Реферат: Улучшение качественных характеристик металла шва за счет повышения чистоты шихты

Министерство образования инауки Украины

Запорожский национальный технический университет

Кафедра ОТСП

ОТЧЕТ ПОНАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ

Улучшение качественных характеристик металла шва засчет повышения чистоты шихтовых материалов

Выполнил:

ст. гр.ИФ-329                                                                                          П.Ю. Горбань

Руководитель:

проф.                                                                                                             В.С. Попов

Принял:

доц.                                                                                                                   В.А. Гук

2002

/>содержание

Содержание… 2

Введение… 3

1. Исследованиеструктуры и свойств наплавленного металла… 4

1.1 Исследованиехимического состава наплавленного металла… 4

1.2 Исследованиенеметаллических включений в металле шва… 6

1.3 Механическиесвойства наплавленного металла… 6

Заключение… 8

Перечень ссылок… 9

/>Введение

В современных условиях производства машин, агрегатови металлоконструкций самого различного назначения сварка, как метод получениянеразъемных соединений, остается ведущим технологическим процессом.

Эксплуатационная надежность сварных швов истабильность их физико-механических свойств зависят от качества и постоянствасостава исходного сырья, используемого для изготовления электродов. Дляполучения высоких свойств наплавленного металла промышленностью выпускаетсясварочная проволока с достаточно низким содержанием газов, серы, фосфора идругих вредных примесей. По специальному заказу изготавливают проволоку изстали, выплавленной в вакуумно-индукционных печах, подвергнутой электрошлаковомуили вакуумно-дуговому переплаву [1].

Получение металла шва с минимально возможнымсодержанием кислорода и оксидных включений достигается путем одновременногораскисления металла алюминием, титаном, кремнием и марганцем, вводимыми впокрытие в виде ферросплавов [2]. Однако содержание кислорода и оксидныхвключений при этом остается еще достаточно высоким [3]. Для снижения содержаниякислорода в металле шва и с целью влияния на процесс зарождения включений, ихформу, дисперсность и состав, обычно используются сильные раскислители имодификаторы – церий, цирконий, иттрий, барий, кальций [3,4,5,6]. Применениетаких активных элементов в покрытии сварочных электродов усложняеттехнологический процесс подготовки шихты. Операции дробления, смешивания ипассивирования компонентов сопровождается большой потерей этих элементов наокисление [7].

Во многих отраслях промышленностипри изготовлении ответственных деталей из низколегированных сталей применяютсяэлектроды с основным покрытием типа УОНИ-13. Сварочные электроды сфтористо-кальциевым покрытием имеют существенные преимущества перед всемидругими при сварке конструкций ответственного назначения [1]. Электроды типаУОНИ-13 характеризуются более низким содержанием газов в наплавленном металлепо сравнению с электродами других видов, малая окислительная способностьпокрытий обеспечивает более полный переход легирующих элементов в металлсварочного шва.

В наплавленном металленаблюдается и прирост примесей цветных металлов, серы и фосфора, по сравнениюсодержанием в проволоке, за счет перехода их из обмазки электрода. Это обусловленотем, что в некоторых ферросплавах, используемых в качестве составляющихпокрытия, содержание серы и фосфора в 1.5¸5.0раз больше, чем в сварочной проволоке [8]. Доля таких компонентов в покрытияхэлектродов обычно составляет 15¸30%. В работе [9] установлено, что при наплавке электродами фтористо-кальциевоготипа в шлак переходит фосфора 0.001¸0.002%, серы 0.0013¸0.004% поотношению к массе расплавленного стержня. Следовательно, гарантировано низкоесодержания серы и фосфора в металле сварного шва возможно лишь за счет сниженияконцентрации этих примесей в компонентах покрытия электродов. В составэлектродных покрытий фтористо-кальциевого типа в основном входит ферротитан,ферромарганец и ферросилиций. Причем наибольшую долю из них занимает ферротитандо 15%. Поэтому газонасыщенность ферротитана и содержание в нем таких примесейкак сера, фосфор и цветные металлы существенно влияют на свойства металласварных швов [2]. Для улучшения свойств сварных швов необходимо использовать всварочных электородах ферротитан высокого качества с низким содержанием газов ипримесей цветных металлов. Следовательно, актуальной задачей материаловедения исварки является разработка материалов и технологий, позволяющих улучшитьструктуру и свойства наплавленного металла за счет улучшения качества сварочныхэлектродов.

В связи с выше изложенным дляулучшения структуры и свойств наплавленного металла, предложено, приизготовлении электродов типа УОНИ-13 использовать комплексную лигатуру, полученнуюсплавлением электрошлаковым способом отходов титана с серийными ферросплавами,с использованием эффекта рафинирования активными шлаками.

/>1. Исследование структурыи свойств наплавленного металла

Для исследования влияния состава ферротитана на свойстванаплавленного металла были изготовлены три партии электродов УОНИ 13/55 сразличными по составу и способу производства ферросплавами:

партия А – по рецептуре с использованием алюминотермическогоферротитана ФТи30А и ферросплавов промышленного производства.

партия Б – по рецептуре А с заменой ферротитанаалюминотермического способа производства ФТи35А на ферротитан электрошлаковойвыплавки ФТШ45.

партия В – по рецептуре А с заменой всех ферросплавовпромышленного производства на 12% опытного комплексно-легированного ферротитанаК-2.

Пассивирование сплава К-2 производили в муфельной печи при температуре350° С в течение 30 мин. Исследованиетехнологического процесса приготовления обмазочной массы и нанесения ее методомопрессовки для всех трех партий электродов, а также процесса возбуждения игорения дуги показало, что каких либо различий в технологичности приизготовлении и наплавке металла между электродами партий А, Б и В ненаблюдается [10].

/>1.1 Исследованиехимического состава наплавленного металла

Химический состав металла, наплавленного электродами с покрытиями,содержащими ферротитан разного способа производства, имеет некоторые различия[9] (табл. 1.1, 1.2.).

Таблица 1.1 – Химический состав наплавленного металла

Партия электродов Массовая доля элементов, %

С

Si

Mn

S

P

А 0,09 0,05 1,0 0,020 0,020 Б 0,10 0,030 0,80 0,020 0,022 В 0,09 0,035 1,0 0,014 0,016 Паспортный состав 0,08-0,11 0,2-0,5 0,6-1,2 £0,022 £0,024

Как видноиз приведенной таблицы, химический состав металла, наплавленного электродамивсех исследованных в работе партий, соответствует требованиям паспортаэлектродов УОНИ 13/55. Более низкое содержание Si и Mn в металле, наплавленномэлектродами партии Б и В получено в результате большего вовлечения этихэлементов в реакции раскисления металлической ванны, при меньших содержаниях Аlв покрытии электродов партии Б и В (0,14%) в сравнении с покрытием А (0,96%).Более высокая концентрация Si, Mn и Тi в металле партии В в сравнении с Бсвидетельствует о меньших потерях этих элементов на поверхностное окисление впроцессе изготовления электродов при использовании сплава К-2. В металле,наплавленном электродами партии В, содержится наименьшее количество примесей Sи P, что является следствием применения комплексно-легированного ферротитанаК-2, при получении которого методом ЭШВ использовались отходы титана,содержащие малое количество этих примесей, а промышленные ферросплавы ФМн1 и ФС45 были рафинированы по S и P высокоосновным флюсом в процессе выплавки.

При этом, в наплавленном металле снижается не толькоколичество S и P, газов (О и N), а также и примесей цветных металлов [8](табл.1.2).

Таблица 1.2 – Содержание газов и примесей цветных металлов внаплавленном металле

Партия

электродов

Массовая доля элементов, % O N Ti Cu Sn А 0,050 0,0073 0,011 0,1 0,01 Б 0,046 0,0062 0,018 0,08 0,005 В 0,040 0,0065 0,020 0.08 0,005

Припроизводстве ферротитана и комплексно-легированного ферротитана методом ЭШВиспользуются отходы Тi в виде листовой обрези, содержащие низкое количествогазов (О и N), С и примесей цветных металлов без использования вторичного А1,что полностью исключает возможность их внесения. Поэтому содержание примесей Cuи Sn в металле, наплавленном электродами партии Б и В ниже, чем электродами А.

Количество кислорода вметалле, наплавленном электродами партии В, наиболее низкое. Этосвидетельствует о более полном раскислении металла шва при использовании впокрытии В комплексно-легированного ферротитана К-2.

/>1.2 Исследованиенеметаллических включений в металле шва

Использование ферротитанаЭШВ в покрытии сварочных электродов позволило снизить в наплавленном металлесодержание газов, примесей и неметаллических включений.

Результаты оценки загрязненности неметаллическимивключениями металла, наплавленного опытными электродами приведены втабл. 1.3.

Таблица 1.3 – Содержание оксидных включений в наплавленном металле

Массовая доля оксидных включений, % Партия Общее Удельная доля в общем количестве, % электродов Количество

Al2O3

SiO2

Сложные оксиды (Si-Ti-Mn-Fe)·O А 0,052 44,5 35,5 20,0 Б 0,043 28,8 20,5 51,5 В 0,030 20,5 16,0 63,5

Проволока Св.-08,

 Св-08Г2С [2]

0,005-0,015 59,11 33,14 7,75

Как видно из приведенных в таблицеданных, в наплавленном металле электродов партии Б и В существенно сниженообщее количество неметаллических включений. В металле, наплавленном электродамиВ, содержащем только один ферросплав в виде комплексно-легированногоферротитана, полученного методом ЭШВ, общее количество неметаллическихвключений снижено более чем на 40% в сравнении с металлом электродов А, прииспользовании алюминотермического ферротитана и раздельным введением в покрытиедругих раскислителей –  ферромарганца и ферросилиция. При этом, количествотугоплавких включений с Al2O3 более чем в два меньше, чемв металле, наплавленном электродами А. В таких же пределах уменьшено содержаниестекловидных силикатов. В металле партии Б и В отсутствуют крупныеэкзогенные частицы тиалита и перовскита, характерных для ферротитанаалюмотермического способа производства. При снижении общего количествавключений несколько возрастает удельная доля силикатов сложного состава сгетерогенной микроструктурой. Преимущественное формирование силикатов сложногосостава и меньшее содержание кислорода в металле, наплавленном электродами В,при равном исходном количестве раскислителей в покрытии этих электродов,свидетельствует о более полном и интенсивном процессе удаления продуктовреакции раскисления при использовании комплексно-легированного ферротитана [5].

/>1.3 Механические свойстванаплавленного металла

Результаты исследования механических свойств металла,наплавленного опытными электродами, представлены в табл. 1.4.

Таблица 1.4 – Механические свойства металла сварного шва,наплавленного опытными электродами

Значения механических свойств по ГОСТ 6996 -75

Партия

электродов

Временное сопротивление разрыву sВ, МПа

Предел текучести

sТ, МПа

Относительное удлинение

d, %

Ударная вязкость KCU,<sub/>Дж/см2

А 505-545 400-420 23-27 155-205 Б 520-560 400-440 26-28 175-220 В 540-565 420-450 27-30 210-240 Типичные значения для УОНИ 13/55 [5] 510-570 390-440 24-28 156-245 Паспортные данные УОНИ13/55 ³ 490 ³ 390 ³ 20 ³ 160 Требования ГОСТ 9467-75 к типу электродов Э50А ³ 490 — ³ 20 ³ 130

Механические свойства и химический состав наплавленногометалла всех партий электродов соответствует требованиям ГОСТ 9467-75. Приэтом, пластичность металла наплавленными электродами партий Б и В выше чем А.Использование в покрытии электродов более чистого по примесям и неметалличскимвключениям ферротитана электрошлаковой выплавки ФТШ 45 позволило повыситьна 7% средние значения относительного удлинения и на 9% ударной вязкости всравнении с электродами партии А. При замене всех ферросплавов покрытияэлектродов на комплексно-легированный ферротитан электрошлаковой выплавки К-2средние значения относительного удлинения увеличены на 12%, а ударной вязкостина 18% в сравнении с электродами партии А, и на 8 и 9% соответственно длясредних типичных значений электродов УОНИ 13/55. Таким образом проявилось болеенизкое содержанием газов, S и P, а также примесей цветных металлов внаплавленном металле электродами В, по сравнению с А и электродамипромышленного изготовления с использованием ферротитана алюминотермическогоспособа производства. Присутствие в металле, наплавленном электродами партии А,значительного количества тугоплавких включений неблагоприятной формы исиликатных стекол вызывает снижение ударной вязкости металла по сравнению сметаллом электродов Б и В. Это связано с тем, что тугоплавкие оксиды Alугловатой, неправильной формы выполняют роль больших концентраторов напряженийпо сравнению с округлыми (глобулярными) включениями силикатов в металле,наплавленном электродами Б и В [9,10].

/>заключение

1.   Применениев составе покрытия электродов основного типа ферротитана электрошлаковойвыплавки, а также комплексных Ti-Mn-Si – содержащих ферросплавов, полученныхметодом электрошлакового переплава отходов титана, стали и промышленныхферросплавов (ферромарганца и ферросилиция) позволяет получить наплавленныйметалл с более высокими пластическими свойствами.

2.  Использование в покрытии сварочных электродов основного типа УОНИ13/55ферротитана ЭШВ позволяет снизить в наплавленном металле содержание оксидовалюминия на 30-40%, при снижении содержания примесей цветных металлов до 20%.

3.  Использование комплексно легированного ферротитана, полученного методомЭШВ в составе обмазки электродов УОНИ 13/55 обеспечивает также большую степеньраскисления наплавленного металла при меньших потерях элементов раскислителей.Содержание S и Р при этом снижено на 30 и 20% соответственно. Массовая долявключений в наплавленном металле в виде оксидов уменьшена на 20%, при снижениипримесей цветных металлов Cu и Sn до 20%. Снижено более чем на 40% содержаниемелкодисперсных включений корунда. Все это в комплексе, позволило повыситьударную вязкость на 15% и относительное удлинение наплавленного металла на  20%.

Таким образом, для повышения чистоты наплавленного металлапо неметаллическим включениям, улучшения пластических свойств наплавленногометалла целесообразно использовать в составе обмазки сварочных электродовосновного типа комплексных титан содержащих лигатур-раскислителей, полученныхметодом электрошлаковой выплавки.

/>перечень ссылок

1. Заке И.А. Сваркаразнородных сталей: Справочное пособие. — Л.: Машиностроение, 1973.-208с.

2. Богачевский А.А.Повышение качества металла шва путем введения в покрытие синтетическоговолластанина и цериевой лигатуры. // Сварочное производство. — 1993. — №4. — с.8.

3. Справочник посварке / под ред. Е.В. Соколова. Т.1. — М.: Машиностроение, 1962. — 657с.

4. Походня И.К.Газы в сварных швах. — М.: Машиностроение, 1973.-256с.

5. Кабацкий В.И.,Приволов Н.Т., Макаренко В.Д. Особенности влияния комплексных лигатур насодержание газов в наплавленном металле при сварке электродами с основнымпокрытием // Сварочное производство. — 1986. — №12. — С. 4-5.

6. Лунев В.В.,Шульте Ю.А. Применение комплексных лигатур с РЗМ и ЩЗМ для улучшения свойствлитых и деформированных сталей. // Влияние комплексного раскислителя насвойства сталей. — М.: Металлургия, 1982. — с.32-50.

7. Степанова В.В.Повышение качества марганцовистых и хромомарганцовистых сталей для отливок ипоковок. Дис. на соиск. Ученой степени КТН. — Запорожье ЗГТУ. — 1996.

8.  Газы и примеси вферросплавах / М.И. Гасик, В.С. Игнатьев, С.И.Хитрик. — М.: Металлургия, 1970.- 152с.

9. Букин А.А., Кохан С.В. Прогнозирование содержания S и P в металле, наплавленномпокрытыми электродами // Автоматическая сварка. — 1988. -№2. — с.27.

10.  Кабацкий В.И., ПриволовН.Т., Макаренко В.Д. Особенности влияния комплексных лигатур на содержаниегазов в наплавленном металле при сварке электродами с основным покрытием //Сварочное производство. — 1986. — №12. — С. 4-5.