Повышение конструктивной прочности литых изделий и сварных швов путем введения в расплав мелкодисперсных тугоплавких частиц

На правах рукописи

Головин Евгений Дмитриевич

Повышение конструктивной прочности

литых изделий и сварных швов путем введения

в расплав мелкодисперсных тугоплавких частиц

Специальность 05.16.09 – материаловедение (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Батаев Анатолий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Попова Марина Владимировна

кандидат физико-математических наук,

Легостаева Елена Викторовна

Ведущая организация: УРАН Институт химии твердого тела и

механохимии СО РАН, г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится «23» декабря 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.13 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского

государственного технического университета.

Автореферат разослан «23» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Иванцивский В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Из всей совокупности известных механизмов дислокационного упрочнения особо может быть выделен механизм, основанный на измельчении зеренной структуры. Количественно эффективность его влияния на величину предела текучести металлических материалов описывается зависимостью Холла - Петча. Важнейшее достоинство данного механизма заключается в благоприятном влиянии измельчения зерен не только на прочностные свойства, но также и на показатели пластичности и трещиностойкости металлических материалов. Учитывая высокую эффективность механизма зернограничного упрочнения, многие специалисты пытаются использовать его при разработке технологических процессов обработки материалов.

В последние десятилетия активно проводятся исследования по разработке и модификации методов, основанных на интенсивной пластической деформации материалов. Разработаны технологические схемы, обеспечивающие формирование структуры с размером зерна менее 100 нм. Однако с позиции благоприятного влияния одновременно на показатели прочности и пластичности наиболее эффективны технологические процессы обработки материалов, связанные с измельчением зеренной структуры при деформации материалов в горячем состоянии. С учетом этого обстоятельства для практической реализации предложено множество технологических решений, обеспечивающих контролируемое развитие рекристаллизационных процессов, приводящих, в свою очередь, к измельчению зеренной структуры материалов. В то же время в реальном производстве широко распространены технологические процессы, реализация которых сопровождается формированием явно выраженной крупнозернистой структуры. Избежать ее образования во многих случаях не удается. Речь идет о процессах получения отливок, особенно массивных, и о процессах сварки заготовок, основанных на высокотемпературном нагреве материала и его переходе в жидкое состояние.

Пребывание материала в расплавленном состоянии означает, что по отношению к нормальным условиям термической или термопластической обработки, обеспечивающим формирование качественной структуры, в течение некоторого времени он находился в перегретом состоянии. Исправление такой структуры представляет собой сложную техническую задачу, во многих случаях не имеющую эффективного решения. Одним из путей его практической реализации может быть модифицирование ванны жидкого расплава дополнительно введенными частицами, выполняющими функцию центров кристаллизации или препятствующими перемещению границ зерен при развитии процессов собирательной рекристаллизации. В качестве модификаторов расплавов могут выступать наноразмерные тугоплавкие частицы. Важнейшим достоинством такого рода частиц является их большое количество, приходящееся на единицу объема, что в значительной степени определяет эффективность измельчения кристаллической структуры материалов. Для ряда задач, связанных с обеспечением высоких показателей конструктивной прочности изделий ответственного назначения, обсуждаемая технология модифицирования является экономически оправданной уже в сегодняшних условиях. Таким образом, проблема модифицирования материалов при реализации процессов литья и сварки металлических материалов является актуальной, имеющей как научное, так и прикладное значение.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка способа получения многофункционального реагента-модификатора на основе нанопорошков тугоплавких соединений для обработки железоуглеродистых расплавов» (ГК № 16.513.11.3131), а также в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 гг." и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы».

Цель диссертационной работы: повышение конструктивной прочности литых изделий и сварных швов металлических материалов путем введения в расплав мелкодисперсных тугоплавких частиц.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проведение математического моделирования лазерной сварки исследуемых в работе материалов для определения температурно-временных параметров процесса, а также оценки напряженно-деформированного состояния и структурных изменений соединяемых заготовок.

2. Проведение металлографических, электронно-микроскопических и рентгеноструктурных исследований литых заготовок и сварных швов. Сравнение структур немодифицированного и модифицированного металла, выявление особенностей строения модифицированного литого металла.

3. Исследование влияния различных типов модификаторов на качество выплавляемого или свариваемого металла, а также исследование эффективности различных способов введения модификаторов в расплав металла.

4. Исследование комплекса механических свойств модифицированного металла (показателей прочности, пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости).

На защиту выносятся:

1. Результаты математического моделирования температурно-временных параметров процесса лазерной сварки и формирования структуры и напряженно-деформированного состояния в сварном шве после его кристаллизации.

2. Результаты структурных исследований литых заготовок и сварных швов, модифицированных путем добавления в расплав мелкодисперсных тугоплавких добавок.

3. Сравнительные результаты структурных особенностей немодифицированных материалов и материалов, модифицированных мелкодисперсными добавками разного типа, введенными в расплав различными способами.

4. Сравнительные результаты механических испытаний немодифицированных и модифицированных литых и сварных образцов (прочностных и пластических свойств, показателей ударной вязкости и трещиностойкости).

Научная новизна

1. Установлено, что с повышением температуры разливки или сварки металлов эффективность модифицирования материалов наноразмерными тугоплавкими частицами снижается. При выплавке и сварке алюминия и его сплавов эффект модифицирования проявляется наиболее сильно. С повышением температур процесса (при выплавке бронз, стали, чугуна и сварке титановых сплавов, углеродистой и нержавеющей сталей) эффект становится менее выраженным, исчезает или даже приводит к негативным результатам.

2. Методом электронно-микроскопического анализа установлено, что в алюминии, модифицированном карбидами и карбонитридами титана, имеет место повышение плотности дислокаций (до ~ 1,5·1010 см-2) и формируются дислокационные ячеистые построения с размером ~ 2 мкм. На участках с ячеистым строением зафиксировано присутствие наноразмерных частиц.

3. Установлено, что применение порошков наноразмерного карбида и карбонитрида титана, плакированных медью, приводит к измельчению кристаллитов технически чистого алюминия, их дендритное строение сменяется на преимущественно полиэдрическое. Модифицирование жидкого металла способствует росту предела прочности на 10…12 %, рост относительного удлинения составляет от 12 до 30 %.

4. Предложена схема ввода модифицирующих добавок в сварные швы, основанная на использовании промежуточных вставок из фольги с имплантированными в нее наноразмерными частицами. Применение вставок в процессе лазерной сварки заготовок из алюминиевого сплава АМг2М обеспечивает равномерное распределение наночастиц по объему сварочной ванны, что способствует росту ударной вязкости сварного шва на 30 %.

5. Экспериментально установлено, что при сварке углеродистой стали 20 наиболее эффективным модификатором является плакированный медью карбонитрид титана, введение которого приводит к измельчению кристаллов -фазы и карбидных строчек, выделяющихся в ней, что является причиной повышения ударной вязкости материала на 30 %.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Результаты проведенных исследований апробированы в ООО «Центролит-С» (г. Новосибирск) путем изготовлении втулок опорных катков экскаватора ЭКГ-8 из синтетического алюминиевого чугуна с добавками меди и наноразмерных модификаторов. В присутствии абразивных частиц стойкость модифицированного наночастицами чугуна в 2,2 раза превышает стойкость бронзы БрА9Ж3Л. Результаты проведенных производственных испытаний свидетельствуют об эффективности разработанного материала. С учетом предложенных рекомендаций изготовлены втулки опорных катков для экскаватора, эксплуатирующегося на Моховском разрезе акционерного общества «Кузбассразрезуголь».

2. Материалы диссертационной работы используются в Новосибирском государственном техническом университете в учебном процессе.

3. Технические решения, полученные с участием автора диссертации, экспонировались на российских и международных научно-промышленных выставках. Установка по повышению качества сварных швов путем обработки их поверхностных слоев индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, экспонировалась на научно-промышленных выставках и отмечена медалями международной выставки «Металлы Сибири» (2009 и 2010 гг.) и VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций (2010 г.).

Достоверность результатов

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены с применением современного аналитического и технологического оборудования, характеризующегося высокой надежностью методик и точностью измерений. Взаимодополняющие методы исследований структуры и механических свойств были подкреплены статистической обработкой полученных данных. Полученные результаты соответствуют современным представлениям о механизмах кристаллизации и модифицирования металлических материалов.

Личный вклад автора состоит в формулировании задач диссертационной работы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке и сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулировании выводов.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на 19 Уральской школе металловедов-термистов, г. Екатеринбург, 2008 г.; третьем международном форуме стратегических технологий (IFOST), Новосибирск-Томск, 2008 г.; всероссийской студенческой конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2009 г.; 48 международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», г. Новосибирск, 2010 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных научных работ, из них: 5 в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК, 4 - в сборниках научных трудов всероссийских и международных конференций.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 222 страницах и включает 91 рисунок, 8 таблиц, список литературы из 185 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, поставлены цель и задачи исследования, описаны основные направления научных исследований.

В первом разделе «Особенности процессов кристаллизации металлических материалов при литье и сварке заготовок» представлен обзор отечественной и зарубежной научной литературы по проблемам кристаллизации металлических материалов. Изложены современные представления о процессах модифицирования, представлен обзор предложенных специалистами теорий. Приведены данные о термодинамических особенностях кристаллизации металлов, разновидностях модифицирующих агентов для алюминия, меди, железа, титана и их сплавов. Особое внимание уделено способам ввода модификаторов в расплавы металлов. На основании литературного обзора сформулированы представления о процессах модифицирования.

Второй раздел «Материалы и методы исследования» посвящен описанию исследуемых в работе материалов, применяемых технологий сварки и литья, а также методик исследования структуры полученных образцов и измерения их свойств. Основными технологическими параметрами при лазерной сварке являлись мощность и скорость перемещения луча. Модифицирующие добавки вводились в сварной шов методом предварительного нанесения на свариваемые кромки суспензии нанопорошка на основе клея БФ6, либо при помощи промежуточных вставок, полученных по технологии прокатки пакета фольг с помещенной между слоями навеской модификатора. Сварка осуществлялась в среде гелия. Реализуемая технология литья заключалась в выплавке металла в индукционной печи, его заливке в раздаточный ковш, в котором осуществлялось модифицирование, и последующей разливке металла в песчано-жидкостекольные формы.

В качестве модификаторов в работе использовались нанодисперсные порошки карбонитрида титана, карбида титана, карбида кремния, нитрида титана, нитрида алюминия, оксида иттрия. Размер частиц порошков составлял 50…200 нм. Порошки плакировались железом, хромом или медью по технологии механоактивации в шаровых мельницах.

Металлографические исследования были выполнены с использованием оптических микроскопов AxioObserver A1m и AxioObserver Z1m (Carl Zeiss). Диапазон увеличений составлял х25…1500. Выполнялся анализ нетравленой структуры для оценки загрязненности материалов неметаллическими включениями. Для изучения субструктуры, дислокационных построений, наноразмерных частиц использовалась просвечивающая электронная микроскопия. Выявление состава полученных образцов в работе производилось методом рентгенофазового анализа. Образцы исследовались с помощью - ди фрактометра ARL X’TRA (Thermo Electron SA). Химический состав сварных соединений и отливок исследовался методами энергодисперсионного рентгеновского микроанализа и оптико-эмиссионного анализа.

Во втором разделе также описаны методики оценки механических показателей исследуемых материалов. В диссертационной работе применялись методы измерения твердости, определения показателей прочности и пластичности при статическом одноосном растяжении, измерения работы разрушения при ударном изгибе, определения циклической и статической трещиностойкости. С точки зрения оценки комплекса механических свойств материала главным показателем являлись результаты испытаний на статическое одноосное растяжение, проводимые на установках типа Instron.

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения различных зон сварных соединений: 1 – сталь 12Х18Н10Т, сварной шов; 2 – сталь 20, сварной шов; 3 – сталь 20, участок перегрева; 4 – сталь 20, участок неполной перекристаллизации; 5 – сплав АМг2М, сварной шов

Третий раздел «Математическое моделирование процессов, развивающихся при лазерной сварке материалов» посвящен математическому моделированию тепловых полей, структурно-фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния в сварных соединениях, выполняемых по технологии лазерной сварки. Объектами исследования являлись низкоуглеродистая сталь 20, коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т и алюминиевый сплав АМг2М. Установлено, что максимальный уровень температур, достигаемых при лазерной сварке хромоникелевой аустенитной стали 12Х18Н10Т, низкоуглеродистой стали 20 и алюминиевого сплава АМг2М, составляет 2700 С, 2480 С, и 1100 С соответственно (рис. 1). Длительность пребывания материала при данных температурах составляет ~ 0,08, 0,13 и 0,18 с. Несмотря на кратковременность теплового воздействия, вероятность частичного или полного растворения наноразмерных модификаторов в отмеченных материалах достаточно велика.

В четвертом разделе «Повышение качества сварных швов модифицированием переплавленного металла» изложены результаты экспериментальных исследований по повышению комплекса механических свойств сварных швов. Задача, решаемая на начальном этапе эксперимента, заключалась в выявлении режимов, обеспечивающих формирование оптимальной структуры сварных швов и наиболее высокие значения механических свойств.

Роль модифицирования в углеродистой стали 20 оценивали при проведении экспериментов по лазерной сварке пластин толщиной 3 мм. Модификаторами служили плакированные медью порошки наноразмерного карбонитрида титана (Cu + TiCN) и карбида титана (Cu + TiC). Общий вид сварных швов, сформированных лазерной сваркой, представлен на рис. 2. Отличия в структуре модифицированных и немодифицированных сварных швов видны уже при малых увеличениях. Введение наноразмерных частиц карбонитрида титана приводит к измельчению кристаллов -фазы и карбидных строчек, выделяющихся в ней (рис. 3). Из двух используемых в эксперименте инокуляторов более высокий эффект показывает карбонитрид титана.

Рис. 2. Общий вид сварных швов, сформированных лазерной сваркой заготовок из стали 20: а – немодифицированный шов; б – модифицирование наноразмерным порошком TiCN