Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0216

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0216
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное учреждение "Научно-учебный центр "Сварка и контроль" при МГТУ им. Н.Э. Баумана"
Название доклада
Разработка принципов модифицирования металла шва сварных соединений низкоуглеродистых низколегированных сталей за счет применения наноразмерных частиц.
Докладчик
Панкратов Александр Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью настоящего этапа работы являлось определить варианты составов сварочных материалов и схемы их применения, обеспечивающие введение наноразмерных тугоплавких частиц в расплав сварочной ванны. Для этого были решены следующие задачи: 1) проведен аналитический обзор научно-технической литературы, связанной с современными представлениями о модифицировании металла шва, в том числе наноразмерными частицами; 2) проведен патентные исследования по теме модифицирования металла шва, а также сварочным материалам; 3) проведены экспериментальные исследования возможностей современных сварочных материалов по обеспечению ударной вязкости металла шва сварных соединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей различными способами сварки; 4) проведено моделирование поведения наноразмерных частиц в сварочной ванне на основании термодинамического расчета фазовых и химических равновесий; 5) разработаны варианты составов сварочных материалов нового класса.
Актуальность и новизна исследования
Прочностные характеристики сварных конструкций в основном определяются механическими свойствами металла шва. Традиционный подход к решению проблемы низких механических свойств – это комплексное легирование и модифицирование. Современные сварочные материалы при сварке низколегированных низкоуглеродистых сталей различными способами сварки позволяют получить диапазон значений ударной вязкости металла шва при температуре испытаний «минус» 20 °С в диапазоне от 40 до 200 Дж/мм2. При этом наблюдается существенный разброс значений. Высокий уровень значений ударной вязкости металла шва обеспечивается за счет специфической схемы легирования металла шва, что повышает стоимость сварочных материалов и сварочных работ в целом.
В последние несколько лет появилась возможность применения наноразмерных частиц для модифицирования расплавов с целью повышения их механических характеристик. Несмотря на их широкое применение в металлургических процессах и процессах литья, применение в сварочном производстве сдерживается недостаточным представлением о поведении в расплаве сварочной ванны. Лишь в последние несколько лет появились работы, иллюстрирующие возможность применения таких соединений при сварке и наплавке. Однако, большинство исследований носит поисковых характер.
В связи с этим актуальным является использования тугоплавких наноразмерных частиц для модифицирования структуры металла шва.
Описание исследования

В рамках работы был проведен аналитический обзор научно-технической литературы, связанной с современными представлениями о модифицировании металла шва, в том числе наноразмерными частицами. Целью проведения обзора являлось определение современных представлений о влиянии наноразмерных тугоплавких частиц на структуру и свойства металла шва. Для ее достижения были решены такие задачи, как обзор научно-технической литературы, связанной с современными представлениями о модифицировании структуры металлов и сплавов, обзор научно-технической литературы, связанной с современными представлениями о модифицировании в металлургических процессах и процессах литья и обзор научно-технической литературы, связанной с современными представлениями о модифицировании металла шва наноразмерными частицами.

Также были проведены патентные исследования, целью которых являлось подтверждение соответствия выполняемого проекта, имеющего направленность на разработку сварочных материалов нового класса, современному мировому уровню научно-технического развития.

На этапе экспериментальных исследований возможностей современных сварочных материалов по обеспечению ударной вязкости металла шва сварных соединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей были изучены таки сварочные материалы, как штучные электроды, комбинации сварочная проволока+флюс и порошковые проволоки. Целью этих исследований являлось определение уровня ударной вязкости металла шва сварных соединений низкоуглеродистых низколегированных сталей, обеспечиваемый современными существующими сварочными материалами, при реализации различных способов дуговой сварки. Для этого были выполнены контрольные сварные стыки, из которых подготавливались образцы для проведения испытаний на ударную вязкость. После проведения испытаний полученные данные были обобщены и проанализированы.

Большой интерес представляет собой поведение наноразмерных частиц в сварочной ванне. Расплав сварочной ванны является сложной многокомпонентной системой, в состав которой могут входить различные химические элементы. В связи с тем, что задача решения многокомпонентных систем является сложной и требует решения большого количества уравнений термодинамики, для этого было проведено моделирование на основании термодинамического расчета фазовых и химических равновесий. Моделирование проводилось в разработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана программном комплексе «Терра».

Химический состав расплава сварочной ванны определяется составом основного металла, а также наплавленным металлом. Состав расплава сварочной ванны для низкоуглеродистых низколегированных сталей может быть определен следующим диапазоном: углерод 0,08..0,2 масс. %, кремний 0,5..1,0 масс. %, марганец 0,5..2,0 масс.%, железо – остальное. Также необходимо учесть никель, который служит в качестве транспортирующей частицы для наноразмерных частиц в составе композиционных гранул.

При проведении моделирования были приняты следующие граничные условия и допущения: 1) температурный диапазон: от 1500 К до 6000 К; 2) давление в расчетах принято равным атмосферному: 0,1 МПа; 3) расчет выполнялся в равновесных условиях (неограниченное время протекания реакции); 4) процентное количество каждого компонента расплава выбиралось из общей его массы 100 г.

Целью последнего этап работы являлось разработать состав сварочных материалов нового класса для сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей, обеспечивающих повышение ударной вязкости металла шва и/или стабильности ее значений за счет модифицирования металла шва наноразмерными частицами. Для этого необходимо было проанализировать опробованные составы сварочных материалов, опробованной для сварки низкоуглеродистой низколегированной стали, выбрать виды сварочных материалов для изготовления сварочных материалов нового класса, выбрать базовый состав для изготовления сварочных материалов нового класса и предложить составы сварочных частиц нового класса для выполнения экспериментов на следующем этапе работ.

 

 

 

Результаты исследования

Аналитический обзор научно-технической литературы показал перспективность использования тугоплавких наноразменых частиц для модифицирования структуры металла шва. Установлено, что, несмотря на их широкое применение в металлургии и технологиях литья для улучшения эксплуатационных свойств, в сварочном производстве в данном направлении ведутся лишь поисковые работы.

При этом механизм модифицирования металла шва наноразмерными частицами не раскрыт, а также сварочные материалы представляют собой единичные лабораторные образцы. Наноразмерные частицы вводятся преимущественно в составе композиционных гранул. Также следует отметить, что авторы обращают внимание на трудность обнаружения этих частиц в составе наплавленного металла, однако последствия их введения удается установить.

Согласно литературным данным максимальное значение количество опробованных наноразмерных частиц в металле шва не превышает 0,5 масс.%. При превышении этого количества высока вероятность в следствие коагуляции частицы падения эксплуатационных свойств.

Результаты анализа выполненного патентного поиска подтверждают соответствие выполняемого проекта современному мировому уровню научно-технического развития.

Экспериментальные исследования возможностей современных сварочных материалов при сварке низколегированных низкоуглеродистых сталей различными способами сварки показали, что они позволяют получить диапазон значений ударной вязкости металла шва при температуре испытаний «минус» 20 °С в диапазоне 40 - 200 Дж/см2. При этом наблюдается существенный разброс значений.

Полученные результаты показывают перспективность работ, направленных на создание сварочных материалов, позволяющих повысить стабильность значений ударной вязкости при сохранении средних значений не ниже 60 Дж/см2 при температуре испытаний «минус» 20°С.

В результате работы проведено моделирование поведения наноразмерных частиц в сварочной ванне на основании термодинамического расчета фазовых и химических равновесий, которое показало, что карбид вольфрама может оставаться стабильным вплоть до температуры 4000 К. Таким образом, при введении карбида вольфрама как в «головную», так и в «хвостовую» часть сварочной ванны стоит ожидать его сохранение в расплаве. Остальные рассмотренные тугоплавкие наноразмерыне частицы (нитрид титана TiN, оксид алюминия Al2O3 и карбид титана TiC) показывают свою стойкость лишь до температуры максимум 2000 К. Это делает перспективным их использование только при подаче в «хвостовую» часть сварочной ванны.

Показана целесообразность использования в качестве сварочных материалов, обеспечивающих модифицирование металла шва сварных соединений низкоуглеродистых низколегированных сталей за счет применения наноразмерных частиц, лигатуры и порошковой проволоки.

В качестве лигатуры могут использоваться композиционные гранулы, изготавливаемые при совместной обработке порошка чистого металла и наноразмерных частиц.

Выбраны базовые компоненты для изготовления порошковых проволок. Предложено вводить наноразмерные частицы в состав шихты при помощи композиционных гранул.

Установлено, что состав КГ в сварочных материалах должно быть подобран таким образом, чтобы количество наноразмерных частиц в металле шва не превышало 0,5 масс.%.

Состав шихты порошковой проволоки зависит от ее назначения и способа сварки. Базовыми компонентами являются: ферромарганец, ферросилиций и железный порошок.

 

Практическая значимость исследования
Данный отчетный этап является начальным в реализуемом проекте. Результаты отчетного этапа позволили: 1) определить возможности современных сварочных материалов по обеспечению ударной вязкости металла шва сварных соединений из низкоуглеродистых низколегированных сталей различными способами сварки; 2) выбрать виды сварочных материалов (лигатура, порошковые проволоки) для дуговой сварки; 3) сформулировать требования к температурным условиям, обеспечивающим отсутствие деградации тугоплавких наноразмерных частиц; 4) предложить варианты составов сварочных материалов нового класса.
Постер

Poster_FGAU_NUCSK.ppt