автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Физико-химическая кинетика взаимодействия алюминия со сталью при формировании металла шва с заданными свойствами

На правах рукописи

КОВТУНОВ Александр Иванович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АЛЮМИНИЯ СО СТАЛЬЮ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МЕТАЛЛА ШВА С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 О НОЯ 2011

Ростов-на-Дону - 2011

4859344

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольятгинский государственный университет» на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства и пайки».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Сидоров Владимир Петрович, Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чуларис Александр Александрович, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону; доктор технических наук, профессор Розен Андрей Евгеньевич, Пензенский государственный университет, г. Пенза;

доктор технических наук, профессор Соколов Геннадий Николаевич, Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград.

Ведущее предприятие: Национальный исследовательский университет

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск.

Защита диссертации состоится 29 ноября 2011 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.212.058.01 Донского государственного технического университета по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан «28» октября 2011 года.

Учёный секретарь диссертационного совета ^^р.в. Чумаченко

2

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Железо и алюминий являются самыми распространенными металлами в земной коре. Кларк алюминия в земной коре составляет около 7,45%, а железа - около 4,2%. Исходя из этого, применение данных материалов в качестве конструкционных будет актуально достаточно длительный период времени. Железо и алюминий существенно отличаются по своим физико-химическим свойствам. Благодаря этому появилась целая группа материалов, в которых оптимально сочетаются свойства этих металлов и их сплавов. Это прежде всего композиционные материалы с алюминиевой матрицей и волокнами из стали и биметаллы со стальной основой и алюминиевым покрытием, а также сплавы на основе интерметаллидных фаз системы железо-алюминий.

Значительная часть технологий изготовления конструкций из таких материалов связана со сваркой и родственными процессами (в частности, наплавкой).

В связи с расширением объема производства сталей с алюминиевым покрытием разработка технологий сварки таких материалов становится особенно актуальной. Исследованию процессов сварки алюминия со сталью были посвящены работы В.Р. Рябова, Д.М. Рабкина, С.М. Гуревича, P.C. Курочко, М.Х. Шоршорова, В.А. Колесниченко, Г.А. Бельчука, Ф.И. Раздуй, В.П. Ситалова,

B.В. Трутнева, С. Токеси, Т. Ясуо, Пялл К. Айхори, Г. Шнитца, Й. Вильдена,

C. Джена, С. Райха. В работах этих авторов показано отрицательное влияние алюминия на механические и технологические свойства металла шва. Результаты исследований процессов сварки сталей с алюминиевым покрытием приводятся в работах О.И. Стеклова, Н.П. Кармазинова, М.А. Сычевой, Е.Е. Зорина, И. Кунципала, где также указывается на снижение механических и технологических свойств металла шва при насыщении алюминием.

С другой стороны, алюминий с железом образует ряд интерметаллидных сплавов, которые обладают уникальными свойствами. Это высокая жаростойкость, коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред и повышенная твердость, что позволяет предположить повышенную износостойкость в условиях абразивного износа.

В работах В.Р. Рябова, A.A. Троянского, А.Д. Рябцева, H.H. Галяна указывается на преимущества сплавов на основе интерметаллидных фаз системы железо-алюминий и возможности использования их для наплавки. Однако низкая прочность и пластичность большинства интерметаллидных фаз ограничивают область их применения.

Целью диссертационной работы является расширение области применения композиций и сплавов системы железо-алюминий путем разработки научных и технологических подходов к управлению составом, структурой и свойствами металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием и наплавке сплавов системы железо-алюминий.

Автор выражает глубокую благодарность заместителю главного технолога ОАО «АВТОВАЗ», к.т.н., С.Р. Аманову и ведущему инженеру ОАО «АВТОВАЗ» A.M. Филатову за неоценимую помощь в проведении исследований

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. На основании исследований физико-химических процессов взаимодействия алюминия со сталью были разработаны пути управления содержанием алюминия в металле шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием и наплавке сплавов системы железо-алюминий;

2. Проведены исследования процессов рафинирования металла шва от алюминия при сварке сталей с алюминиевым покрытием и установлено влияние условий рафинирования на механические свойства сварных соединений;

3. Установлено влияние присадочных материалов на основе меди и никеля на состав и свойства сварных соединений при сварке сталей с алюминиевым покрытием;

4. Проведены исследования процессов наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий и установлено влияние алюминия на структуру и свойства наплавленного металла;

5. Выявлено влияние легирующих элементов на структуру, механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий.

Научная новизна. Новым научным положением, основанном на раскрытии металлургических особенностей взаимодействия алюминия и стали при сварке сталей с алюминиевым покрытием и наплавке сплавов на основе системы железо-алюминий, является создание научно обоснованных подходов к управлению содержанием алюминия для обеспечения необходимого уровня механических, технологических и эксплуатационных свойств металла шва.

1. Обобщены и развиты представления о влиянии алюминия на свойства металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием. Установлено, что алюминий снижает механические свойства металла шва вследствие искажения кристаллической решетки феррита при насыщении алюминием, увеличения размера зерна и увеличения растворимости углерода в феррите.

2. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность рафинирования сварочной ванны от алюминия связыванием его в газообразные галогениды, окисления и/или комплексообразования с переводом продуктов взаимодействия в шлак.

3. Развиты представления о влиянии алюминия на свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий с содержанием алюминия в пределах 10-50 ат.% Установлено, что при наплавке алюминия на низкоуглеродистую сталь формируется структура на основе пересышенного твердого раствора алюминия в железе с частичным упорядочением по типу В2(РеА1) и включений к-фазы (Ре3А1Сх).

4. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность легирования наплавленного металла хромом для упрочнения пересыщенного твердого раствора алюминия в железе, медью и никелем для пластифицирования и частичного замещения железа в твердом растворе и соединениях.

Практическая значимость. Разработан ряд технологических рекомендаций и составов флюсовых систем, обеспечивающих эффективное рафинирование металла сварочной ванны от алюминия и повышение механических свойств

сварных соединений, что послужило основой созданного технологического процесса сварки стали с алюминиевым покрытием.

Для ОАО «Торговый дом «Автотрансформатор» разработан и внедрен технологический процесс сварки элементов маслоохладителей трансформатора из стали 08кп с алюминиевым покрытием в среде смеси Аг+02 (70:30). Внедрение этой технологии в производство маслоохладителей силовых трансформаторов обеспечило экономический эффект более 500 ООО рублей.

Предложен новый тип наплавочных материалов на основе дешевых и недефицитных компонентов: железа и алюминия. Разработана методика расчета режимов аргонодуговой наплавки с использованием алюминиевой присадочной проволоки для получения требуемого химического состава наплавленного металла, Разработана технология наплавки износостойких сплавов на основе алюминидов железа.

Для ЗАО «Жигулевское карьероуправление» разработана и внедрена технология наплавки деталей горнодобывающего оборудования, работающих в условиях абразивного износа. Внедрение технологии наплавки позволило получить экономический эффект более 1,5 млн рублей.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на 12 всероссийских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», Тольятти, 2004 и 2005 гг.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства», Тольятти, 2006 г.; Четвертой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2007 г.; II Международной научно-технической конференции (Рез-никовские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», Тольятти, 2008 г.; Международной научно-технической конференции «Пайка-2008», 10-12 сентября 2008 г., Тольятти; Пятой международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование», Санкт-Петербург, 2008 г.; XII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2008 г.; Славяновских чтениях «Сварка - XXI век», 4-5 июня 2009 г., Липецк; 12-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», Санкт-Петербург, 2010 г.; V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», Томск, 2010 г.; VI Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», Томск, 2011 г.

В рамках диссертационного исследования выполнено 9 хоздоговорных работ на общую сумму 2,3 млн руб.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 65 работ, в т.ч. две монографии, 19 статей в журналах, рекомендуемых ВАК; получено 8 патентов РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов по работе, 9 приложений, библиографии, включающей 264 источника. Основной текст составляет 35к машинописных страниц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулирована ее цель.

В первой главе проведен анализ механизма взаимодействия алюминия и стали при сварочных процессах, показано влияние алюминия на механические, технологические и эксплуатационные свойства сварных соединений и наплавленного металла.

В равновесных условиях алюминий с железом образуют твердые растворы, интерметаллические соединения и эвтектику. Алюминий при содержании до 10 ат.%, растворяясь в феррите, изменяет параметры его решетки. При этом искажения решетки более значительны, чем при легировании хромом, никелем, марганцем. Таким образом, алюминий относится к металлам, сильно изменяющим размеры кристаллической решетки феррита, что приводит к значительным изменениям его свойств. До определенного значения повышается прочность, твердость феррита и снижаются пластические свойства, особенно ударная вязкость. Кроме того, алюминий значительно повышает размеры зерна и увеличивает растворимость углерода в феррите, что снижает и прочность, и пластичность металла шва.

При содержании алюминия в металле более 10 ат.% в структуре шва появляются интерметаллидные фазы, наличие которых еще в большей степени снижает прочность, пластичность и технологические свойства металла шва.

Однако интерметаллидные фазы отличаются высокой твердостью, что предполагает их высокую абразивную износостойкость. Сплавы на основе ин-терметаллидов РеА13, БеА1 обладают высокой стойкостью против окисления и газовой коррозии при обычных и повышенных температурах. Кроме того, эти сплавы имеют хорошую коррозионную стойкость в среде солевых растворов сульфатов и хлоридов. Несмотря на комплекс высоких эксплуатационных свойств, монолитные материалы на основе алюминидов железа не находят широкого применения в качестве конструкционных из-за их низкой прочности и пластичности.

Анализируя фазовый состав и свойства рассмотренных сплавов и считая металл шва при сварке и наплавке сталью, легированной алюминием, необходимо выделить два случая.

В первом случае алюминий снижает механические и технологические свойства металла шва вследствие легирования феррита и образования интерметал-лидных включений в стали. Повысить указанные свойства можно следующими способами:

1) снижением содержания алюминия в металле шва. Предварительное механическое удаление алюминиевого покрытия из зоны сварки с тонколистового

материала является трудоемкой задачей, усложняющей технологию сварки, поэтому более эффективно удалять алюминий в процессе сварки из сварочной ванны;

2) использованием в качестве матричного материала шва металлов, при взаимодействии которых с алюминием и железом формируются сплавы с необходимым комплексом механических и технологических свойств. Анализ конструкционных металлов показывает, что к ним можно отнести медь и никель. Диаграммы состояния систем Си-А1-Ре и №-А1-Ре имеют широкую область твердых растворов. Железо и алюминий в ряде медных и никелевых сплавов являются легирующими элементами, обеспечивающими повышение механических свойств.

Во втором случае алюминий обеспечивает формирование наплавленного металла со специальными свойствами за счет образования в структуре интерме-таллидных фаз с уникальным сочетанием твердости, коррозионной стойкости и жаростойкости. Однако невысокие механические и технологические свойства (склонность к образованию трещин) интерметаллидных сплавов требуют управления химическим и фазовым составом в процессе наплавки, а также разработки методов повышения указанных свойств. К известным методам повышения пластических свойств интерметаллидов относят микро- и макролегирование, дисперсионное упрочнение, формирование мелкозернистой или монокристаллической структуры. Наиболее приемлемым методом в процессах наплавки является легирование интерметаллидов третьими компонентами.

Основным требованием к легирующему элементу является его замещение в интерметаллиде компонентов. Растворимость третьего элемента в интерметал-лиде определяется положением элементов в периодической системе Д.И. Менделеева. Наибольшей растворимостью обладают элементы, близкие к компонентам интерметаллида в таблице Д.И. Менделеева, т.е. к алюминию и железу. О характере замещения основных компонентов третьим элементом можно судить по направлению протяженности областей гомогенности твердых растворов на изотермических сечениях тройных систем.

Учитывая положение железа в периодической системе, в качестве легирующих элементов предположительно можно использовать Сг, Мп, №, Си, а исходя из положения алюминия - М§ и 8ь

Во второй главе на основе моделирования термодинамики и кинетики физико-химических процессов взаимодействия сталей с алюминием предложен научно обоснованный механизм управления содержанием алюминия для обеспечения необходимого уровня механических, технологических и эксплуатационных свойств металла шва и наплавленного металла.

Логичным решением проблемы повышения свойств металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием является снижение содержания алюминия. Снижение содержания алюминия обеспечивается созданием при сварке физико-химических условий для удаления алюминия из сварочной ванны (рафинирования). При этом процесс рафинирования совмещается с процессом сварки, что повышает перспективность данного варианта и делает его универсальным как по типу производства, так и по сортаменту применяемого материала.

Содержание алюминия при сварке сталей с алюминиевым покрытием будет зависеть от отношения суммарной толщины алюминиевого покрытия к толщине стали, относительной толщине покрытия, определяемой выражением: К = 5А1/8СТ, где 5А1 - толщина алюминиевого покрытия с обеих сторон пластины; - толщина стальной пластины.

Учитывая, что при содержании алюминия в стали более 0,2 масс.% заметно снижается ее ударная вязкость, можно принять это значение за предельное и определить диапазон толщин, при которых удаление алюминия будет необходимым. Сталь с алюминиевым покрытием выпускается при К = 0,02...0,1, поэтому расчетное содержание алюминия в металле шва практически для всех толщин будет больше предельного значения (рис. 1а).

Введение присадочного металла увеличивает отношение наплавленного металла к к проплавленному и соответственно снижает содержание алюминия. При К<0,05 и при доле наплавленного металла к>5 появляется реальная область, где содержание алюминия менее 0,2% (рис. 16).

Проведенные исследования показали, что содержание алюминия более высокое, чем расчетное. Это объясняется особенностью поведения алюминиевого покрытия при интенсивном нагреве в процессе сварки.

А1, масс.% А1, масс.%

а) б)

Рис. 1. Зависимость содержания алюминия от соотношения толщин алюминиевого покрытия и стали при сварке: а) без присадочного материала; б) с присадочным материалом при отношении наплавленного металла к проплавленному, равному к

В зоне термического влияния (ЗТВ) алюминиевое покрытие интенсивно взаимодействует со сталью и кислородом воздуха, что приводит к формированию четырех четко разграниченных областей. Образование этих областей вызвано сложным комплексом физических явлений и химических реакций взаимодействия железа и алюминия, а также реакций окисления.

В зависимости от характера процессов взаимодействия алюминия со сталью и атмосферой можно выделить в зоне термического влияния четыре области: область стекания алюминия; интерметаллидную область; область переплава; окисленную область (рис. 2).

Рис. 2. Строение ЗТВ сварного соединения из стали с алюминиевым покрытием, выполненного аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом на постоянном токе: 1 - область стекания; 2 - область интерметаллидная; 3 - область переплава; 4 - окисленная область. Режим сварки: с1э = 3 мм, I = 50А, Усв = 0,2 см/с (х4)

В первой области покрытие отсутствует, т.к. алюминий коагулирует и с покрытия стекает в зону максимально высоких температур, т.е. в сварочную ванну. Это подтверждается тем, что при высокотемпературном нагреве сопротивлением стальных пластин с алюминиевым покрытием наблюдается подобный механизм коагуляции алюминия (рис. 3). По проведенным экспериментальным и расчетным исследованиям первая область ограничивается изотермами 1530— 1150°С.

алюминиевое покрытие

Рис. 3. Внешний вид пластины из стали с алюминиевым покрытием, при быстром нагреве до Т = 700°С.

Для расчета содержания алюминия с учетом наличия области стекания рассчитывали отношение суммарной массы алюминия в области стекания и области шва (исходя из ширины этих областей и толщины покрытия) к металлу шва. Ширину шва и ширину области стекания рассчитывали с использованием уравнения распространения тепла при действии нормально-кругового источника (НКИ) тепла на поверхности плоского слоя, испытывающего ограничивающее влияние нижней плоскости листа.

т=—"З—.тиЛ—в!4- ^ и , (1)

где х,у,г - координаты точки относительно подвижной системы координат источника теплоты, см; I - время процесса сварки, с; су - объемная теплоемкость, Дж/град-см3; q - эффективная мощность дуги, Вт; 5 - толщина металла, см; а - температуропроводность, см2/с; 10=1/4ак - постоянная времени, характеризующая сосредоточенность теплового потока от дуги к изделию, с; V - скорость движения источника тепла, см/с; N - количество фиктивных теплоисточников.

Применение уравнения (1) в исходном виде приводит к существенной ошибке в расчетах, что связано с отсутствием учета выделения скрытой теплоты плавления и кристаллизации, гидродинамических процессов в сварочной ванне, линейностью постановки задачи в отношении теплофизических коэффициентов, слабой изученностью распределенности теплового потока сварочных источников тепла. Для повышения точности расчетов была решена обратная задача, при которой исходя из геометрических размеров шва определялись плотность осевого теплового потока и КПД дуги, которые использовались при решении прямой задачи.

Расчеты по предложенной методике показали, что содержание алюминия в металле шва в 2-3 раза выше значений, полученных при расчетах без учета наличия области стекания.

Для рафинирования стали от алюминия необходимо алюминий связать в соединение, не растворимое в стали и легкоудаляемое из сварочной ванны. В качестве таких соединений могут выступать оксиды алюминия и его галогениды. Оксиды алюминия вследствие более низкой плотности удаляются из сварочной ванны в шлак, а галогениды - в атмосферу в виде газов.

Технологически процесс рафинирования можно проводить, используя активные защитные газы (кислород, хлор, фтор), пары легкоиспаряемых галоге-нидов, а также активные флюсы, содержащие вещества, обладающие меньшим сродством к кислороду или галогенидам, чем алюминий. При взаимодействии алюминия с указанными оксидами и галогенидами образуются оксиды, галогениды алюминия.

Переходные металлы и кремний, исходя из зависимости стандартной свободной энергии образования хлоридов от температуры, имеют более низкое сродство к хлору, чем алюминий, поэтому они могут применяться для рафинирования сварочной ванны от алюминия. Учитывая степень распространения металлов и их соединений, из переходных металлов могут быть использованы металлы 4-го периода. Термодинамические расчеты реакций взаимодействия алюминия с указанными веществами при температурах 1000°-3000°К показывают, что значения ^Кт»1 для большинства хлоридов указанных металлов обеспечивают протекание реакции рафинирования и сдвигают равновесие в сторону образования хлоридов алюминия.

С повышением валентности металлов в соединениях значение константы равновесия реакции рафинирования увеличивается. Наиболее высокие значения константы равновесия реакций наблюдаются с соединениями типа Ме2С14, МеС15, находящихся в газовой фазе. Применение хлоридов в конденсированном состоянии обеспечивает протекание реакций с более низкими значениями константы равновесия (рис. 4). Устойчивость повышается от хлоридов меди до хлоридов марганца. Поэтому для рафинирования целесообразно применять хлориды меди, никеля, кобальта.

Рафинирование сварочной ванны сопровождается легированием металла шва восстановленными элементами, которое приводит к изменению механических свойств сварного шва. При легировании металла шва никелем до 4% повышается ударная вязкость, что особенно важно для сварных соединений из

сталей, покрытых алюминием, пластические характеристики которых очень низки. Таким образом, предпочтительнее применение для рафинирования хлоридов никеля.

Термодинамические расчеты реакции взаимодействия алюминия с фторидами показывают, что абсолютное значение в 1,3-1,5 раза больше, чем с хлоридами. 1яКт<1 в реакции с РеБ (г) и МпР(г) при температурах выше 1750°С (рис. 5). Во всех остальных случаях 1§КТ»1, что обеспечивает самопроизвольное протекание реакций рафинирования в расчетном интервале температур.

Как и в случае с хлоридами, максимальные значения константы равновесия наблюдаются в реакциях алюминия с СгР5(г)-Си2р4(г)^5(г)-№2р4(г)-Со2р4(г).

5<ПбКт

1000 1500 2000 2500 3000 3500

1 - МпС14 (г); 2 - Си2С14(г); 3 - СгС15 (г); 4 - №2С14 (г); 5 - Со2С14 (г); 6 - Ре2С14 (г); 7 -УС14(г); 8 - $¡01 (г);9 - 2п2С14 (г)

1000 1500 2000 2500 5000

1 - СгР5 (г); 2 - Си2Р4(г); 3 -№2Р4 (г); 4 -УР5 (г); 5 - МпР4 (г); 6 - СоЛ (г); 7 - Ре2Р4 (г); 8 - 2п2Т4 (г); 9 — Э^Б (г)

1 - СиС12 (кж); 2 - МС12 (кж); 3 - СоС12 (кж); 4 - РеС12 (кж); 5 - РеС13 (кж); 6 -СгС12 (кж); 7- СиС1 (кж); 8 - гпС12 (кж); 9 - СгС13 (кж); 10 - УС13(кж); 11 -УС12(кж); 12-МпС12(кж)

12о"1гКт

1000 1500 2000 2500 3000

1 - МпР4 (к); 2 - СиР2 (кж); 3- №Р2 (кж); 4 - СоР2 (кж); 5 - СоР3 (кж); 6 - РеР2 (кж); 7 - СиР (к); 8 - гпБ2 (кж); 9 - РеР3 (кж); 10 - СгР2 (кж); 11 -МпР3 (к); 12 -№ (кж);13 - УРз (кж); 14 - МпР2 (кж); 15 -УР2(кж)

Рис. 4. Зависимость 1§КТ от температуры при взаимодействии алюминия с хлоридами и фторидами

Значение при рафинировании бромидами не превышает 85. Максимальные значения константы равновесия наблюдаются при рафинировании бромидами Си2Вг4(г), МпВг4(г), №2Вг4(г). Реакциям взаимодействия соединений йода с алюминием соответствуют более низкие значения константы равновесия. Значение не превышает 75. Наиболее высокие значения присущи соединениям Си214(г), №214(г), Сг14(г).

Алюминий обладает большим сродством к кислороду, чем большинство металлов, исключения составляют щелочные и щелочноземельные металлы. При рафинировании с использованием оксидов с меньшим сродством к кислороду продуктами рафинирования являются оксид алюминия и восстановленный металл.

Оксид алюминия, имея более низкую плотность, чем сталь, должен удаляться в шлак, а восстановленный металл - легировать металл шва.

Расчеты реакции взаимодействия алюминия с оксидами показывают, что значения выше значений для галогенидов (рис. 5). Максимальные значения наблюдаются при окислении алюминия Мп207 и У4Ою. Значения константы равновесия уменьшаются при уменьшении валентности металлов в соединениях. Для оксидов в конденсированном состоянии значение константы равновесия реакций окисления алюминия уменьшаются в ряду: Мп207 (кж) - Со304 (кж) -У205 (кж) - Ге304 (кж)- Мп304 (кж) - У204 (кж) - Мп02 (к) - СиО (кж) - Си20 (кж) - N¡0 (кж) - СоО (кж)- у-Ре203 (к) - Ре203 (кж) - БеО (к) - Мп203 (кж) -гпО (кж)- БЮ2 (кж)- Сг203 (кж) - МпО (кж) - У203(кж) - УО (кж). Следовательно, для успешного рафинирования целесообразно использовать оксиды, находящиеся в указанном ряду левее каждого последующего оксида.

В качестве окислителей для удаления алюминия могут успешно применяться кислород и углекислый газ, что реализуется при сварке в активных защитных газах и газовых смесях. Используя активные к алюминию защитные газы, процесс сварки в газовых средах можно успешно совместить с рафинированием стали.

Термодинамические расчеты показывают, что при взаимодействии алюминия с кислородом и углекислым газом изменение энергии Гиббса намного меньше 0, а ^КР»1, что обеспечивает протекание реакции в сторону образования продуктов реакции.

В качестве окислителя до 2300°К для связывания алюминия может использоваться оксид углерода (II), так как изменение энергии Гиббса реакции в указанном температурном интервале их взаимодействия меньше 0, а ^КР>1.

При окислительном рафинировании одним из продуктов реакции является оксид алюминия, который вследствие разности плотностей с металлом шва должен всплывать на поверхность сварочной ванны. Вероятность удаления окисных включений в шлак низка ввиду их незначительных размеров и, как следствие, низкой скорости всплытия. Расчеты показывают, что вне зависимости от толщины стального листа время всплытия частиц меньше времени жизни сварочной ванны только в области I, где диаметр частиц свыше 40 мкм (рис. 6).

Для повышения вероятности всплытия оксидных частиц исходя из анализа формулы Стокса можно увеличивать размер включений, уменьшать вязкость

стали или увеличивать градиент плотностей стали и включения. Снизить плотность твердых окисных включений практически невозможно, а перевести их в жидкое состояние с более низкой плотностью - за счет образования жидких растворов и эвтектик - вполне вероятно. Скорость всплытия при этом увеличивается пропорционально уменьшению плотности включений. При снижении плотности до 1,9 г/см3 скорость всплытия увеличивается более чем в 1,5 раза. Формула Стокса не учитывает влияния на скорость всплытия конвективных потоков, которые перемешивают металл и увлекают шлаковые частицы к поверхности сварочной ванны, однако позволяет оценить скорость всплытия в самых худших условиях для удаления шлака.

450 ^вКт

400

1000 1500 2000 2500 3000 3500

1 - Мп207 (кж); 2 - У4Ою (г); 3 -Со304 (кж); 4 - Ре304 (кж); 5 -Сг202 (г); 6 - СиО (г); 7 -№0 (г); 8 - ЪьО (г); 9 - БЮг (г)

1000 1500 2000 2500 3000 3500

1 - Со304 (кж); 2 - У205 (кж); 3 - Ре304 ( 4 - Мп304 (кж); 5 - У204 (кж); 6 - Мп02 (к); 7 -СиО (кж); 8 - Си20 (кж); 9 -N¡0 (кж); 10 -СоО (кж);11 - у-Ре203 (к.); 12 - Ре203 (кж); 13 - БеО (к); 14 - Мп2Оэ (кж); 15 - гпО (кж); 16 - БЮг (кж);17 - Сг203 (кж); 18 - МпО (кж); 19 - У203 (кж);20 - УО (кж)

Рис. 5. Зависимость от температуры при взаимодействии алюминия с оксидами

Рис. 6. Зависимость времени всплытия частиц оксида алюминия на поверхность сварочной ванны от толщины стального листа для частиц диаметром: 1 - 1 мкм; 2-10 мкм; 3-40 мкм; 4-100 мкм; 5 - 500 мкм. Кривая 6 - зависимость времени жизни сварочной ванны от толщины стального листа. Область I - область невсплытия, II - область всплытия частиц

Таким образом, для рафинирования стали от алюминия целесообразно применять не чистые активные оксиды, а их композиции (флюсы) с компонентами, обеспечивающими окисление алюминия и удаление оксида из сварочной ванны.

В качестве основы такого флюса, учитывая опыт производства алюминия, целесообразно использовать КазАП^, который с А1203 образует простую эвтектическую систему с температурой плавления 938°С и плотностью - 2,1 г/см3. Для снижения плотности предложено вводить СаР2, который, кроме того, снижает температуру плавления эвтектики до 910°С. Эвтектическая концентрация тройной смеси КазАШб-СаРг-АЬОз составляет 57:26,8:16,2. Плотность тройной системы определяется соотношением компонентов в криолитовом углу и составляет 2,080-2,34 г/см3. На основании термодинамических расчетов в качестве активной составляющей флюса предложено использовать оксиды никеля, хрома, железа, кремния и марганца.

Проведенные исследования показали, что при применении флюса на основе системы МазАШб-СаРг-А^Оз сварочная дуга отличается устойчивым горением при токе более 50 А.

Исходя из необходимости обеспечения устойчивости сварочной дуги для сварки сталей с алюминиевым покрытием был предложен флюс на основе базовой системы №С1-КС1-На3А1Рб (20:50:30), который обеспечивает устойчивое горение сварочной дуги при силе тока более ЗОА.

Альтернативой к рафинированию является замена стальной основы шва на никелевую или медную. В промышленности применяются никелевые и медные сплавы одновременно легированные и алюминием и железом. В алюминиевых бронзах содержание алюминия может составлять до 10 масс.%, а железа до 5 масс.%. В сплавах на основе никеля содержание алюминия доходит до 5 масс.%, а железа до 60 масс.%. При этом механические свойства алюминиевых бронз и хромоникелевых сплавов не ниже механических свойств сталей с алюминиевым покрытием.

При этом расчетное содержание алюминия в металле шва практически не превышает 10 масс.% (рис.1), а содержание железа при сварке с использованием медной или никелевой присадочной проволоки по расчетным данным, исходя из геометрических параметров стыкового шва в соответствии с требованиями ГОСТ 14771-76, намного больше 5% (рис.7).

Для снижения содержания железа до 5 масс.% при использовании медной присадочной проволоки объем наплавленного металла должен быть больше объема проплавленного более чем в 20 раз (рис.7), что реализуется при сварке с минимальным тепловложением в основной металл и с максимальными зазорами между кромками. При сварке с использованием никелевой проволоки с учетом допустимого содержания железа в металле шва объем наплавленного металла должен быть больше объема проплавленного не менее, чем в 1,3 раза, что реализуется и при сварке без зазора.

При наплавке сплавов на основе системы железо-алюминий управление содержанием алюминия осуществляется за счет регулирования режимов наплавки с целью формирования наплавленного металла с содержанием алюминия в пре-

делах 10-50 ат.%. В этой области формируется структура на основе интерме-таллидные фаз Ре3А1, РеА1, которые по сравнению с другими интерметаллид-ными фазами этой системы системы железо-алюминий обладают удовлетворительными механическими свойствами.

Для расчета режимов наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий при заданном содержании алюминия была разработана методика, которая основывается на определении режимов, исходя из рассчитанных площадей провара и наплавки.

а) б)

Рис. 7. Зависимость содержания железа в металле шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием с использованием медной или никелевой присадочной проволоки: а - от толщины стали, где 1- сварка без зазора; 2 - сварка с зазором 0,15мм; 3 - сварка с зазором 0,5 мм; б - от отношения объема наплавленного металла к объему проплавленного

В математической основе разработанной методики лежит применимая ранее модель распространения тепла от НКИ тепла на поверхности плоского слоя, преобразованная для расчетов распространения тепла в полубесконечном теле.

Сложности применения данной модели сравнимы со сложностями при ее применении для расчета режимов сварки алюминированной стали, поэтому выполнено решение обратной задачи теплопроводности для размеров экспериментальных валиков наплавленного металла, что позволило определить плотность осевого теплового потока, КПД дуги, коэффициент разбрызгивания.

В связи с трудоемкостью вычислений и сложностью расчетов тепловой модели разработано программное обеспечение для расчета размеров наплавленного валика, наплавленных поверхностей, режимов наплавки и обработки экспериментальных данных.

Процессы наплавки сопровождаются высокими скоростями охлаждения и кристаллизации металла шва, что приводит к формированию неравновесной структуры сплавов на основе системы железо-алюминий. В процессе наплавки наблюдается пересыщение а-твердого раствора алюминием, тормозится процесс упорядочения а-фазы. Стабилизирующий отжиг при температурах выше температур упорядочения и последующее охлаждение с контролируемой скоростью позволяют управлять структурой и свойствами наплавленного металла

Проведенные исследования показали, что при содержании алюминия более 20% резко снижается трещиноустойчивость наплавленного металла. Дополнительное легирование, как было отмечено, может положительно сказаться на механических и эксплуатационных свойствах наплавленного металла.

В третьей главе проведены исследования процессов рафинирования при сварке сталей толщиной 1,5 мм с двухсторонним алюминиевым покрытием толщиной 40 мкм. Исследованы влияние алюминиевого покрытия на процессы распространения тепла при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом и его поведение при нагреве в ЗТВ.

Химический анализ показывает, что содержание алюминия по сечению металла шва, полученного аргонодуговой сваркой без присадки, изменяется в пределах 1,4-4,1 масс.%. Содержание алюминия понижается около линии сплавления и с обратной стороны шва. Последнее является результатом окисления обратной стороны сварочной ванны кислородом атмосферы.

Зависимость количества алюминия от режимов сварки описывается уравнением:

% А1 = 2,40 + 0,02-1 - 1,11-Уев. (2)

Предел прочности соединений из стали с алюминиевым покрытием, полученных аргонодуговой сваркой, не превышает 150-165 МПа, что практически в 1,5-2 раза ниже предела прочности основного металла. Относительное удлинение составляет всего 2-2,5%. Металл шва склонен к образованию холодных трещин, что является следствием снижения прочности и пластичности стали при легировании алюминием.

При введении присадочного материала отмечается снижение содержания алюминия в зависимости от режимов сварки до 1,2-2,3%, т.е. в 1,5-3 раза по сравнению со сваркой без присадочной проволоки. Введение присадочного материала уменьшает величину зерна. В связи с этим происходит повышение ов до 170-180 МПа, 5 до - 3-5%.

Применение флюса на основе №3А1Р6-СаР2 с Ре203 в качестве окислителя снижает содержание алюминия до 3,3-3,9 масс.%, с БЮг - до 2,2-2,7 масс.%, с Мп02 - до 2,2-2,5 масс.%, с Сг203 - до 2,0-2,2 масс.%, с Си20 - до 1,2-1,7 масс.%, с МО - до 0,6-1,9 масс.%. Предпочтение при этом было отдано оксиду никеля в связи с положительным влиянием восстановленного никеля на механические свойства металла шва и высокую активность его оксида. В зависимости от содержания №0 во флюсе (от 5 до 50 масс.%) обеспечивается снижение содержания алюминия до 0,6 масс.%, ств повышается до 315-330 МПа, а б - до 22-24 %.

При использовании флюса на основе №С1-Ка3А1Р6-КС1 уменьшается ширина шва с лицевой стороны, что объясняется активирующим действием флюса, содержащего хлористые соединения. При этом пространственная устойчивость дуги обеспечивается даже при силе тока 30-35 А. Наиболее устойчива дуга при введении во флюс Мп02. Содержание алюминия и свойства металла шва практически не изменяются по сравнению с предыдущим вариантом рафинирования.

В качестве рафинирующих флюсов использовали хлориды переходных металлов: №С12, МпС12, БеСЬ. Процесс рафинирования при сварке протекает как в

зоне термического влияния перед сварочной дугой, так и в сварочной ванне в связи с повышением парциального давления хлора над сварочной ванной. Все хлориды обеспечили заметное снижение содержания алюминия в шве до 1,01,4 масс.%. Однако высокая токсичность хлористых соединений ограничивает область применения данных флюсов при сварке.

Сварка плавящимся электродом в среде активных газов и смесей обеспечивает снижение содержания алюминия по двум причинам: 1) увеличивается доля основного металла при подаче электродной проволоки; 2) происходит окисление алюминия СО2, 02 и продуктами их диссоциации. Исходя из их окислительной способности и распространенности целесообразно применение следующих сред при сварке покрытых сталей плавящимся электродом: СОг, С02+30% 02, Аг+30% 02.

Сварка в С02 приводит к снижению содержания алюминия до 0,9-1,0 масс.% (рис. 8а). Предел прочности при этом составляет 289 МПа, что в два раза выше ав соединения из стали с алюминиевым покрытием, полученного сваркой в среде Аг.

Сварка в газовой смеси С02+30%02 приводит к снижению содержания алюминия в шве до 0,40-0,68 масс.% , а сварка в смеси АгЮ2 - до 0,27-0,39 масс.% в зависимости от режимов сварки (рис. 86, в).

Зависимость содержания алюминия в металле шва от режимов сварки описывается следующими уравнениями (соответственно для сварки в С02, С02+02 или Аг+02):

% А1 = 0,97 + 0,0Ш - 0,12УСВ - 0,12 Упп; (3)

% А1 = 0,21 + 0,01 И + 1,20 Усв - 0,02УПП; (4)

% А1 = 0,42 + 0,0Ш - 0,40Уса - 0,06УПП. (5)

Однако вследствие разной активности окислительной среды, взаимодействующей с покрытием с лицевой стороны, и воздуха, взаимодействующего с обратной, алюминий распределен по сечению шва неравномерно: максимальное содержание наблюдается в нижней области шва, минимальное - в верхней.

v oj"

3.',

Vn.11., см/с

Vcb, см/с

А! масс. % 0,7

см/с см/с

Vn.ii, см/с

v » ^ Усв. см/с

0,25 03 0,20 0,25 0J0 " OJO 0,25 0,30

а) б) в)

Рис. 8. Зависимость содержания алюминия от режимов сварки в среде: а - С02; б - С02 +30%02; в - Ai+30%02; 1 - от напряжения Vnn = 2,7 см/с; VCB = 0,2 см/с; 2 - от скорости подачи присадочной проволоки при U = 16В; VCB = 0,2 см/с; 3 -от скорости сварки при U = 16В; Упп = 2,7 см/с

Для снижения содержания алюминия в корне шва сварку в С02 предложено проводить на флюсовой подушке, содержащей в качестве окислителей оксид никеля (II), плотность которого больше плотности стали при температурах выше линии ликвидус. Следовательно, применение N¡0 во флюсовой композиции не должно приводить к его всплытию и попаданию в металл шва.

В качестве базовой основы флюса, так же как и при аргонодуговой сварке, предложен состав МазАИ^-Са!^.

В зависимости от содержания во флюсе N10 содержание алюминия в корне шва составляет 0,66-1,00 масс.%, а с лицевой стороны - 0,71-1,00 масс.%. Максимальную пластичность обеспечивает флюс с содержанием 5 масс.% N¡0 и содержанием N1 в пределах 0,46-0,76 масс.%. При дальнейшем увеличении содержания №0 пластические свойства металла шва снижаются в связи с тем, что содержание № повышается до 2,65%. Прочностные свойства металла шва при увеличении содержания №0 возрастают.

При сварке сталей с алюминиевым покрытием функцию флюсовой подушки может выполнять поддув обратной стороны активным (окислительным) газом или газовой смесью.

В зависимости от режимов сварки поддув С02 снижает содержание алюминия до 0,1-0,8 масс.%. При этом разница среднего содержания алюминия в металле шва по вертикальному сечению - не более 0,1 масс.%. С обратной стороны шва в зоне сопряжения отсутствуют включения интерметаллидной фазы, которая снижает прочность и пластичность сварного соединения.

Зависимость содержания алюминия в металле шва при сварке в среде С02 с поддувом СОг описывается уравнением:

%А1 = - 0,64+0,0711 - 0,5УСВ - 0,02УП„. (6)

А1 масс.% 0,7

0,5 0,3'

0,1

16 18 20

и, В

2,7 3,2

„см/с

0,20 0,25 0,30"

а)

~з,¥ил

V., си/с

А1 масс. % 0,35

0Д0

3,7'-см/с V,. см/с

А1, масс. % 0,20

3,7'»'-СИ/С

о!зУ<-см/с

0,25 0,30 0Д0 0Д5

б) В)

Рис. 9. Зависимость содержания алюминия в металле шва от режимов сварки в среде С02 с под дувом: а - С02; б - С02+ 30%02; в - Аг+30%02; 1 - от напряжения при Ущ, = 2,7 см/с; Св. = 0,2 см/с; 2 - от скорости подачи присадочной проволоки при и = 20 В; Усв = 0,2 см/с; 3 - от скорости сварки при и = 20 В; Уп.п= 2,7 см/с

Как показывает зависимость, увеличение напряжения при сварке приводит к повышению содержания алюминия, что связано с увеличением ширины сварочной ванны и ширины зоны расплавления алюминиевого покрытия (рис. 9а). Прочность при растяжении сварных соединений, получаемых по предло-

женному способу, составляет 330-345 МПа, а относительное удлинение - 3438%.

Применение смесей С02+30%02> Аг+30%02 для поддува обеспечивает более эффективное рафинирование металла сварного шва от алюминия в связи с более высокой окислительной способностью данных смесей. Среднее содержание алюминия при этом на 5-10% ниже, чем при сварке с поддувом С02, причем при использовании газовой смеси Аг+30%02 эти значения ниже. Градиент концентраций алюминия по сечению шва - не более 0,1-0,2%. Зависимости содержания алюминия от режимов сварки с поддувом С02+30%02, Аг+30%02 (рис. 96, в) описываются соответственно выражениями:

% А1 = 0,2+0,0 Ш - 0,18УСВ - О.ОЗУш ; (7)

% А1 = 0,1+0,0111 +0,08УСВ - 0,04УПП. (8)

Относительное удлинение и прочность при растяжении составляют при этом 39-41% и 340-350 МПа соответственно.

Сварка в смеси Аг+30%02 при сварке стали с алюминиевым покрытием с поддувом обратной стороны этой же смесью также снижает содержание алюминия до 0,1-0,22%. Значения прочности при растяжении и относительного удлинения образцов соответственно составляют 340-365 МПа и 38-42%.

Проведенные исследования позволили разработать и внедрить на производстве ООО ТД «Автотрансформатор» технологию сварки маслоохладителей трансформаторов, изготовляемых из сталей с алюминиевым покрытием.

Маслоохладитель имеет конструкцию радиаторного типа с полостями прямоугольного сечения для подачи охлаждаемой среды. Маслоохладитель состоит из двух частей, получаемых штамповкой. В торцевые части его ввариваются входной и выходной патрубки.

Сварку элементов данной конструкции проводили в среде смеси аргона и кислорода с поддувом обратной стороны этой же смесью. Разделка кромок согласно требованиям ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные» для толщины 1,5 мм не требуется. В качестве сварочной проволоки применялась Св-08А диаметром 0,8 мм. Смесь газов подавалась в соотношении 70% аргона, 30% кислорода с обеих сторон. Режимы сварки: и = 20 В, Усв = 0,2 см/с, Упп = 2,7 см/с, 0Г= 14-15 л/мин.

После сварки шов и зона термического влияния зачищались на ширину 20 мм. Качество сварного соединения контролировалось визуально-измерительным методом, испытаниями на герметичность, механическими испытаниями и микрорентгеноспектральным анализом. Как показал химический анализ, среднее содержание алюминия в металле шва - не более 0,15%.

В четвертой главе проведены исследования процессов сварки сталей с алюминиевым покрытием плавящимися электродами на основе меди, никеля и их сплавов. Для сварки использовали пластины толщиной 0,6 мм и трубы диаметром 50 мм, толщиной 2 мм с двухсторонним алюмокремниевым покрытием толщиной 20 мкм.

Исследования показали, что при сварке в среде аргона пластин толщиной 0,6 мм из сталей с алюминиевым покрытием с использованием медной проволоки диаметром 0,8 мм формирование шва удовлетворительного качества с

полным проплавлением и равномерной шириной происходит в диапазоне режимов: напряжение и = 10-18 В; скорость сварки Усв = 0,22-0,27 м/мин; скорости подачи проволоки Упп=4,0-4,6 м/мин; зазор в стыке 5 = 0,3-0,6 мм.

В рассматриваемом диапазоне режимов металл шва имел следующий химический состав: 1,88-4,74 масс.% железа: 0,4-1,1 масс.% алюминия, остальное -медь. Зависимость содержания алюминия и железа в металле шва описывается выражением:

%А1 = 0.24и-0.06Упп+0,016 Усв-0,0348+0,719; (9)

% Бе = 1,43и-0,05Упп+0.28 Усв-0.0085+2,99. (10)

Уравнения показывают, что наиболее значительное влияние оказывает изменение напряжения на дуге, которое вызывает увеличение количества алюминия с 0,40 до 0,97 масс.%, а железа - с 1,88 до 4,74 масс.%. Это связано с увеличением площади расплавления основного металла и покрытия. Заметное снижение содержания алюминия и железа происходит при увеличении скорости подачи проволоки. Увеличение расхода присадочной проволоки с 1,2 до 1,3 г/см приводит к плавному снижению железа от 4,74 до 4,64 масс.% и алюминия от 0,97 до 0,88 масс.% в металле шва (рис. 10,11).

а1, мк&н а1, и«сс.%

1_]_| V,, н/иии

0Д2 0Д45 0,27

I_I_I Ьмм

0,9 ДО 0,6

а) б)

Рис. 10. Зависимость содержания алюминия: а) от напряжения дуги (1), скорости подачи присадочной проволоки (2), скорости сварки (3), зазора между свариваемыми кромками (4); б) расхода присадочной проволоки

0,3 0,45 0,6

а) б)

Рис. 11. Зависимость содержания железа: а) от напряжения дуги (1), скорости подачи присадочной проволоки (2), скорости сварки (3), зазора между свариваемыми кромками (4); б) расхода присадочной проволоки

Таким образом, содержание алюминия и железа в металле шва практически не выше предела легирования медных сплавов. Механические свойства металла шва при этом определяются химическим составом и, следовательно, режимами сварки.

Зависимость механических свойств металла шва от режимов сварки описывается уравнениями:

НУ = 7,98и-5,07Уап+5,9Усв-7,18+68,1; (11)

оВ = 20и-16Упп+21 Усв-185+302; (12)

5 = - 0,74и+0,16Упп-0,03Усв+0,085+15,7. (13)

Анализ полученных уравнений регрессии показывает, что с увеличением значений факторов, обуславливающих снижение содержания алюминия и железа в металле шва (скорость подачи проволоки и зазора между свариваемыми кромками), твердость и прочность металла шва уменьшаются, а с увеличением скорости сварки и напряжения, которые увеличивают содержание алюминия, эти параметры увеличиваются. Влияние режимов сварки на относительное удлинение металла шва противоположно влиянию на его прочность и твердость, поскольку алюминий и железо уменьшают пластические характеристики меди.

Исследование процессов сварки стали с алюминиевым покрытием без зазора с использованием никелевой проволоки в среде аргона на пластинах с алю-мокремниевым покрытием показали, что удовлетворительное качество шва формируется в следующем диапазоне режимов: и = 9-13 В, Упп = 1,67-2,49 см/с, Усв = 0,50-0,66 см/с при диаметре электродной проволоки 1мм. Химический анализ показал, что в исследуемом диапазоне режимов в составе металла шва содержится никеля от 60 до 70 масс.%, железа - 30-40 масс. %, алюминия - 1,0-1,45 масс. % (рис. 12). Зависимость содержания алюминия и железа описывается выражением:

А1 % = 1,2+0,03и-0.07Уп.„ - 0,38УСВ; (14)

Бе % = 31,47+0,85и-1,35Ул.п. -7,22УСВ. (15)

а) б)

Рис. 12. Зависимость среднего содержания алюминия (а) и железа (б) от: 1 - от напряжения; 2 - скорости подачи проволоки; 3 -от скорости сварки

Прочность металла шва при этом составляла 400-470 МПа, а относительное удлинение 18-23 масс.%. Увеличение доли наплавленного металла снижает со-

держание в металле шва железа и алюминия, что повышает его прочностные и пластические характеристики в исследуемом диапазоне концентраций легирующих компонентов.

6,%

м>

J 0, г/см

0,33

и, В О, г/см

0,33 0,40

а) б)

Рис. 13. Зависимость прочности при растяжении металла шва (а) и относительного удлинения (б) от напряжения (1) и расхода присадочной проволоки (2)

Применение электродной проволоки Св-Х20Н80 обеспечило формирование шва с однофазной структурой. Распределение алюминия, кремния, никеля и хрома по сечению шва в целом равномерное. Количественное содержание элементов определяется расходом электродной проволоки. Наиболее заметно влияние расхода проволоки сказывается на изменении содержания железа, никеля, хрома (рис. 14). Содержание никеля составляло 42-50 масс.%, хрома 1012 масс.%, а железа 30-40 масс.%.

Содержание алюминия и кремния при увеличении расхода проволоки незначительно уменьшается, что обуславливается двумя причинами: увеличением доли компонентов электродного материала в металле шва и уменьшением площади расплавления алюмокремниевого покрытия за счет уменьшения тепло-вложений в сварочную ванну (рис. 14).

Испытания на статическое растяжение плоских образцов показали, что предел прочности металла сварного соединения при составе металла шва составляет 400-440 МПа, что практически в 1,1-1,2 раза больше предела прочности основного металла и в 2-2,3 раза выше предела прочности сварных швов, полученных сваркой стальной проволокой. Металл шва, полученный сваркой никель-хромовой проволокой характеризуется также более высокой пластичностью, чем металл шва, полученный сваркой стальной проволокой. Относительное удлинение металла шва при сварке с использованием никель-хромовой проволокой составляет 41-53%, а при сварке стальной проволокой - 11-15%. Испытания на статическое растяжение на заготовках из труб подтверждают высокую прочность соединений, полученных сваркой проволокой Св-Х20Н80. Предел прочности сварного соединения составляет 390-420 МПа.

Сварные соединения, выполненные аргонодуговой сваркой никель-хромовой проволокой, обладают значительно большей жаростойкостью, чем сварные соединения, полученные стальной проволокой, что важно при использовании сталей с алюминиевым покрытием в изделиях, работающих при высо-

ких температурах. Как показали испытания на жаростойкость, после выдержки при температуре 750°С в течение 500 часов толщина шва в первом случае уменьшается на 0,05 мм, во втором случае практически на 1,25 мм.

Ме.тсс.'/. Ме.вкс.%

03 0,4 0,5 Ч) 0.4 0,3

а) б)

Рис. 14. Зависимость содержания элементов в металле шва от расхода электродной проволоки Св-Х20Н80 при сварке сталей с алюмокремниевым покрытием (режимы сварки: 4 = 1,2 мм, и = 18 В, I = 140 А): а) 1 - железо; 2 - никель; 3 - хром; б) 1 - кремний; 2 - алюминий

В пятой главе проводятся исследования процессов аргонодуговой наплавки сплавов системы на основе системы железо-алюминий на сталь 20, а также влияние химического состава наплавленного металла на его механические и эксплуатационные свойства.

Химический состав наплавленного металла определяется соотношением площадей проплавленного и наплавленного металла и зависит от основных режимов аргонодуговой наплавки - силы тока, скорости подачи присадочной проволоки и скорости наплавки (рис. 15). Содержание алюминия при наплавке изменялось в пределах 8-40 масс. % в зависимости от технологических режимов наплавки (рис. 16). Содержание алюминия по сечению шва неравномерное. В переходной к основному металлу зоне содержание алюминия плавно уменьшается практически до 0. При повышении скорости подачи присадочной проволоки градиент концентраций алюминия по сечению шва увеличивается. Учитывая, что варьирование скорости подачи проволоки позволяет изменять содержание алюминия в широких пределах, целесообразнее для управления составом, структурой и свойствами наплавленного металла использовать именно этот технологический параметр.

Металлографический анализ образцов, наплавленных с различными скоростями подачи присадочной проволоки, показал, что наплавленные образцы со средними значениями содержания алюминия 8-14 масс.% имеют столбчатое строение. Зерна шириной 0,1-0,25 мм вытянуты в направлении теплоотвода. По границам зерен и в теле зерен располагаются игольчатые включения (рис. 17). Длина игл 1-96 мкм, толщина - 0,5-8 мкм. Толщина включений по границе зерен 0,2-4 мкм. Площадь включений составляет 7-15%.

Увеличение средних значений содержания алюминия более 14 масс.% (скорость подачи присадочной проволоки более 4,25 см/с) приводит к появлению в верхних слоях зоны равноосных кристаллов размером 0,1-0,8мм. В структуре

также наблюдаются иглообразные и компактные включения. Их площадь уменьшается с увеличением содержания алюминия. Ниже этой зоны располагается зона столбчатых кристаллов с той же структурой, что и в предыдущих образцах, и с содержанием алюминия менее 14 масс.%. При увеличении содержания алюминия вырождается зона столбчатых кристаллов и увеличиваются размеры равноосных кристаллов,

2,5

7,5

Vn.ii, см/с V», си/с

Vn.n, см/с

Vh, см/с

Vn/n, см/с

0,17 0,33 0,50

В)

Vh, см/с

0,17 0,33 0,50 ОД? 0,33 0,50

а) б)

Рис. 15. Зависимость а) ширины сварного шва; б) величины усиления шва; в) глубины проплавления: 1 - от силы тока при У„=0,25 см/с и Уп/П =2,5 см/с; 2 -скорости подачи присадочной проволоки при У„=0,25 см/с и Ь =300 А; 3 - скорости наплавки при =300 А и Уп/п=2,5 см/с

А!,м»сс.% 15

Al, мясс. %

20 X 30

10 20 10

I, А 5 Vh, см/с 5

Vn.n., см/с

200 250 300 0,17 0,33 2,5 4,1 5,7 73

а) б) в)

Рис. 16. Зависимость содержания алюминия а) от силы тока; б) от скорости наплавки; в) от скорости подачи присадочной проволоки. 1 - расчетная; 2 - по данным химического анализа

Рентгеноструктурный анализ показал, что основу зерен составляет фаза а-Fe, являющаяся твёрдым раствором замещения Fe-Al (пространственная группа 229) и интерметаллид FeAl (пространственная группа 221), образующийся при упорядочении a-Fe. С увеличением содержания алюминия увеличивается степень искажения кристаллической решетки a-Fe. Период решетки a-Fe с содержанием 10% Al составляет 2,889А°, а с 30 масс.% - 2,905 А°. Период решетки интерметаллидной фазы изменяется от 2,906 А° до 2,918 А°, что соответствует периоду упорядоченной фазы FeAl. Степень упорядочения твердого раствора по типу В2 (FeAl) доходит до 40%.

Кристаллографический анализ показал, что включения в теле и по границам зерен имеют ЩК кристаллическую решетку (225 пространственная группа); исходя из химического состава можно утверждать, что это к-фаза (Fe3AlCx).

Таким образом, при содержании алюминия до 30 масс.% формируется мета-стабильная структура на основе пересыщенного раствора алюминия в а-железе с частичным упорядочением по типу В2 и включений Ре3А1Сх, расположенных на границе и в теле зерен. Степень упорядочения зависит от содержания алюминия и условий охлаждения наплавленного металла. Пересыщение железа алюминием, частичное упорядочение структуры твердого раствора и наличие включений повышают твердость и износостойкость наплавленного металла.

При содержании алюминия в наплавленном металле от 30 до 40 масс.% структура состоит из а-железа с частичным упорядочением по типу В2 (степень упорядочения до 40%) и до 30% пластинчатых интерметаллидных включений Ре4А113 (12 пространственная группа).

Учитывая, что интерметаллидные сплавы хрупки, важнейшим технологическим свойством наплавленного металла следует считать склонность к образованию трещин. Образцы, наплавленные со скоростью подачи до 6,8 см/с и содержащие алюминия до 20%, практически не имеют трещин. При более высоком содержании алюминия наплавленный валик имеет продольные и поперечные холодные трещины, которые образовывались при температурах 200^Ю0°С.

Механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла в большей степени определяются содержанием алюминия. Твердость практически прямо пропорциональна содержанию алюминия и находилась в пределах 25-60 НЕС. При варьировании скорости подачи присадочной проволоки с 2,5 до 7,65 см/с и весовом расходе от 0,035 до 0,175 г/с твердость изменяется с 25 до 50 НЯС (рис. 18). Значения твердости неравномерны по сечению шва. Микротвердость изменяется для указанных условий наплавки от 2,40 до 6 ГПа.

ЕезА1Сх

а) б)

Рис. 17. Микроструктура наплавленного металла. Режимы наплавки: I = 300А, V,, = 0,25 см/с, Упп = 2,5 см/с

С повышением содержания алюминия относительная износостойкость" наплавленного металла повышается.

Максимальное значение относительной износостойкости наблюдается при скорости наплавки 5,95 см/с, что соответствует содержанию алюминия порядка 15-21 масс.% (рис.18). Дальнейшее увеличение скорости подачи присадочной

* в качестве эталона при испытаниях относительной износостойкости использовали сталь 20

проволоки (и, соответственно, содержания алюминия) снижает относительную износостойкость из-за охрупчивания наплавленного металла и выкрашивания его при испытаниях на износостойкость.

нис £

60 10

Рис. 18. Зависимость твердости (1) и относительной износостойкости (2) наплавленного металла от содержания алюминия при 14=300А, Ун=0,25 см/с

Испытания на жаростойкость при 950°С показали, что максимальной жаростойкостью обладают образцы, наплавленные со скоростью подачи 4,25-5,95 см/с при содержании алюминия 14-20 масс.% (рис. 19). При этом изменение массы исследуемых образцов составляло не более 2%.

Наплавленному металлу, как было отмечено выше, присуща неравновесная структура на основе пересыщенного раствора алюминия в железе с включениями фазы Ре3А1Сх или Ре4А113. Отжиг при температурах выше линии упорядочения приводит к растворению включений, выравниванию содержания алюминия по сечению шва. Последующее регулируемое охлаждение позволяет управлять структурой металла и получать как стабильные структуры, так и структуры с различной степенью метастабильности. При этом механические и эксплуатационные свойства изменяются в широких пределах (рис. 20). Максимальная износостойкость на уровне 20 наблюдается при содержании алюминия 25-30 масс.% и охлаждении после отжига на воздухе. Стабильная структура, полученная охлаждением с печью, при содержании алюминия 14-30% обеспечивает относительную износостойкость на уровне 10.

Для выявления влияния углерода на структуру и свойства наплавленного металла кроме стали 20 для наплавки использовали сталь 45 и У10. Более высокое содержание углерода в этих сталях вследствие снижения коэффициента теплопроводности повысило долю основного металла в наплавленном, что снизило в нем на 1-2 масс. % содержание алюминия. Повышение содержания углерода способствовало увеличению содержания к-фазы и незначительному повышению твердости наплавленного металла. Включения этой фазы приобретают более компактную форму.

70 60: 511 41) 30| 20 II)

Л___

О 500 1000 1500 ИЛИ! 2500 300(1

Рис. 19. Зависимость изменения массы образцов от времени их выдержки при температуре 950 °С при содержании алюминия (масс.%): 1) 10; 2) 14; 3) 17; 4) 25

£

Рис. 20. Зависимость относительной износостойкости наплавленного металла от содержания алюминия при охлаждении после отжига: 1 - в воде; 2 - на воздухе; 3-е печью

Экспериментальные исследования показали, что повышение содержания углерода в основном металле до 1 масс.% значительно не изменило механических, технологических и эксплуатационных свойств наплавленного металла. Твердость при наплавке на сталь У10 при содержании алюминия от 8 до 28% составляла 35-50 НЯС, а относительная износостойкость находилась в пределах 3-6.

В шестой главе проведены исследования влияния легирующих элементов на процессы наплавки и свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий. Установлено, что процесс наплавки с использованием присадочной проволоки системы А1-М§ (Св-АМгЗ, Св-АМгб) отличает более высокая окисляемость поверхности расплавленного металла, повышенное разбрызгивание присадочного материала. Среднее содержание алюминия по результатам химического анализа незначительно отличается от расчетных значений. Содержание магния составляло не более 0,01 масс.%. Вероятно, магний испаряется при наплавке.

Увеличение содержания алюминия в наплавленном валике и наличие магния в присадочной проволоке способствуют уменьшению размера равноосных зерен и включений фазы Ре3А1Сх. Размеры зерен при использовании алюминиевой проволоки не менее 100 мкм, а при использовании проволок системы

алюминий-магний с содержанием алюминия более 20% размер зерен составляет 10-20 мкм. Таким образом, магний оказывает модифицирующее действие на структуру наплавленного металла.

Твердость наплавленных валиков при наплавке проволокой системы алюминий-магний была выше на 20-40%, чем при использовании алюминиевой, что является следствием модифицирующего действия магния. Причем увеличение содержания магния в проволоке повышает твердость наплавленных валиков. Склонность к образованию холодных трещин по границам зерен при этом возрастает. Повышение склонности к образованию холодных трещин связано, вероятно, с повышением содержания магния по границам зерен. Исследование износостойкости показало, что наплавленные сплавами алюминий-магний валики имеют более высокие значения износостойкости при содержании алюминия 10-15 масс.% и достигают значений 7-9 (рис. 21), при более высоких скоростях подачи присадочной проволоки из-за охрупчивания наплавленного металла износостойкость резко снижается.

Кремний является одним из самых распространенных легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах. Проведенные исследования с применением проволоки Св-АК5 показали, что при этом значительно снизилась окис-ляемость наплавленного металла по сравнению с применением присадочной проволоки системы А1-]У^. Кроме того, более значительная инертность кремния по отношению к атмосфере и высокая температура плавления обеспечили снижение безвозвратных потерь алюминия, что повысило коэффициент использования присадочной проволоки.

Содержание 81 в зависимости от режимов находится в пределах 0,5-2,5 масс.%, что подтверждает незначительные потери при наплавке. Структура наплавленного металла представляет собой матрицу на основе а-фазы железа с различной степенью упорядоченности, легированной алюминием и кремнием с включениями к-фазы, дополнительно легированной 81; к-фаза образует сплошную сетку по границам зерен.

2 " \ А|, мясс.%

9 18 27

Рис. 21. Зависимость относительной износостойкости наплавленного металла от содержания алюминия при наплавке: 1 - проволокой Св-АМгЗ; 2 - проволокой Св-АМгб; 3 - проволокой Св-А5

Применение присадочной проволоки, содержащей 81, значительно повысило твердость наплавленного металла. В зависимости от режимов наплавки и содержания алюминия в наплавленном валике твердость находится в пределах

40-70 HRC. Таким образом, по показателям твердости применение присадочного металла системы Al-Si имеет преимущество перед другими присадочными материалами на основе алюминия. Наплавленные валики имеют значительное количество трещин, и наблюдается расслоение металла, что отрицательно сказывается на износостойкости металла шва. Величина относительной износостойкости находится в пределах 2-5, что ниже, чем при использовании алюминиевой присадочной проволоки.

J Доведенные исследования с использованием проволоки Св-АМц показали, что наплавленные валики не содержат следов интенсивного окисления, разбрызгивания. Твердость наплавленного валика составляет 30-65HRC. Как и при использовании алюминиево-кремниевой проволоки, марганец концентрируется в к-фазе, повышая твердость наплавленного металла. Сплошная сетка карбидной фазы по границам зерен значительно повышает склонность металла к образованию трещин, что и определяет не высокую величину относительной износостойкости, не более 8.

Для наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий, легированных медью, применяли присадочную проволоку Св-А5 и медную проволоку М1. При наплавке алюминиевую проволоку подавали в хвостовую часть сварочной ванны, а медную - в головную, что обеспечивало качественное формирование наплавленного валика. Расчетное содержание алюминия в зависимости от скорости подачи присадочной проволоки составляло 10-30 масс.%. Содержание меди находилось в пределах 3-20 масс.%. При содержании до 5% медь легирует a-фазу и k-фазу, заметно не изменяя их соотношения. При легировании медью увеличивается период решетки a-фазы по сравнению с нелегированным наплавленным металлом. Микротвердость a-фазы повышается на 20-30%. Твердость увеличивается при повышении содержания алюминия и меди (рис. 22). При содержании меди более 5% в структуре по границам зерен выделяется эвтектика, содержащая твердый раствор на основе меди (рис. 23). Износостойкость при повышении содержания меди до 5% и алюминия до 20% повышается (рис. 22). Дальнейшее повышение содержания меди и алюминия приводит к ох-рупчиванию сплавов и снижению их износостойкости.

а) б)

Рис. 22. Зависимость твердости (а) и относительной износостойкости (б) наплавленного валика от содержания алюминия при расходе медной проволоки 1 - 0,031 г/с; 2 - 0,046 г/с; 3 - 0,061 г/с

а) б) в)

Рис. 23. Микроструктура наплавленных валиков системы Fe-Al-Cu: а) 11-14 масс.% AI, 10-12 масс.% Си; б) 12-16 масс.% AI, 21-25 масс.% Си; в) 12-14 масс.% AI, 25-31 масс.% Си

Хром относится к элементам, повышающим пластические свойства ряда алюминидов. Исследования влияния хрома на технологические и эксплуатационные свойства наплавленного металла проводили при наплавке проволокой Св-А5 по слою оксида хрома (III). В процессе наплавки оксид хрома, взаимодействуя с алюминием, восстанавливается до хрома, легируя наплавленный металл. Толщина слоя оксида хрома выбиралась исходя из условия обеспечения стабильного горения сварочной дуги и составляла 0,8-1 мм.

Наплавка по слою оксида хрома обеспечила увеличение доли проплавленного металла, что уменьшило содержание алюминия в металле шва. Содержание хрома в среднем изменялось в пределах 3-9 масс.%. Металлографический анализ показал, что хром повышает устойчивость а-твердого раствора железа, подавляя в нем процесс упорядочения структуры и предотвращая образование к-фазы (рис. 24).

Твердость наплавленного металла при легировании хромом в зависимости от скорости наплавки составляла 10—40 HRC, что на 5-10 единиц ниже твердости нелегированного наплавленного металла с тем же содержанием алюминия.

Хром, как показали исследования, снижает склонность к образованию холодных трещин в наплавленном металле. При наплавке по слою оксида хрома трещины наблюдаются при содержании алюминия более 30 масс.%, в то время как при наплавке без оксида хрома трещины наблюдаются при содержании алюминия более 20 масс. %. Значения максимальной износостойкости смещаются в область с содержанием алюминия 25-30% (рис. 25).

ШШШж

а) б)

Рис. 24. Структура наплавленного металла: а) 8-10 масс.%А1; б) 8-10 масс.%А1 с 6-8 % Cr

Рис. 25. Зависимость относительной износостойкости наплавленного металла от содержания алюминия при наплавке: 1) без оксида хрома; 2) с оксидом хрома

Никель при легировании до 10 масс.% наплавленного металла практически равномерно распределяется между а-твердым раствором железа и включениями к-фазы. При этом повышается микротвердость а-фазы и твердость наплавленного металла. Максимальная износостойкость наблюдается при содержании никеля около 10 масс. %, а алюминия до 14 масс. %. При этом значения относительной износостойкости доходят до 13. При более высоком содержании алюминия и никеля в металле шва появляются холодные трещины, что снижает его механические и эксплуатационные свойства.

На основании проведенных исследований для ОАО «Жигулевское карьеро-управление» разработана технология и оборудование для наплавки деталей грохота. Твердость наплавленного металла составляла 40-50 НЯС, а относительная износостойкость - не менее 6.

Общие выводы по работе

1. Анализ взаимодействия алюминия и стали показывает, что алюминий необходимо рассматривать как технологическую примесь при сварке комбинированных материалов и как легирующий элемент при наплавке. В первом случае алюминий снижает механические и технологические свойства металла шва вследствие легирования феррита и образования интерметаллидных включений в стали. Во втором случае алюминий обеспечивает формирование наплавленного металла со специальными свойствами за счет образования интерметаллидных фаз с уникальным сочетанием твердости, коррозионной стойкости и жаростойкости.

2. Для снижения содержания алюминия при сварке сталей с алюминиевым покрытием в металле шва его необходимо в процессе сварки связывать в легко-удаляемые соединения (хлориды, фториды и оксиды). Термодинамические расчеты показали, что для этого в сварочную ванну целесообразно вводить галоге-ниды и оксиды переходных металлов и кремния, а также использовать активные к алюминию защитные газы и газовые смеси.

3. Установлено, что в качестве износостойких и жаростойких сплавов могут успешно использоваться сплавы, содержащие от 10-50 ат.% алюминия на основе интерметаллидных фаз Ре3А1, РеА1. Легирование указанных сплавов элементами, близкими в периодической системе к алюминию и железу, позволяет повысить эксплуатационные свойства металла шва.

4. Установлено, что для снижения содержания алюминия и оксида алюминия при сварке сталей с алюминиевым покрытием целесообразно использовать окислительные флюсы, обеспечивающие связывание оксида алюминия в легкоплавкие шлаковые системы с минимальной плотностью и максимальной растворимостью AI2O3.

В качестве такой системы предложено использовать флюсовую систему Na3AlF6-CaF2-MeO. При окислении ею алюминия образуется эвтектическая система Na3AlFe- СаРг-АЬОз с плотностью 1,9 г/смЗ и температурой плавления 900° С.

5. Установлено, что эффективность рафинирования газовыми средами при сварке сталей с алюминиевым покрытием повышается в ряду СО2-СО2+О2-Аг+Ог. Поддув активными газовыми средами при сварке сталей с двухсторонним алюминиевым покрытием обеспечивает гомогенность химического состава по сечению шва и снижение содержания алюминия.

6. Установлено, что применение меди для сварки сталей с алюминиевым покрытием позволяет повысить предел прочности при растяжении сварных соединений до 330-370МПа, а относительное удлинение до 20-25% при содержании в медной основе металла шва не более 5 масс.% железа и 10 масс.% алюминия.

7. Применение никеля и сплавов никель-хром для сварки сталей с алюминиевым покрытием обеспечивает формирование однофазной структуры на основе никеля, легированной железом, хромом и алюминием; при этом обеспечивается прочность металла шва на уровне 400-470 МПа, а относительное удлинение изменяется от 20 до 50% в зависимости от режимов сварки и состава присадочного материала.

8. Установлено, что при аргонодуговой наплавке алюминия на низкоуглеродистую сталь при содержании алюминия от 8 до 30 масс.% формируется ме-тастабильная структура на основе пересыщенного раствора алюминия в а-железе с частичным упорядочением по типу В2 (FeAl) и включений фазы Fe3AlCx, расположенных на границе и в теле зерен. При содержании алюминия от 30-40 масс.% формируется метастабильная структура на основе пересыщенного раствора алюминия в а-железе с частичным упорядочением по типу В2 (FeAl) и включений фазы Fe4Alu.

9. Установлено, что твердость наплавленного металла при наплавке алюминия на низкоуглеродистые стали повышается с увеличением содержания алюминия вследствие увеличения степени пересыщения и упорядочения а-твердого раствора на основе железа и находится в пределах 25-50HRC. Максимальная износостойкость наблюдается в наплавленном металле с содержанием алюминия в пределах 15-21масс.%, максимальная жаростойкость наблюдается при этом же содержании алюминия. Увеличение содержания алюминия повышает склонность металла к образованию холодных трещин, что снижает эксплуатационные свойства наплавленного металла.

10. Отжиг наплавленного металла при температурах выше температур упорядочения а-твердого раствора алюминия в железе с последующим охлаждением с контролируемыми скоростями позволяет управлять степенью пересыще-

ния и упорядочения a-твердого раствора алюминия в железе и изменять механические и эксплуатационные свойства в широких пределах. Максимальная износостойкость наплавленного металла при содержании алюминия в пределах

25-30 масс.% после отжига с охлаждением на воздухе.

11. Основные легирующие элементы алюминиевых сварочных проволок -магний, кремний и марганец - повышают твердость наплавленного металла вследствие легирования a-твердого раствора на основе железа и включений РезА1Сх. Однако склонность к образованию холодных трещин увеличивается, что снижает значения относительной износостойкости. Магний модифицирует структуру наплавленного металла, что обеспечивает повышение его твердости и износостойкость на 10-15 %.

12. Введение меди до 5 масс.% в наплавленный металл на основе системы Fe-Al повышает твердость и износостойкость наплавленного металла вследствие легирования a-твердого раствора на основе железа и включений РезА1Сх медью. Максимальной износостойкостью обладают сплавы, содержащие до 5 масс.% меди и алюминия до 20 масс.%, при значениях жаростойкости не ниже уровня наплавленного металла на основе системы железо-алюминий.

13. Легирование наплавленного металла хромом в количестве 3-9 масс.% способствует формированию однофазной структуры на основе пересыщенного a-твердого раствора алюминия, хрома и углерода в железе, что повышает пластические свойства наплавленного металла, трещиноустойчивость и износостойкость.

12. Установлено, что введение до 10 масс.% никеля в сварочную ванну обеспечивает легирование твердого раствора и включений Fe3AlCx практически в равных количествах, что повышает твердость наплавленного металла и его относительную износостойкость при содержании алюминия до 14 масс.%. При более высоком содержании никеля и алюминия в наплавленном металле увеличивается склонность к образованию холодных трещин, что снижает эксплуатационные свойства.

Наиболее значимые публикации по теме диссертации:

1. Ковтунов, А. И. Исследование процессов наплавки износостойких покрытий системы железо-алюминий, легированных хромом / А. И. Ковтунов, Р. А. Цымбал, Т. В. Чермашенцева // Тяжелое машиностроение. - 20Í1. - № 4. -С. 40-43.

2. Сидоров, В.П. Особенности процесса автоматической аргонодуговой сварки сталей с алюминиевым покрытием / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева // Сварочное производство. - 2007. - № 7. - С.

26-28.

3. Сидоров, В.П. Технология сварки тонких стальных листов, покрытых алюминием / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, В.В. Гладуняк // Сварка и диагностика. - 2008. - № 1. - С. 19-22.

4. Ковтунов, А.И. Применение медной присадочной проволоки при сварке стали с алюмокремниевым покрытием / А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева,

П.Н. Селянин, Ю.Ю.Хохлов // Сварочное производство. - 2010. - № 8. - С. 3738. ■

5.Ковтунов, А.И. Исследование процессов аргонодуговой сварки никель-хромовой проволокой стали с двухсторонним алюмокремниевым покрытием / А.И. Ковтунов, В.П.Сидоров, Т.В. Чермашенцева, П.Н. Селянин, Ю.Ю. Хохлов // Сварка и диагностика. - 2010. - № 4. - С. 19-21.

6. Сидоров, В.П. Исследования процессов рафинирования при сварке сталей с алюминиевым покрытием / В.П, Сидоров, А.И. Ковтунов, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2007. - № 3. -С. 41-42.

7. Sidorov, V.P. Special features of the process of automatic argon-arc welding of steels with an aluminium coating / V.P. Sidorov, A.I. Kovtunov, T.V. Cher-mashenceva, M.N. Borodin // Welding International. - 2008. - № 5. - 335-338 p.

8. Ковтунов, А.И. Особенности формирования зоны термического влияния при аргонодуговой сварке тонколистовой стали, покрытой алюминием / А.И. Ковтунов, Д.А. Семистенов, A.M. Филатов, Т.В. Чермашенцева // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. -№ 10. - С. 35-40.

9. Ковтунов, А.И. Влияние алюминиевых покрытий на свойства сварных соединений при аргонодуговой сварке сталей / А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, Д.А. Семистенов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. - № 5.-С. 38-43.

10. Ковтунов, А.И. Особенности сварки сталей, покрытых алюминием, в активных газовых средах / А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева // Сварочное производство. - 2009. - № 7. - С. 3-6.

11. Ковтунов, А.И. Особенности процессов рафинирования при сварке алю-минированной стали с окислительным поддувом / А.И. Ковтунов, В.П. Сидоров, Т.В. Чермашенцева // Сварочное производство. - 2009. - № 12. - С. 9-12.

12. Ковтунов, А. И. Технология ремонта пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов / А. И. Ковтунов, В. П. Сидоров, А. С. Климов, В. А. Лабзин, Т. В. Чермашенцева // Проблемы машиностроения и автоматизации. -2006.-№3.-С. 92-94.

13. Сидоров, В.П. О возможности использования наплавок системы железо-алюминий в качестве износостойких покрытий / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева // Тяжелое машиностроение. - 2007. - № 12. -С. 12-13.

14. Сидоров, В.П. Исследование процессов наплавки сплавами на основе алюминия / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева // Сварочное производство. - 2009. - № 1. - С. 15-18.

15. Ковтунов, А.И. Технология формирования износостойких покрытий / А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, Д.А. Семистенов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009.7. - С. 12-14.

16. Ковтунов, А.И. Особенности формирования износостойких покрытий при наплавке сплавов системы алюминий-маппш на сталь / А.И. Ковтунов, Д.А. Семистенов, Т.В. Чермашенцева//Сварочное производство.-2010.-№ 1. -С.38-41.

17. Ковтунов, А.И. Исследование жидкофазных процессов формирования слоистых композиционных материалов системы железо-алюминий / А.И. Ковтунов, C.B. Мямин // Цветные металлы. - 2010. - № 7. - С. 65-66.

18. Ковтунов, А.И. Исследование влияния меди на свойства покрытий системы железо-алюминий / А.И.Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, P.A. Цымбал // Тяжелое машиностроение.-2010.-№ 8. -С. 31-33.

19. Ковтунов, А.И. Исследование влияния кремния на свойства слоистых композиционных материалов сталь-алюминий / А.И. Ковтунов, C.B. Мямин // Технология металлов. - 2010. - № 12. - С. 35-39.

20. Ковтунов А.И. Исследование процессов аргонодуговой сварки сталей, покрытых алюминием, с медной присадочной проволокой / А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, В.В. Гладуняк И Сборка в машиностроении, приборостроении. -2011.-№ 1.-С. 39-43.

21. Пат. 2279342 РФ, МПК В23 К 35/362. Флюс для сварки сталей, покрытых алюминием / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, В.А. Лабзин, Т.В. Чермашенцева. - № 2004130790 ; заяв. 20.10.2004 ; опубл. 10.07.2006.

22. Пат. 2327551 РФ, МПК В23 К 9/04. Способ электродуговой наплавки износостойких покрытий / А.И. Ковтунов, В.П. Сидоров, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева. - № 2006128714; заяв. 07.08.2006 ; опубл. 27.06.2008.

23. Пат. 2352443 РФ, МПК В23 К 35/362. Флюс для сварки сталей, покрытых алюминием / А.И. Ковтунов, В.П. Сидоров, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева- № 2007118328 ; заявл. 16.05.2007 ; опубл. 20.04.2009.

24. Пат. 2355530 РФ, МПК В23К9/04. Способ электродуговой наплавки / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, М.Н, Бородин, Т.В. Чермашенцева. - № 2007122880 ; заявл. 18.06.2007 ; опубл. 20.05.2009.

25. Пат. 2355542 РФ, МПК В23 К 35/362. Флюс для сварки сталей с алюминиевым покрытием / А.И. Ковтунов, В.П. Сидоров, Т.В. Чермашенцева, М.Н. Бородин.-№2007117083/02; заявл. 07.05.2007 ; опубл. 20.05.2009.

26. Пат. 2379163 РФ, МПК В23 К 9/035. Подкладка для формирования сварного шва / Т.В. Чермашенцева, А.И. Ковтунов, Д.А. Семистенов. - № 2008128235 ; заяв. 09.07.2008 ; опубл. 20.01.2010.

27. Пат. 2277035 РФ, МПК В23 К 35/362. Способ сварки плавлением / А.И. Ковтунов, A.C. Климов, В.А. Лабзин. -№ 2004129678 ; заяв. 12.10.2004 ; опубл. 27.05.2006.

28. Пат. 2414336 РФ, МПК В23К9/04. Способ формирования износостойких, жаростойких покрытий / А.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, C.B. Мямин. -№ 2009134932 ; заяв. 17.09.2009 ; опубл. 20.03.2011.

Подписано в печать 26.10.2011. Формат 60x84/16.

Печать оперативная. Усл. п. л. 1,97.

Тираж 150 экз. Заказ № 3-158-09.

Тольяттинский государственный университет 445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Введение

ГЛАВА 1. Взаимодействие алюминия и стали при сварке и наплавке

1.1. Структура, фазовый состав и свойства сплавов системы железо-алюминий

1.2. Предпосылки применения сплавов на основе системы железо-алюминий в качестве наплавочных материалов

1.3. Способы наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий

1.4. Влияние алюминия на свойства металла шва при сварке стали с алюминиевым покрытием

ГЛАВА 2. Физико-химические условия управления содержанием алюминия и свойствами металла шва

2.1. Физико-химические условия рафинирования сварочной ванны от алюминия

2.1.1. Технологические приемы снижения содержания алюминия в металле шва

2.1.2 Способы рафинирования стали от алюминия при сварке плавлением

2.1.3. Физико-химические условия рафинирования сварочной ванны от алюминия галогенидами

2.1.4. Окислительное рафинирование сварочной ванны от алюминия

2.1.5. Обеспечение технологических условий для рафинирования сварочной ванны от алюминия

2.2. Предпосылки применения присадочных материалов на основе меди и никеля для сварки сталей с алюминиевым покрытием

2.2.1. Влияние алюминия и железа на свойства медной основы металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием

2.2.2. Влияние алюминия и железа на свойства никелевой основы металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием

2.3. Управление содержанием алюминия в наплавленном металле

2.3.1. Расчет содержания алюминия в наплавленном металле

2.3.2. Легирование наплавленного металла на основе системы железо-алюминий

ВЫВОДЫ по 2 главе

ГЛАВА 3. Исследование процессов сварки сталей с алюминиевым покрытием

3.1. Методика исследования влияния алюминия на процессы сварки и свойства сварных соединений

3.1.1. Методика исследования процессов аргонодуговой сварки сталей с алюминиевым покрытием

3.1.2. Методика исследования процессов сварки сталей, покрытых алюминием, в среде активных газов

3.1.3. Определение механических свойств сварных соединений

3.1.4. Определение химического состава сварного шва

3.2. Особенности взаимодействия алюминия и стали при аргонодуговой сварке сталей, покрытых алюминием 118 3.2.1. Влияние алюминиевого покрытия на процесс формирования сварного шва и зоны термического влияния при аргонодуговой сварке 118 3.2.2 Исследование влияния алюминия на структуру и свойства сварного соединения при аргонодуговой сварке сталей, покрытых алюминием

3.2.3. Влияние состава окислительных флюсов на процессы рафинирования при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом

3.2.4. Влияние галогенидных флюсов на процессы рафинирования при аргонодуговой сварке стали с алюминиевым покрытием

3.3. Исследование процессов рафинирования при сварке сталей, покрытых алюминием, в среде активных газов и газовых смесей

3.3.1. Исследование процессов рафинирования при сварке сталей в сре де углекислого газа

3.3.2. Исследование процессов рафинирования при сварке в среде угле кислого газа на активной флюсовой подушке

3.3.3. Исследование процессов рафинирования при сварке на активной газовой подушке

3.3.4. Технология сварки маслоохладителей трансформаторов ВЫВОДЫ по 3 главе

ГЛАВА 4. Исследование процессов сварки плавлением сталей, покрытых алюминием, с применением проволок из цветных металлов и сплавов

4.1. Исследование процессов сварки стали с алюминиевым покрытием применением медной проволоки

4.1.1. Аргонодуговая сварка с использованием медной проволоки сталей, покрытых алюминием

4.1.2. Исследование процессов сварки сталей, покрытых алюминием, среде углекислого газа с применением медной проволоки

4.2. Исследование процессов сварки сталей, покрытых алюминием с применением никелевой проволоки

4.3. Исследование процессов аргонодуговой сварки никель-хромовой проволокой стали с алюминиевым покрытием

ВЫВОДЫ по 4 главе

ГЛАВА 5. Исследование процессов наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий

5.1. Методика исследования процессов наплавки и свойств наплавлен ного металла на основе системы железо-алюминий

5.1.1. Методика исследования процессов наплавки

5.1.2. Методика исследования эксплуатационных свойств наплавленно го металла

5.2. Технологические особенности дуговой наплавки сплавов на основе системы железо-алюминий

5.3. Влияние режимов наплавки на геометрические параметры наплавленного валика

5.4. Влияние режимов наплавки на химический состав наплавленного металла

5.5. Структура и фазовый состав наплавленного металла

5.6. Механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла

5.7. Исследование влияния подогрева на геометрические параметры и свойства наплавленного валика

5.8. Влияние углерода на свойства наплавленного металла

5.9. Влияние термической обработки на структуру и свойства наплавленного металла 260 ВЫВОДЫ по 5 главе

ГЛАВА 6. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий

6.1. Влияния магния на процессы наплавки и свойства наплавленного метала

6.2. Исследование влияния кремния на свойства наплавленного ме- 281 талла

6.3. Исследование влияния марганца на свойства наплавленного металла

6.4. Исследование влияния меди на процессы наплавки и свойства наплавленного металла

6.5. Влияния хрома на процессы формирования и свойства наплавленного металла

6.6. Исследование влияние никеля на свойства наплавленного металла на основе системы железо-алюминий

ВЫВОДЫ по 6 главе

Железо, алюминий и сплавы на их основе - традиционные металлы, давно применяемые в технике. Эти металлы являются самыми распространенными в земной коре. Кларк алюминия составляет около 7,45%, а железа -около 4,2%. Исходя из этого, применение этих материалов в качестве конструкционных будет актуально еще достаточно длительное время. Железо и алюминий существенно отличаются по своим физико-химическим свойствам. Благодаря этому появилась целая группа материалов, в которых оптимально сочетаются свойства указанных металлов и их сплавов. Это, прежде всего, композиционные материалы с алюминиевой матрицей и волокнами из стали и биметаллы со стальной основой и алюминиевым покрытием, а также сплавы на основе интерметаллидных фаз системы железо-алюминий.

Для многих отраслей современного машиностроения практический интерес представляет сталь, покрытая алюминием, сочетающая в себе высокие механические и эксплуатационные свойства: прочность, твердость с жаростойкостью, окалиностойкостью, стойкостью к атмосфере, содержащей серу и т.п. Такая сталь широко применяется в автомобилестроении для изготовления глушителей автомобилей и бензобаков; в химическом машиностроении -при изготовлении трубопроводов для отвода горячих продуктов горения и теплообменников; в металлургии - для изготовления деталей печей. В силу высокой коррозионной стойкости алюминированное железо применяют также в производстве радиоламп для замены никеля.

Сталь, плакированная алюминием, получила широкое распространение и за рубежом. Исходя из высокой коррозионной стойкости к нефти и нефтепродуктам возможно ее применение и для изготовления нефтегазопроводов. Это делает перспективным применение такой стали в нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности [1, 2]. Использование стали с покрытием в народном хозяйстве позволяет сократить расход дефицитных материалов, расширить возможности конструирования машин и устройств, создает условия для увеличения срока эксплуатации изделий, снижает массу и стоимость изделий [1].

Сплавы на основе алюминидов железа обладают рядом уникальных эксплуатационных свойств: высокой коррозионной стойкостью, высокой жаростойкостью и достаточно высокими показателями твердости, что позволяет сделать предположение об их повышенной износостойкости. Сплавы системы железо-алюминий могут быть использованы для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, при повышенных температурах, в агрессивных средах [3]. Это детали горнодобывающего, металлургического, химического и нефтехимического оборудования.

Применение интерметаллидов и сплавов на их основе как конструкционных материалов затруднено по следующим причинам: свойственная ин-терметаллидам хрупкость, особенно при комнатной температуре; недостаточное в некоторых случаях сопротивление окислению; ненадежность методов проектирования и предсказания длительности эксплуатации изделий из интерметаллидов; отсутствие поставщиков качественной продукции из интерметаллидов [4]. Однако интерметаллидные сплавы системы железо-алюминий могут успешно применяться для формирования поверхностных слоев деталей, от которых требуются повышенные эксплуатационные свойства.

Значительная часть технологических процессов изготовления конструкций из таких материалов как сталь, покрытая алюминием, или же создания специальных покрытий из сплавов на основе интерметаллидов системы железо-алюминий связана со сваркой и родственными процессами (в частности, наплавкой). Успешная реализация этих процессов затруднена именно из-за снижения механических и технологических свойств стали при насыщении алюминием, а также вследствие образования ряда промежуточных интерме-таллидных фаз с низкими прочностными и пластическими свойствами.

Целью работы является расширение области применения композиций и сплавов системы железо-алюминий путем разработки научных и технологических подходов к управлению составом, структурой и свойствами металла шва при сварке сталей с алюминиевым покрытием и наплавке сплавов системы железо-алюминий.