Металлургия

Улучшение качественных характеристик металла шва за счет повышения чистоты шихты


                  Министерство образования и науки Украины
              Запорожский национальный технический университет



                                                                Кафедра ОТСП



             ОТЧЕТ ПО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ

 Улучшение качественных характеристик металла шва за счет повышения чистоты
                             шихтовых материалов



Выполнил:
ст. гр. ИФ-329
П.Ю. Горбань
Руководитель:
проф.
В.С. Попов
Принял:
доц.
В.А. Гук



                                    2002

                                 содержание


    Содержание   2
    Введение     3
    1. Исследование структуры и свойств наплавленного металла 4
    1.1 Исследование химического состава наплавленного металла      4
    1.2 Исследование неметаллических включений в металле шва  6
    1.3 Механические свойства наплавленного металла     6
    Заключение   8
    Перечень ссылок    9


                                  Введение

    В   современных    условиях    производства    машин,    агрегатов    и
металлоконструкций самого различного назначения сварка, как метод  получения
неразъемных соединений, остается ведущим технологическим процессом.
    Эксплуатационная надежность сварных  швов  и  стабильность  их  физико-
механических свойств зависят от качества  и  постоянства  состава  исходного
сырья, используемого для  изготовления  электродов.  Для  получения  высоких
свойств  наплавленного   металла   промышленностью   выпускается   сварочная
проволока с достаточно низким содержанием  газов,  серы,  фосфора  и  других
вредных примесей. По специальному заказу изготавливают проволоку  из  стали,
выплавленной в вакуумно-индукционных  печах,  подвергнутой  электрошлаковому
или вакуумно-дуговому переплаву [1].
    Получение металла шва с минимально возможным  содержанием  кислорода  и
оксидных включений  достигается  путем  одновременного  раскисления  металла
алюминием, титаном, кремнием  и  марганцем,  вводимыми  в  покрытие  в  виде
ферросплавов [2]. Однако содержание кислорода и оксидных включений при  этом
остается еще достаточно высоким [3]. Для  снижения  содержания  кислорода  в
металле шва и с целью влияния на процесс  зарождения  включений,  их  форму,
дисперсность  и  состав,  обычно   используются   сильные   раскислители   и
модификаторы  –  церий,  цирконий,   иттрий,   барий,   кальций   [3,4,5,6].
Применение  таких  активных  элементов  в  покрытии   сварочных   электродов
усложняет технологический  процесс  подготовки  шихты.  Операции  дробления,
смешивания и пассивирования компонентов сопровождается большой потерей  этих
элементов на окисление [7].
      Во  многих  отраслях  промышленности  при  изготовлении  ответственных
деталей  из  низколегированных  сталей  применяются  электроды  с   основным
покрытием типа УОНИ-13. Сварочные электроды с фтористо-кальциевым  покрытием
имеют существенные преимущества перед всеми другими при  сварке  конструкций
ответственного назначения [1]. Электроды типа УОНИ-13 характеризуются  более
низким содержанием газов в наплавленном металле по сравнению  с  электродами
других видов, малая окислительная способность  покрытий  обеспечивает  более
полный переход легирующих элементов в металл сварочного шва.
      В  наплавленном  металле  наблюдается  и  прирост   примесей   цветных
металлов, серы и фосфора, по сравнению  содержанием  в  проволоке,  за  счет
перехода их из обмазки электрода.  Это  обусловлено  тем,  что  в  некоторых
ферросплавах, используемых  в  качестве  составляющих  покрытия,  содержание
серы и фосфора в 1.5(5.0 раз больше, чем в  сварочной  проволоке  [8].  Доля
таких компонентов в  покрытиях  электродов  обычно  составляет  15(30  %.  В
работе [9] установлено, что при  наплавке  электродами  фтористо-кальциевого
типа  в  шлак  переходит  фосфора  0.001(0.002  %,  серы  0.0013(0.004%   по
отношению  к  массе  расплавленного  стержня.  Следовательно,  гарантировано
низкое содержания серы и фосфора в металле сварного  шва  возможно  лишь  за
счет снижения концентрации этих примесей в компонентах покрытия  электродов.
В состав электродных покрытий фтористо-кальциевого типа  в  основном  входит
ферротитан, ферромарганец и ферросилиций.  Причем  наибольшую  долю  из  них
занимает  ферротитан  до  15%.  Поэтому   газонасыщенность   ферротитана   и
содержание  в  нем  таких  примесей  как  сера,  фосфор  и  цветные  металлы
существенно влияют на свойства  металла  сварных  швов  [2].  Для  улучшения
свойств  сварных  швов  необходимо  использовать  в  сварочных   электородах
ферротитан высокого качества с низким содержанием газов и  примесей  цветных
металлов.  Следовательно,  актуальной  задачей  материаловедения  и   сварки
является разработка материалов и технологий, позволяющих улучшить  структуру
и свойства  наплавленного  металла  за  счет  улучшения  качества  сварочных
электродов.
      В  связи  с  выше  изложенным  для  улучшения  структуры   и   свойств
наплавленного металла, предложено, при изготовлении электродов типа  УОНИ-13
использовать комплексную лигатуру,  полученную  сплавлением  электрошлаковым
способом отходов титана с серийными ферросплавами, с использованием  эффекта
рафинирования активными шлаками.

          1. Исследование структуры и свойств наплавленного металла

    Для исследования влияния состава ферротитана на свойства  наплавленного
металла были изготовлены три партии электродов УОНИ 13/55  с  различными  по
составу и способу производства ферросплавами:
    партия  А  –  по   рецептуре   с   использованием   алюминотермического
ферротитана ФТи30А и ферросплавов промышленного производства.
    партия Б – по рецептуре А  с  заменой  ферротитана  алюминотермического
способа производства ФТи35А на ферротитан электрошлаковой выплавки ФТШ45.
    партия В – по рецептуре А с  заменой  всех  ферросплавов  промышленного
производства на 12% опытного комплексно-легированного ферротитана К-2.
    Пассивирование сплава К-2 производили в муфельной печи при  температуре
350(  С  в  течение   30   мин.   Исследование   технологического   процесса
приготовления обмазочной массы и нанесения ее методом  опрессовки  для  всех
трех  партий  электродов,  а  также  процесса  возбуждения  и  горения  дуги
показало, что каких либо  различий  в  технологичности  при  изготовлении  и
наплавке металла между электродами партий А, Б и В не наблюдается (10(.

         1.1 Исследование химического состава наплавленного металла

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



    Таблица 1.1 – Химический состав наплавленного металла

|Партия электродов             |Массовая доля элементов, %                 |
|                              |С       |Si     |Mn    |S       |P     |
|А                             |0,09    |0,05   |1,0   |0,020   |0,020 |
|Б                             |0,10    |0,030  |0,80  |0,020   |0,022 |
|В                             |0,09    |0,035  |1,0   |0,014   |0,016 |
|Паспортный состав             |0,08-0,1|0,2-0,5|0,6-1,|(0,022  |(0,024|
|                              |1       |       |2     |        |      |


    Как  видно  из  приведенной   таблицы,   химический   состав   металла,
наплавленного электродами всех исследованных в работе партий,  соответствует
требованиям паспорта электродов УОНИ 13/55. Более низкое содержание Si и  Mn
в металле, наплавленном электродами партии  Б  и  В  получено  в  результате
большего вовлечения  этих  элементов  в  реакции  раскисления  металлической
ванны, при меньших содержаниях  Аl  в  покрытии  электродов  партии  Б  и  В
(0,14%) в сравнении с покрытием А (0,96%). Более  высокая  концентрация  Si,
Mn и Тi в металле партии  В  в  сравнении  с  Б  свидетельствует  о  меньших
потерях этих элементов на поверхностное окисление  в  процессе  изготовления
электродов  при  использовании   сплава   К-2.   В   металле,   наплавленном
электродами партии В, содержится наименьшее количество примесей S и  P,  что
является следствием  применения  комплексно-легированного  ферротитана  К-2,
при получении которого методом ЭШВ использовались отходы титана,  содержащие
малое количество этих примесей, а промышленные  ферросплавы  ФМн1  и  ФС  45
были рафинированы по S и P высокоосновным флюсом в процессе выплавки.
    При этом, в наплавленном металле снижается не только количество S и  P,
газов (О и N), а также и примесей цветных металлов [8] (табл.1.2).

    Таблица  1.2  –  Содержание  газов  и  примесей  цветных   металлов   в
наплавленном металле

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


    При производстве  ферротитана  и  комплексно-легированного  ферротитана
методом ЭШВ используются  отходы  Тi  в  виде  листовой  обрези,  содержащие
низкое количество  газов  (О  и  N),  С  и  примесей  цветных  металлов  без
использования  вторичного  А1,  что  полностью  исключает   возможность   их
внесения. Поэтому содержание  примесей  Cu  и  Sn  в  металле,  наплавленном
электродами партии Б и В ниже, чем электродами А.
    Количество кислорода в  металле,  наплавленном  электродами  партии  В,
наиболее низкое. Это свидетельствует о более полном раскислении металла  шва
при использовании в покрытии В комплексно-легированного ферротитана К-2.

          1.2 Исследование неметаллических включений в металле шва

    Использование ферротитана ЭШВ в покрытии сварочных электродов позволило
снизить в наплавленном металле содержание газов, примесей и  неметаллических
включений.
    Результаты оценки загрязненности неметаллическими включениями  металла,
наплавленного опытными электродами приведены в табл. 1.3.

    Таблица 1.3 – Содержание оксидных включений в наплавленном металле

|                     |Массовая доля оксидных включений, %                    |
|Партия               | Общее       |Удельная доля в общем количестве, %     |
|электродов           |Количество   |Al2O3     |SiO2      |Сложные оксиды   |
|                     |             |          |          |(Si-Ti-Mn-Fe)·O  |
| А                   |0,052        |44,5      |35,5      |20,0             |
|Б                    |0,043        |28,8      |20,5      |51,5             |
|В                    |0,030        |20,5      |16,0      |63,5             |
|Проволока Св.-08,    |0,005-0,015  |59,11     |33,14     |7,75             |
|Св-08Г2С [2]         |             |          |          |                 |


    Как видно из приведенных  в  таблице  данных,  в  наплавленном  металле
электродов   партии   Б   и   В   существенно   снижено   общее   количество
неметаллических  включений.   В   металле,   наплавленном   электродами   В,
содержащем  только   один   ферросплав   в   виде   комплексно-легированного
ферротитана,  полученного  методом  ЭШВ,  общее  количество  неметаллических
включений снижено более чем на 40% в сравнении с металлом электродов А,  при
использовании  алюминотермического  ферротитана  и  раздельным  введением  в
покрытие других раскислителей –  ферромарганца  и  ферросилиция.  При  этом,
количество тугоплавких включений с Al2O3 более  чем  в  два  меньше,  чем  в
металле,  наплавленном  электродами  А.  В  таких  же   пределах   уменьшено
содержание стекловидных  силикатов.  В  металле  партии  Б  и В  отсутствуют
крупные  экзогенные  частицы   тиалита   и   перовскита,   характерных   для
ферротитана алюмотермического  способа  производства.  При  снижении  общего
количества включений несколько возрастает удельная доля  силикатов  сложного
состава  с  гетерогенной  микроструктурой.   Преимущественное   формирование
силикатов  сложного  состава  и  меньшее  содержание  кислорода  в  металле,
наплавленном электродами В, при равном исходном количестве  раскислителей  в
покрытии этих электродов,  свидетельствует  о  более  полном  и  интенсивном
процессе  удаления   продуктов   реакции   раскисления   при   использовании
комплексно-легированного ферротитана [5].

               1.3 Механические свойства наплавленного металла

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



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

|                  |Значения механических свойств по ГОСТ 6996 -75         |
|Партия            |Временное      |Предел     |Относительное|Ударная     |
|                  |сопротивление  |текучести  |удлинение    |вязкость    |
|электродов        |разрыву (В, МПа|(Т, МПа    |(, %         |KCU, Дж/см2 |
|А                 |505-545        |400-420    |23-27        |155-205     |
|Б                 |520-560        |400-440    |26-28        |175-220     |
|В                 |540-565        |420-450    |27-30        |210-240     |
|Типичные значения |510-570        |390-440    |24-28        |156-245     |
|для УОНИ 13/55 [5]|               |           |             |            |
|Паспортные данные |( 490          |( 390      |( 20         |( 160       |
|УОНИ13/55         |               |           |             |            |
|Требования        |( 490          |—          |( 20         |( 130       |
|ГОСТ 9467-75 к    |               |           |             |            |
|типу электродов   |               |           |             |            |
|Э50А              |               |           |             |            |

    Механические свойства и химический состав  наплавленного  металла  всех
партий  электродов  соответствует  требованиям  ГОСТ  9467-75.   При   этом,
пластичность металла наплавленными электродами партий Б  и  В  выше  чем  А.
Использование  в  покрытии  электродов   более   чистого   по   примесям   и
неметалличским  включениям  ферротитана  электрошлаковой   выплавки   ФТШ 45
позволило повысить на 7% средние значения относительного удлинения и  на  9%
ударной вязкости в  сравнении  с  электродами  партии  А.  При  замене  всех
ферросплавов  покрытия  электродов  на  комплексно-легированный   ферротитан
электрошлаковой  выплавки  К-2  средние  значения  относительного  удлинения
увеличены на 12%, а ударной  вязкости  на  18%  в  сравнении  с  электродами
партии А,  и  на  8  и  9%  соответственно  для  средних  типичных  значений
электродов УОНИ 13/55. Таким образом  проявилось  более  низкое  содержанием
газов, S и P, а также  примесей  цветных  металлов  в  наплавленном  металле
электродами В, по сравнению с А и электродами промышленного  изготовления  с
использованием   ферротитана   алюминотермического   способа   производства.
Присутствие в металле,  наплавленном  электродами  партии  А,  значительного
количества тугоплавких включений неблагоприятной формы и  силикатных  стекол
вызывает  снижение  ударной  вязкости  металла  по  сравнению   с   металлом
электродов Б и В. Это связано с тем, что тугоплавкие  оксиды  Al  угловатой,
неправильной формы  выполняют  роль  больших  концентраторов  напряжений  по
сравнению  с  округлыми  (глобулярными)  включениями  силикатов  в  металле,
наплавленном электродами Б и В [9,10].

                                 заключение

Применение  в  составе  покрытия  электродов  основного   типа   ферротитана
электрошлаковой  выплавки,  а  также  комплексных  Ti-Mn-Si   –   содержащих
ферросплавов, полученных методом электрошлакового переплава отходов  титана,
стали и промышленных ферросплавов (ферромарганца и  ферросилиция)  позволяет
получить наплавленный металл с более высокими пластическими свойствами.
Использование в  покрытии  сварочных  электродов  основного  типа  УОНИ13/55
ферротитана ЭШВ позволяет снизить в наплавленном металле содержание  оксидов
алюминия на 30-40%, при снижении содержания  примесей  цветных  металлов  до
20%.
Использование комплексно легированного ферротитана, полученного методом  ЭШВ
в составе обмазки электродов УОНИ 13/55 обеспечивает также  большую  степень
раскисления   наплавленного   металла   при   меньших   потерях    элементов
раскислителей.  Содержание  S  и  Р  при  этом   снижено   на   30   и   20%
соответственно. Массовая  доля  включений  в  наплавленном  металле  в  виде
оксидов уменьшена на 20%, при снижении примесей цветных металлов Cu и Sn  до
20%. Снижено более чем на 40% содержание мелкодисперсных включений  корунда.
Все  это  в  комплексе,  позволило  повысить  ударную  вязкость  на  15%   и
относительное удлинение наплавленного металла на  20%.
    Таким  образом,  для  повышения  чистоты   наплавленного   металла   по
неметаллическим включениям,  улучшения  пластических  свойств  наплавленного
металла целесообразно использовать в составе  обмазки  сварочных  электродов
основного   типа   комплексных   титан   содержащих   лигатур-раскислителей,
полученных методом электрошлаковой выплавки.


                               перечень ссылок

Заке  И.А.  Сварка  разнородных  сталей:  Справочное   пособие.   -   Л.   :
Машиностроение, 1973.-208с.
Богачевский А.А. Повышение качества металла шва путем  введения  в  покрытие
синтетического волластанина и цериевой лигатуры. // Сварочное  производство.
- 1993. - №4. - с.8.
Справочник по сварке / под ред. Е.В. Соколова. Т.1. - М.  :  Машиностроение,
1962. - 657с.
Походня И.К. Газы в сварных швах. - М. : Машиностроение, 1973.-256с.
Кабацкий  В.И.,  Приволов   Н.Т.,   Макаренко   В.Д.   Особенности   влияния
комплексных лигатур на содержание газов в наплавленном  металле  при  сварке
электродами с основным покрытием // Сварочное производство. - 1986.  -  №12.
- С. 4-5.
Лунев В.В., Шульте Ю.А. Применение комплексных  лигатур  с  РЗМ  и  ЩЗМ  для
улучшения свойств литых и деформированных сталей.  //  Влияние  комплексного
раскислителя на свойства сталей. - М. : Металлургия, 1982. - с.32-50.
Степанова В.В.  Повышение  качества  марганцовистых  и   хромомарганцовистых
сталей для  отливок  и  поковок.  Дис.  на  соиск.  Ученой  степени  КТН.  -
Запорожье ЗГТУ. - 1996.
Газы и примеси в ферросплавах / М.И. Гасик, В.С. Игнатьев, С.И.Хитрик. -  М.
: Металлургия, 1970. - 152с.
Букин  А.А.,  Кохан  С.В.  Прогнозирование  содержания  S  и  P  в  металле,
наплавленном покрытыми электродами // Автоматическая сварка. - 1988. -№2.  -
с.27.
Кабацкий  В.И.,  Приволов   Н.Т.,   Макаренко   В.Д.   Особенности   влияния
комплексных лигатур на содержание газов в наплавленном  металле  при  сварке
электродами с основным покрытием // Сварочное производство. - 1986.  -  №12.
- С. 4-5.


смотреть на рефераты похожие на "Улучшение качественных характеристик металла шва за счет повышения чистоты шихты "