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