₂SO_4, зменшує схильність металу зварних швів цих сталей до МКК.

8. На базі системних досліджень описано кількісно основні закономірності формування структури, механічних і спеціальних (корозостійкість, зносостійкість, холодостійкість) властивостей металу зварних швів на вуглецевих і аустенітних сталях під впливом РЗМ (Y, Y₂O₃, CeO₂, лігатур з РЗМ). Встановлено, що найкраще поєднання механічних і спеціальних властивостей досягається при вмісту РЗМ, який забезпечує переважно рафінування і модифікування розплаву. Такою оптимальною концентрацією в матеріалах для зварювання вуглецевих сталей являється 0,1-0,3 % Y у електродних покриттях, шихтах порошкових дротів; 0,08-0,12 % Y - у електродних стрижнях, суцільному дроті (концентрація в металі шва відповідно 0,0065-0,009 %).

9. Оптимальна концентрація Y забезпечує зростання механічних властивостей (низьковуглецевих сталей): КСU₊₂₀ - на 80 %; KCU_-60 - в 2 рази; д - на 40 %; ш - на 20 %; у_В - на 10 %. Заоптимальний вміст Y у металі (? 0,01 %) приводить до різкого зростання властивостей міцності і падіння пластичності. В аустенітних сталях оптимальний залишковий вміст Y становить приблизно 0,003-0,005 %, що забезпечує зростання показників: у_В - на 20 %; у_0,2 - на 25 %; д - на 15 %; ш - на 10 %; КСU - в 1.8 рази. Підвищення вмісту Y (? 1 %) у матеріалах для зварювання вуглецевих сталей приводить до відчутного легувального ефекту, а в металі швів аустенітних сталей при тій же концентрації в покритті електрода утворюються фазові виділення на межах кристалітів. Використання оксидів РЗМ (Y₂O₃, CeO₂) забезпечує модифікування структури, але забруднює метал неметалевими включеннями. З технологічної і економічної точок зору найбільш прийнятним для виготовлення електродних покриттів, флюсів, шихт порошкових дротів є використання РЗМ у вигляді сплавів і лігатур.

10. Результати виконаних наукових досліджень явились науковою базою для створення нових матеріалів для зварювання ферито-перлітних, спеціальних високоміцних, холодостійких, корозостійких аустенітних сталей, зносостійкого наплавлення, які пройшли дослідно-промислову та експлуатаційну перевірку і впроваджені в виробництво на ДП "Завод ім. Малишева" (м. Харків), Ясинівському (м. Авдіївка) і Єнакієвському коксохімзаводах, ВАТ "Турбоатом" (м. Харків) з спеціальним і реальним економічним ефектом 500 тис. грн. Новизна і оригінальність запропонованих рішень підтверджена 33 авторськими свідоцтвами, 2 патентами України та Росії.

...