автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование и разработка электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами и механическими свойствами металла шва, предназначенных для сварки углеродистых и низколегированных термообрабатываемых сталей

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЬВД'ШЕНИЕ ПО ТЕХНОЛОГИИ МАШНОСТРОЕНИЯ - ЦНИиТМАШ - ■

На правах рукописи

НЯГАЙ Юрий Михайлович

УДК 621 ;7Э1.753.'001.2 ;6б9.14

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДОВ С УЛУЧШЕННЫМИ СВАРОЧНО-ТШОЯОШЧЕСКИШ СВйЙСТВАШ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЯСТВШ МЕТАЛЛА ИВА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СВАИВД УГЛЕРОДИСТЫХ И ШЗКОЛЕШРОВАНШХ ТЕРМССБРАБАТиШАЕЬЫХ СТАЛЕЙ

05.03.06 - Теклология и машины сварочного производства

Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук ' •-«

Москва'- 1992 г.

r-üCOS'/'.'rxf n ' .• БИБЛИОТЕКА 2 /

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по технологии ыашиностроения "ЦНИИТМАШ"

Научный руководитель. - кандидат технических наук

Кахоакин О.С.

Официальные оппоненты; - доктор технических наук

Рымкевич. А.И. - кандидат техничерких наук, доцент .'.,.•■'" Елэняков С.Н.

Ведущее предприятие . - ПО "ИжорскиЛ завод"

Защита состоится " ßd-* Р/Ь^уЦ 1993 г. в /fr' часов на заседании Специализированного совета Д 145.03.04 при Научно-производственном объединении потехнояогииыаашиоетроения "ЦНИИТМАШ" по адресу: 109088, г. Москву, уя. Ш^коп<удаянй-ковская, 4. _ '''■•••''.'-.' Л-'

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической -библиотеке ЦНИИТМАШ. : - ^УУ^-^ЛУ У V*'-"'

Автореферат разослан " * J- 199% г. . ■

Ученый секретарь ••,.•' УУ • ■■ - у.у:"" У",', -У -У'

Специализированного совета. 1 : -

кандидат технических на^к -гУ А.Р.Иаэепа ; •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

В настоящее время ^.промышленности для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей нашли широкое применение электроды с основным покрытием марок УОНИ-13/55 и ЦУ-7. Они, в основном, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к механическим свойствам металла сварных швов. Однако, перше характеризуются недостаточно хорошей отделимость» шлаковой корки с поверхности шва при сварке в разделку и повышенной вероятностыэ образования пор в наплавленном металле. Вторые же не обеспечивают качественного формирования шва при сварке соединений в вертикальном!положении.. Поэтому создание электродов с основным покрытием для сварки: углеродистых сталей обеспечивающих повышение их сварочжь-технологических свойств при ве)^>ии процесса во'Мсех'Пространйтвенкых положениях является» актуальной задачей. .

Усложнение работы оборудования связано с расширением темпе- <* ратурного интервала его эксплуатации. Многие конструкции энергетической, нефтехимической и др. отраслей промышленности работают .в Сибири и на Крайнем Севере, т.е..' в условиях отрицательных температур. Эти изделия изготавливаются, главным образом, иэ сталей перлитного класса и нередко представляют собой массивные"кругно-габариттф конструкции. Щж сварке ^¿ких изделий в металле гэзни-кают значительные остаточные напряжения,-дли снятия которых проводится высокотемпературный отпуск, причем нередко с длительной выдержкой при температурах 500-680 °С и последующим медленны;.! охлаждением. Такой режим термообработки ведет к развитии отпускг ;-..' .ного ахрупчивания как в основном.металле, так и в металле швов. . /

Анализ выпускаемых нашей промышленностью и некоторыми иней у странными фирмами хладостойких-злоктредоа показал, что практически все они относятся к типам Э-55, оМ50 или Э-70.' Кроме того, как

показали предварительные исследования, металл сваренных ими швов склонен к отпускной хрупкости. Поэтому разработка электродов обеспечивающих после.длительного высокого отпуска величину ударной вязкости металла швов при температуре минус 50 °С не менее 34 Дк/см^ и величину предела текучести от 196 до 332 Ша является актуальной задачей.

Цель работы состоит в том, чтобы определив влияние некоторых компонентов покрытия на сварочно-технологические свойства электродов,- а также выявив влияние легирующих и примесных элементов на снижение величины удер.ной вязкости при отрицательных температурах после длительного высокого отпуска разработать качественные электроды с основным покрытием для сварки углеродистых сталей во всех пространственных положениях и хладостойкие электроды, ■обеспечивающие низкую склонность наплавленного металла к отпускной хрупкости.

Научная новизна состоит е. том, что предложена усоверзенство-ванная методика оценки склонности наплавленного электродами металла к пористости максимально учитывающая реальные условия протекания процесса сварки в момент зажигания дуги и от дичащаяся высокой чувствительности; .

Установлено, что введенные в покрытие алюминиевый порошок, фтористый алюминий и криолит повышают склонность.наплавленного металла к пористости, в то время как злектрокорунд мало влияет на нее. Степень повышения зависит от количества вводимого компонента и температуры поступления несвязанного алюминия в дуговой промежуток. Негативное влияние перечне леших компонентов усиливается при введении их совместно с графитом.

Определено, что любое, количество молибдена введенное в металл, содержащий 0,35^ марганца, 0,01? серы, 0,01^ фосфора с кика-

ет после длительного высокого отпуска величину ударной вязкости при отрицательных температурах. При повышении содержания примесных элементов до 0,0256'каждого наиболее высокие значения ударной вязкости достигаются при наличии в металле 0,1-0,15% молибдена.

Установлено, что при отсутствии в 'металле молибдена и наличии в нем 0,01% серы и 0,01% фосфора увеличение содержания марганца с 0,35 до,0,55% ведет к снижению величины ударной вязкости и повышению разброса результатов испытаний, нижняя граница которых при минус 50 °С лежит ниже 34 Дж/см*". Добавка 0,15% молибдена 'в металл, содержаний 0,55% марганца стабилизирует значения ударной вязкости и несколько повышает их. ■ •

.Практическая ценность. На,основании проведенных исследований разработан электрод марки ЦУ-9 (ТУ 24.11.012-90) предназначенный , для сварки углеродистых сталей превосходящий по своим сварочно-технояогическим свойствам и склонности наплавленного металла к , пористости электроды марок УОНИ-13/55 и ЦУ-7.

Разработан также хладостойкий электрод марки 1Ц1-63 (ТУ 24.11; 011-90 / предназначенный для.сварки низколегированных сталей, подвергающихся длительному высокому отпуску. Металл свареним* ими швов обеспечивает после указанной термообработки величину ударной вязкости при температуре минус 50 °С на менее 34 Дя/см? и вгличину предела текучести менее 392 Ша.

Испытания металла- швов наплавленного электродами ЦЯ-бЗ проводились в условиях отдела главного спмчцика ПО "Ижорсяий ьав' Получение результата подтверди;;!! высокие механические свой; ™ва металла швов, а электроды марки ЦЛ-бЗ рекомендованы для;сва{:ки ^ответственных, конструкций. ' .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научнсь-технической конференции "Математические методы и САПР в сварочном производстве" (г.Сверд-*-

б

ловск, 1990 г.) и на международной конференции "Сварные конструкции" (г.Киев, 1990 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи и тезисы 2 докладов. Получено I авторское свидетельство и I положительное решение по заявке на изобретение.

Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников, приложения и содержит 191 стр., из них - 155 стр. машинописного текста, 36 рисунков, 44 таблицы, 164 наименования литературы.

СОДЕРШИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ влияния компонентов покрытия на сварочно-технологические свойства электродов, а также влияния легирующих элементов в металле шва на процессы отпускной хрупкости.

При плавлении электродов защита жидкого металла осуществляется за счет потока газов, омывающих зону сварки, и слоя шлака, укрывающего капли и поверхность ванны.

. В.В.Баженов показал, что надежность зашиты плавящегося металла при сварке электрода» • с фтористо-кальциевым покрытием, в основном, определяется наделением газов и паров в реакционном пространстве, а не процессом шлакообразования. Й.К.Походня отмечает, что более интенсивное насыщение металла азотом при сварке удлиненной дугой электродам* основного вида связано с недостаточно хорошей а&эитой капель и сварочной ванны шлаком... Меньшая ке чувствительность металла наплавленного электродами с рутиловым и рудно-кислым покрытиями обусловлена лучшей укрызаемостью капель и ванни шлаком.

И.С.Иоф$о с сотрудниками показал., что роль газоаой фаз» 5 покрытии электродов оакяячаотся в сбвспзчснии иедсяной еапчтн о:л-

тивной зоны ванны, так как металл капель достаточно надежно изолируется от контакта с азотом воздуха наличием втулки плавящегося покрытия. Исследования показали, что изменение площади взаимодействия металла на стадиях капли и ванны с газовой фазой определяется влиянием состава шлаковой фазы на характер каплепереноса и размеры ярхосветящегося пятна.

Анализ известных по патентах и авторских свидетельствах композиций электродных покрытий показал, что наиболее перспективной для дальнейшей'разработки является композиция, содержащая низкое количество карбонатов и фторидов (30-455») и высокое железного порошка (30-60%). Остальное составляют рутил, циркон, гематит и рас-кислители. Присутствие в покрытии кварцевого песка и глинозема нежелательно, так как при большом' их содержании повышается вероятность снижения величины ударной вязкости металла шва из-за эасо- * . рения его неметаллическими включениями на основе окислов кремния и алюминия. * '

Повышение надежности защита расплавленного металла от окружающей атмосферы достигается в случае введения в состав покрытия активных фторидов. Вероятность образования пор снижается также при уменьшении содержания в покрытии таких активных раскислмте-лей как алюминий и титан. Повышение их количества может пригости . к возникновение водородистой пористости. Происходит это ил-га связывания кислорода в окислы алюминия и титана, что ведет, з своя очередь, к насыщению металла водородом.

При сварке массивных деталей и последующем их с■-■•швалик появ- , ляются высокие трехосные остаточные напряжения. Наиболее :^соктив-ным "средством снижения остаточных напряжений во всех_точ.. ос свар- . ных конструкций и восстановления пластичности металла является высоких отпуск.- Термообработка массивных изделий' характеризуется большой продолжительностью нагрева и выдержки с целью выравнива- .

ния температур по толщине и обеспечения необходимой полноты протекания тех или иных физических процессов. Охлаждение деталей происходит при небольших скоростях, так как в противном случае образуются дополнительные остаточные напряжения. При медленном охлаждении с температур 500-680 °С в хромоникелевых и хромомар-ганцевых сталях возникает обратимая отпускная хрупкость.

Современные представления о механизме отпускной хрупкости, основанные на данных исследований с применением метода (ЖЕ-спе-ктрос'копии, связывают с процессами зернограничной сегрегации вредных примесей ( Р , , БЛ , ) и, как следствие, со снижением когезивной прочности границ зерен, сменой внутризеренно-го механизма разрушения межзеренным.

Существуют две основные модели, обьясняющие механизм обратимой отпускной хрупкости: I) модель "конкурентной" сегрегации фосфора и углерода ; 2) модель "совместной" сегрегации фосфора (и его аналогов) и легирующих элементов. Первая модель справедлива для твердых растворов железа Ге-Р'С. Вопрос, работает ли она в случае легированных конструкционных сталей остается открытым. Вторая модель основное внимание уделяет взаимодействии фосфора с легирующими элементами и'полностью базируется на экспериментальных данных, полученных для сталей.

В хромомолибдбновых'сталях фосфор- главный охрупчивеющий .элемент. Сера - более модны» охрупчившоадеЦ элементоднако в" сталях она присутствует в виде сульфидов и поэтому не могг.ег свободно сегрегировать к границам зерен» Содержащийся в указанных сталях молибден либо мешает фосфору езгрогкровать к границам зерен, либо очень сильно снидаот охрупадЕгкэдуш способность фосфора, присутствующего на границах зерен. Сяадуег отметить однако, что торыозящае процесс охрупчивания действие молибдена постепенно ослабебаат в течении дяктаяыых видоряшк при повыизврих тем-

пературах из-за его постоянного ухода из твердого раствора в образующиеся специальные карбиды.

Легирующие добавки' также воздействуют на процессы охрупчива-ния. Так, добавки марганца и кремния увеличивают охрупчивающую способность фосфора. Сведения о влиянии ;углерода, никеля и азота носят противоречивый характер.

Наиболее эффективно снизить склонность конструкционных сталей к отпускной хрупкости можно за счет ограничения содержания примесных элементов в наплавленном металле, повышения скорости охлаждения, специального легирования и ограничения содержания легирующих элементов в металле шва. ■ •

Вторая глава посвящена разработке методик по оптимизации газотлакообразующей системы покрытия и оценке склонности наплавленного металла к пористости, а также усовершенствованию методики по исследованию капельного переноса электродного металла через дуговой промежуток.

Оптимизация газошлакообразующей системы покрытия проводилась ' с помощью симплекс-решетчатого.планирования экспериментов. Получаемая диаграмма состав-свойство представляет собой геометричес- ' кий образ, связанный с физико-химическим состоянием системы. Построение диаграмм дает.возможность решать задачу по локализации ' экстремума визуально. Поэтому наглядность данного метода являемся его несомненным достоинством. В случае использования метода крутого восхождения по поверхности отклика'(метода Бокса-Уилсона) достижение экстремума происходит ступенчато. Поэтому ошибка при ' выборе интервалов варьирования может значительно увеличить число , , экспериментов.- Кроме того, опыт накопленный при оптимизации газо» .' шлакообразуютец системы покрытия показывает, что в случае применения метода Бокса-Уилсона при проверке модели обнаруживается ее неадекватность. Этот эффект наб.,':одался при рассмотрении многих

систем электродного покрытия и связан, видимо, с прерывностью функции. Метод симплекс-решетчатого планирования экспериментов лишен указанного недостатка.

В качестве параметров оптимизации выступали сварочно-техно-логические свойства электродов: отделимость шлаковой корки, формирование шва, укрываемость валика шлаком и др. Перечисленные показатели определяются только с помощью субъективных оценок, так как не имеют соответствующих количественных значений. С целью их формализации применялся метод экспертных оценок, заключающийся в следующем. Группа экспертов 2 составе 4-5. человек наблюдает за процессом сварки, а затем, придя после обсуждения к едйиСму иканию, выставляет тому или иному параметру соответствующий балл по пятибальной шкале. Дня сравнения параллельно с исследуеиьши про- : изводились испытания электрода серийно выпускаемого промдаленно-стью (в данной работе эталоном выступал электрод марки ЦУ-7).

Для обработки результатов симплекс-решетчатого планирования была составлена программа расчета" на ЭВМ типа IBM PC, которая позволяет после введения исходных данных получить на экране дисп--лея диаграмму состав-свойство. Диаграшы представляют собой поля кривых и строятся отдельно'для каадого tf3 рассматриваемых пара- . метров. Оптимальный состав электродного покрытия определяется в результате совместного анализа диаграмм о.учетом , значимости каж-•■ дого параметра. ' . •

Проверка плотности шва с оценкой допустишх размеров и коли» чества. внутренних газовых и шлаковых включений производится согласно ГОСТ 9466-75 на сварных тавровых образцах после разрушения их по шву. Наличие пор определяет визу адьнш. осмотров яибо при. ""•■ . последовательной снятии слоев металла с поверхности излома. Стан--, дартоы гакяе предусмотрено ваявдейме пор путем просвечивания об-

разцов проникающим излучением- Однако последний метод не позволяет надежно отличить поры от шлаковых включений, а также выявить мягкие поры из-за низкой чувствительности пленки. Следует отметить, что действующий ГОСТ предусматривает изготовление образцов для испытаний- путем выполнения одностороннего таврового шва длиной около 150 мм. При этом процесс сварки протекает стабильно без удлинений и обрнвов дуги. Предварительные исследования показали, .что в данных условиях, склонность к пористости металла наплавленного электродами' марок УОНИ-13/55 и ЦУ-7 не отличается друг от дру-' га, хотя на практике разница наблюдается.

Поэтому была разработана методика по оценке склонности наплавленного металла к пористости, максимально'учитывающая реальные условия сварки в момент зажигания дуга. Она заключается в следующем. На пластину из стали ВСтЗсп размером 150x50x8 мм электродами диаметром 4,0 мм наплавляли однопроходный шов. Наплавка осуществлялась прерывисто, т.е. участками длиной 20 мм. Количество участков - 7. Сварка велась на токе обратной полярности вели'Иной 160170 А. Зажигание дуги.при наплавке второго и последующих участков шва происходило в кратере предыдущего валика.. Наплавка валиков осуществлялась каждый раз ношм электродом с предварительно зачищенным торцом, а процесс сверки после зажигячия дуги пелся-без ' применения технологических приемов, предотвращающих возникновение пористости, т.е. без раз в арки моста задигания'дуг/.. Затем на строгальном станке производилось последовательное снятие .слое«, металла шва. Топ-. та сострагиваемого елся состав, яла-0,25 мм, в то время как Г0С1 9466-75 рекомендует дяд эпекпзсдоа диаметром 4,0 мм тол- ', "дину сострагиваемого слояч0,5 км. 'ло позволило наряду с крупными' выявить и более мелкие поры. 0п> " ле наличия пор в местах перекрытия валиков и подсчет их кслк' /ва производился с помощью

бинокулярного микроскопа МБС-9 при увеличении в 25 раз.

Для более точной оценки склонности наплавленного металла к пористости была предложена классификация пор по их линейным размерам, а также определены величины коэффициентов для подсчета эквивалентного количества-пор. При определении эквивалентного количества пор на пластине число пор каждого диаметра умножалось на соответствующий коэффициент, а полученные результаты суммировались.

Разработанная методика позволяет с большей точностью определять количество пор в стыках и повышает достоверность оценки склонности наплавленного металла к пористости при сварке различными марками электродов.

При исследовании капельного переноса электродного металла . через дуговой промежуток использовалась информационно-измерительная система АСЛ-2, разработанная в ИЭС им. Е.О.Патона. Характер капельного переноса определялся по величине длительности коротких замыканий дугового промежутка каплей расплавленного металла. Исследования проводились на токах 130, 150 и 170 А при сварке на предельно короткой дуге электродами диаметром 4,0 им.

В третьей глава исследовалось влияние некоторых компонентов покрытия на сварочно-технйлогичейкие свойства электродов и склонность наплавленного металла к пористости.

В результате предварительных исследований выбрана базовая композиция покрытия, которая после оптимизации с помощью симплекс' решетчатого плана включает 25-30$ мрамора, 15-20% плавикового шпата, 15-20% рутила и циркона, до Z,Ъ% гематита и графита, ферромарганец, ферротитан, ферросилиций марки ФС 15 ГС и железный порошок. Электроды с оптимальным составом покрытия обладают хорошей отделимостью шлака из разделки и обеспечиваю1?, в отличии от . электродов марки иУ-7, качественное формирование шва при сварке

во всех пространственных положениях. Исследования показали также, что склонность к образовании пор в металле тчов сваренных опытными электродами и электродами марки ЦУ-7 находится на одном уровне. Увеличение коэффициента массы покрытия несколько снизило склонность к пористости, однако ухудшило отделимость шлака из разделки.

С цель» снижения склонности наплавленного металла к пористости без ухудшения другах сварочно-технологичаских 'свойств были проведены исследования влияния алюминиевого порошка« фтористого алюминия, криолита, фтористого натрия, кремнефтористого натрия на эти показатели. Установлено, что введение в покрытие алюминиевого порошка улучшает отделимость шяака из разделки, однако при содержании его более 0,5% повышается разбрызгивание расплавленного металла, а более 0,увеличивается склонность наплавленного металла к пористости и падает величина ударной вязкости.

Результаты испытаний показали, что повышение содержания фтористого алюминия от Э до 1% не только не снизило склонност: к пористости, а напротив, увеличило ее (рис.. I). Исследование влияния криолита выявило противоречивый характер воздействия его на пористость наплавленного металла. Повышение содержания Криолита сначала вызывает сникение, а после достижения им в покрытии определенного количества рост числа пор в стыках (рис. 2). Конкретное содержание криолита в точке перегиба зависит от наличия в покрытии алюминиевого порошка. В случав присутствия последнего пористость начинает увеличиваться при более низком содержании криолита.(-сри-вая 2 на рис. 2). Стабильное снижение склонности металла к пористости наблюдалось лишь при введении фтористого натрия и кремнефтористого натрия. Однако при этом резко ухудшалась отделимость шлаковой корки из разделки. •

Повышение склонности к пористости при введении алюминиевого

М/1ЛЛ

Рис ■

£ «

1 I

<ъ §

1 <ъ

•с»

о 0.1 ОА 0,6 0,8 щх

I. Влияние содержания фтористого натрия в покрытии на пористость наплавленного металла,ч

то

5000

АООО

то

2000

то

2У

V 1 Г ¥ V 1 м "V«»- С г <> и

1 г Р

2

С,%

Рис. 2. Влияние содержания С ксионентов в покрытии на пористость наплавленного метпмяа: I - криолит;- 2 - криолит и 0,3% алюминиевого поро!-,\а ; 3 - кремнефтористый натрий

0,3%

алюминиевого порошка.

к

порошка, фтористого алюминия и рриолита шзвано, водимо наличием в их составе алюминия. В то ае время введен: в состав покрытия_ электрокорунда повышает пористость очень незначительно. Связано это, видимо, с тем, что на процесс порообразования влияет не сам факт наличия алюминия в покрытии, а то, в "окон он находится чиде и в каком количестве. Тая, алюминий, входящий в состав окиси алюминия поступает в дугу лить при очень высокой температуре, те» как AI2O3 представляет собой тугоплавкое соединение, температура плавления которого составляет 2050 °С, а кипения 2980 °С. При низкой температуре процесс диссоциации окиси алюминия происходит в очень ограниченном объеме. В то ае время криолит и фтористый алюминий разлагаются при температурах 1000 и 1280 °С соответственно, что предопределяет поступление алюминия в атмосферу дуги практически с момента ее эаиигания. Алюминий, являясь наиболее активным из широко применяемых в электродном производстве раскисли-телэй, интенсивно оделяется, сниная тем самым содержание .. юлоро-да в поверхностном слое расплавленного металла, что ведет к повыше--шш содержания водорода в ком. Водород насыщая металл шва выступает инициатором повышения салонности к пористости. Следует отметить, что негативное воздействие алюмосодераещих компонентов на пористость наплавленного металла усиливается при введении их совместно с графитом, снияаюцим содержание кислорода на поверхности капли в высокотемпературной зоне дуги.

Результатом исследований явилась разработка низководород.;сто-го электрода марки ЦУ-9 предназначенного для сварки углеродистых и низколегированных сталой. Разработшный электрод технологичен в изготовлении за счет низкого содержания в покрытии мрамора и пра-монетал в качоство раскислителя ферросилиция марки ФС 15 ГС. Он тшше характеризуется высокими сварочю-технологическими свойства-

ми, низкими содержанием неметаллических включений в наплавленном металле и склонностью к образованию пор.

Ъ четвертой главе исследовалось влияние легирующих и примесных элементов на величину ударной вязкости наплавленного металла после длительного высокого отпуска.

При изготовлении массившх изделий из стали 09Н2М5БА-А для снятия возникающих после сварки остаточных напряжений применяется высокий отпуск по режиму: нагрев до 620 °С, выдержка 5 часов, далее повышение температуры до 650 °С, выдержка 10 часов, охлаждение со скоростью 10 °С в час до' 300 °С, далее с печыо. Указанная термообработка способствует развитию процессов охрупчивания. Поэтому необходимо, чтобы металл швов не был склонен к отпускной хрупкости и обеспечивал после отпуска величину ударной вязкости при температуре минус 50 °С не менее 34 Дж/см^ на образцах Шарпи. При этом предел текучести металла шва должен быть таким же, как у * основного металла, и составлять величину от 196 до 392 Ша.

С помощью симплекс-решетчатого плана установлено, что металл содержащий 0,07% углерода, 0,3$ кремния, 0,955 марганца, 0,02% серы и 0,015% фосфора в случае легирования его 2,7-3,0% никеля и 0,2-0молибдена характеризуется более высокими, чем при легировании 1,5-2,0% никеля и 0,3-0,4% молибдена значениями ударной вязкости после длительного высокого отпуска. Результаты испытаний показали также, что даже при оптимальном содержании молибдена и никеля величина ударной вязкости находится кике 34 Дк/см^. Это свидетельствует о том, .что кроме этих двух на величину ударной вязкости оказывают влияние также другие легирующие и примесные • элементы.:'"''

•Определено, что повышение 'содержания углерода снижает вели- . ; чину ударной вязкости при наличии ь швах более 0,8% марганца и .

0,2% молибдена. Степень воздействия его уменьшается при содержании марганца в металле менее 0,5? и наличии 0,10-0,15% молибдена.

Согласно донним многих работ молибден играет положительную роль в снижении склонности металла к отпускной хрупкости. Для проверки этого положения были изготовлены две серии опытных электродов на проволоках с различным содержанием серы и фосфора. Содержание молибдена в наплавленном металле изменялось от 0 до 0,355. Результаты испытаний показали, что металл^ содержащий 0,5% марганца, 2,7% никеля, 0,02% серы и 0,02% фосфора, обладает наибольшей ударной вязкостью при наличии 0,11% молибдена. При полном отсутствии молибдена среднее значение КСV также довольно высоки, однако при испытаниях наблюдается большой разброс значений, нижняя граница которых лежит ниже 34 Дт/см^. В то же время, металл, содержащий 0,3% марганца, 2,4% никеля, 0,009% серы и 0,009% фосфора, обладает высокой ударной вязкостью при содержании молибдена от 0 до 0,2% (рис. 3). Причем при отсутствии молибдена наблюдаются наиболее высокие значения . Повышение содержания молибдена более 0,11% в первом случае и более 0,2% во втором вызывает снижение величины ударной вязкости. Связано это, видимо, с образованием по границах зерен в процессе длительного высокого отпуска частичек карбида молибдена,, тормозящих движение дислокаций, что ведет, в свою очередь, к снижению величины ударной вязкости.

Большое влияние на величину ударной вязкости после длительного высокого отпуска оказывает ?ларганец. При отсутствии в металле,молибдена и содержании 2,5% никеля,, 0,01% серы й 0,01% фосфора повышение содержания марганца с 0,35 до 0,55!5 вызывает падение

величины ударной вязкости и увеличение разброса значений при «с; п

пытениях образцов, нижняя граница которих 'яояит ниш 34 Дк/ом ..

Правда, добавка 0,15/5 молибдена в металл содержащий 0,55%

КМ, Дх/см3

200

450

№

50

О

л; -бб -ю -2о о го %°с

Рис. 3. Зависимость величина ударной вязкости наплавленного металла (0,3% Мп , 2.4Й Ш , 0,009% 5 , 0,009% Р. ) от температуры испытания при содержании молибдена: I - 0 ; 2 - 0,0855 ;3 - 0,14%; 4 - 0,19% ; 5 - 0,25%; 6 - 0,30%.

марганца несколько стабилизирует и повышает значения ударьЬй вязкости при отрицательных температурах.

Вомвлено тайке, что введение в покрытие 0,5-1,0$ никель-ит-триевой лигатуры повышает после длительного высокого отпуска величину ударной вязкости. Связано,ото, главным обрезом, с модифицирующим действием иттрия, так как из-за отсутствия в металле он не может связывать фосфор в фосфиды. Введение в металл совместно с иттрием даже 0,1% молибдена шзывавт снижение величины ударной вязкости.

В результате проведанных исследований разработан хладостойкий электрод марки ЦЛ-63 предназначенный для сварки низколегиго-ванкых термообрабатываемых сталей. В качестве базовой в данных электродах используется гаэошакообразущая система разработанных в третьей главе электродов марки .ЦУ-9. Металл наплавленный электродами ЦИ-63 обеспечивает поело длительного высокого отпуска величину ударной вязк :ти при температуре минус 50 °С не мен з р

34 Дд/см и величину предела текучести от 196 до 392 МПа.

(ЕЩЕ ШВ0Д1

1. Предложена усовершенствованная методика оценки склонности наплавленного металла к пористости при сварке штучными электродами. Данная методика максимально учитывает реальные условия протекания процесса сварки в момент зазигания дуга и отличается высокой чувствительностью.

2. На осиов&нии проведенных исследований определена базовая газоплакообразуотая система электродного покрития. Оптимизация с потзьо сииплекс-ротегчатого плана позволила установить содержа- • нло основных компоненте» в покрытии: 2Б$ мрамора, Л6% пяапияояого к'пата, 8$ рутила и 9% циркона.

. 5. Установлено, что введенные в покрытие алюминиевый порошок, фтористнй алюминий и криолит повышают склонность наплавленного металла к пористости, в то время как электрокорунд мало влияет на нее. Степень повышения зависит от количества вводимого компонента и температуры поступления в дуговой промежуток алюминия. Последний за счет интенсивного образования тугоплавкого соединения fíl¡ О3 уменьшает содержание кислорода в поверхностном слое капли расплавленного металла, способствуя тем самым насыщению его водородом. Негативное влияние перечне;: jhwíx компонентов усиливается при введении их совместно с графитом.

4. Определено, что введение в покрытие алюминиевого порошка, фтористого алюминия и криолита улучшает отделимость шлаковой корки, однако повышает разбрызгивание. Наличие же небольших количеств фтористого натрия и кремнефтористого натрия вызывает резкое ухуд-

» шение отделимости шлаковой корки. Явного улучшения или ухудшения отделимости шлаковой корки при введении электрокорунда не наблюдается. ,

5. Разработан электрод марки iiy-9 предназначенный для сварки углеродистых и низколегированных сталей, характеризующийся высокими сварочно-технологическими свойствами, в том числе лучшей, чем. у электродов марок ЦУ-7 и УОНИ-13/55 отделимостью шлаковой корки

и более низкой склонностью наплавленного ими металла к пористости", а также более качественным, чем у электродов ЦУ-7, формированием сва при сварке во всех пространственных положениях.

6. Определено, что повышение со держания углерода снижает величину ударной вязкости в случае налич"я в шрах более 0,8% марганца и 0,2% молибдена. Степень его воздействие но этот показатель уменьшается, при содержании в'металле марганиа менее'0,5% и молиб- ■ дена от 0,10 до 0,15%.

7. Установлено, что при содержании в металле 0,30-0,35% марганца, 0,02% серы и 0,02% фосфора наиболее р1 'сокие значения ударной вязкости достигаются при легировании его 0,10-0,15% молибдена. В случае снижения содержания примесных элементов до 0,01% каждого, требуемая величина KCV обеспечивается при содержании молибдена от 0 до 0,2%, причем максимальные значения достигаются при полном его отсутствии. Увеличение содержания молибдена выше указанных пределов вызывает падение величины ударной вязкости, что связано, вероятно, с возрастанием количества карбида молибдена, выделяющегося в процессе длительного высокого отпуска по границам зерен. Частицы блокируют движение дислокаций, что в совокупности с сегрегацией примесей способствует уменьшению энергии зарождения треяин при испытании на ударную вязкость при низких температурах.

8. Определно, что при отсутствии в металле молибдена и наличии 0,01% серы и С,01% фосфора увеличение содержания марганца

с 0,35 до 0,55% ведет к падению величины ударной вязкости и повышению разброса результатов испытиий, нипнля граница которых при минус 50 °С лежит ниже 34 Дд/см^. Установлено, что добавка 0,15% молибдена при содержании 0,6-0,6% марганца стабилизирует значения KCV и несколько повышает их.

9. Установлено, что введшие в покрытие никель-иттриевой лигатуры в количестве 0,5-1,0% повышает величину ударной вязкости после длительного отпуска. Происходит это, главным образом, га счет модифицирующего воздействия иттрия на металл сварных швов. Одновременное легирование металла молибденом вызывает снижение значений KCV при отрицательных температурах.

10. Разработан электрод марки ЦЛ-6Э позволяющий получить швы с низкой склонность» к отпускной хрупкости, обеспечиваюяий посла длительного высокого отпуска величину ударной вязкости

метачла шва при температура минус 60 °С не менее 34 Д«/см^ и величину предела текучести от 196 до 392 Ша.

Список работ опубликованных по теме диссертации

Т. Нягай D.U., Каковкин О.С., Витман Д.В., Сванидзе Ю.В. Сварочный электрод с основным видом покрытия, содержащим ферросилиций марки ФС 15 ГС Ц Информационный сборник ЦНИИТЭИтякмат. -9-24, 1989. - С. 22-29. '' . '

2. Нягай D.U., Каковкин О,С., Витман Д.В, Применение симплекс-решетчатого планирования при разработке электродных покрытий //, Математические методы и САПР в сварочном производстве: Тезисы докладов конференции. - Свердловск, 1990.. - С. 30.

3. Нягай Ю.И., Каковкин О.С., Витман Д.В., Сванидзе Ю.В. Пути повшпения работоспособности сваршх соединений из перлитных сталей при отрицательных температурах, подвергающихся специальной термообработке // Сварные конструкции: Тезисы докладов международной конференции. - Киев, 1990. - С. 193-194.

4. Нягай D.W., Каковкин О.С., Витман Д.В., Сванидзе D.В. Электроды для сварки низколегированных термообрайатываешх сталей, эксплуатируемых при отрицательных температурах // Сварочное производство. -1991, * б. - С. 23-25.

V 5. A.c. » I73I55I СССР, ИШ5 В 23 К 35/365. Электрод для сварки / Витман Д.В. . Каковкин 0,С., Нягай Ю.М., Сванидзе Ю.В. -Опубл. 08.01.1992 г. '

6. Положительное решение по заявке » 4853788/08 от 25.07.90 г. Электродное покрытие. / Витман Д.В., Каковкин О.С., Нягай D.U., Сванидзе Ю.В. .• .. I:' ■/