Введение к работе
Актуальность проблемы. Благодаря исключительно высокой коррозионной стойкости, жаропрочности и стабильности физико-механических свойств в широком температурном интервале, никель и сплавы на эго основе стали базовым конструкционным материалом в многотон-іажном химическом машиностроении. Сварные никелевые детали, узлы і аппараты обычно эксплуатируются в условиях повышенных температур (до 1300 К), высоких давлений (до 1000 МПа), воздействия агрессивных газовых и жидких сред. Это предопределяет противоречивость требований к свойствам никелевого сварного шва как наиболее /язвимого места конструкции.
Для сварки технического никеля марки НП-2 в основном используются ручная дуговая покрытым электродом, автоматическая под :лоем флюса и несколько реже аргонодуговая сплошной и порошковой проволкой.
Основная проблема свариваемости технического никеля НП-2 заключается в нахождении компромисса между необходимостью получения прочного и бездефектного шва, для чего требуется модифицирование состава и микроструктуры металла, и необходимостью обеспечения коррозионной стойкости сварных соединений, что достигается при минимальном отличии химического и фазового состава металла шва от основного металла.
Сравнительные испытания сварных никелевых соединений, полученных при использовании известных сварочных материалов, содержащих в качестве компонентов ферросплавы или тугоплавкие металлы показали, что эти материалы, обеспечивая за счет существенного для никеля уровня легирования примерно от 5 до 9% достаточные прочностно-пластические свойства металла сварных швов никелевых аппаратов не позволяли получать сварные соединения равностойкие основному металлу, например в средах фторорганического синтеза, расплавах хлоридов и в других особоагрессивных средах, не отвечали возрастающим требованиям технологов и конструкторов, работающих над созданием новых технологий, машин и конструкций из никеля и сплавов на его основе. Кроме того стало очевидным, что возможности по оптимизации или совершенствованию сварочных материалов путем дальнейшего использования ферросплавов или отдельных тугоп-
лавких металлов или их композиций практически исчерпаны.
Как показывает опыт, высокая плотность, прочность и одновременно, коррозионная стойкость никелевых соединений может быт достигнута при использовании в качестве компонента сварочных материалов кубических карбидов переходных металлов IV - V групп. Однако, систематических исследований, посвященных изучению роли и механизма влияния карбидов на процесс сварки никеля до выполнения настоящей работы не проводилось. Применительно к условиям сварки особенности поведения карбидов различной дисперсности и химического состава в окислительных средах практически не изучены. Это затрудняло управлением процесса сварки, не позволяло вести его в нужном направлении, 'подавляя или, напротив активируя его. Отсутствовали сведения по поведению карбидов в присутствии различных компонентов сварочных материалов карбонатно-флюоритного типа. Анализ сложивщейся ситуации показывал, что для создания и применения карбидсодержащих сварочных материалов помимо вышеперечисленных проблем также необходимо было установить пути перехода карбидов из сварочного материала в металл шва, выявить закономерности металлургических реакций, протекающих с участием карбидов в сварочной ванне, изучить особенности процессов структурообразова-ния в металле никелевых швов.
С другой стороны, организация малотоннажного производства сварочных материалов с карбидным наполнителем невозможна без оптимизации технологии получения сварочных карбидсодержащих материалов. Для этого требовалось разработать и освоить процесс высокоинтенсивного гранулирования керамических флюсов, модернизировать процесс экструзии пластифицированных масс электродных покрытий и волочения порошковых проволок.
В связи с изложенным, создание новой группы материалов для сварки никеля, обеспечивающих требуемую коррозионную стойкость сварных соединений, разработка и реализация технологии их получения и применения является актуальной проблемой.
Работа выполнялась в рамках научно-технической программы Координационного совета по сварке от 22.10.81 N 1003 по проблеме 0.72.01, заданию 05.04.6: "Разработать материалы и технологию сварки никеля, высоконикелевых сплавов, меди и их композиций с другими металлами применительно к сварным конструкциям, работающим в агрессивных средах", научно-технической программы Минис-
терства общего и профессионального образования по направлению "Сварочные процессы" и государственной научно-технической программы Министерства науки и Российской федерации "Наукоемкие технологии".
Цель работы. Создание новой группы карбидсодерзкащих материалов для сварки никеля, разработка и реализация технологии их получения и применения.
Для достижения этой цели в задачу исследования входили:
-
Изучение поведения кубических карбидов в кислородсодержащих средах в присутствии компонентов сварочных материалов и выявление закономерностей процессов окисления и газообразования в сварочной дуге. Определение оптимальных концентраций карбидов в сварочныхматериалах. обеспечивающих восстановительную атмосферу в дуге и получение беспористых швов при сварке никеля.
-
Выяснение основных путей перехода кубических карбидов из сварочных материалов в металл шва. Определение пределов растворимости карбидов в сварочной ванне и изучение особенностей формирования микроструктуры металла. Определение уровня оптимальных концентраций карбидов в сварочных материалах, обеспечивающих требуемые механические свойства сварных никелевых швов.
-
Физико-химическое обоснование выбора составов карбидсо-держащих материалов,обеспечивающих высокий уровень прочност-но-пластических и коррозионнстойких свойств сварных соединений никеля.
-
Выявление механизма формирования и оптимизация условий получения высококачественных сварочных материалов на основе дисперсных систем с карбидным наполнителем.
-
Разработка и изготовление комплекса технологического оборудования с реализацией малотоннажного производства сварочных карбидсодержащих материалов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны технологические принципы создания материалов на основе дисперсных систем с карбидным наполнителем для дуговой сварки никеля, дано их физико-химическое обоснование.
-
Установлены основные закономерности процесса окисления карбидов различного химического и гранулометрического состава в кислородсодержащих средах в условиях, моделирующих температур-но-временные режимы дуговой сварки. Обнаружен эффект селективного
окисления компонентов карбидной фазы. Доказано, что первоначальным газообразным продуктом окисления карбидов, близких по составу к стехиометрическому, является монооксид углерода, а сильнодефектных - моно- и диоксид углерода.
-
Выявлены особенности окисления кубических карбидов в смесях с карбонатно-флюоритными компонентами сварочных материалов. Впервые установлена взаимосвязь между поведением карбидов в сварочных материалах, изменением состава газовой фазы сварочной дуги и содержанием газов в металле шва при сварке никеля. Обнаружен и объяснен эффект ингибирущего действия галогенидов щелочных и ще-лочно-земелъных металлов при окислении карбидов.
-
Определены основные пути перехода карбидов из сварочного материала в" металл шва. Установлены пределы растворимости карбидов титана, циркония, ванадия и ниобия в никеле и температур-но-концентрационные зависимости растворимости азота воздуха в сплавах систем никель-карбид. Определены предельные концентрации карбидов в никеле, обеспечивающие формирование однофазной структуры твердого раствора в условиях сварки.
-
Впервые установлена взаимосвязь между растворимостью карбидов в никеле, содержанием карбидообразующэго элемента в сварочном материале и в шве. составом, структурой и свойствами сварного никелевого соединения.
-
Предложена и экспериментально подтверждена физическая модель условий гранулообразования карбидсодержащих сварочных материалов, даны научно-обоснованные рекомендации по оптимизации ре-жимно-конструктивных параметров высокоинтенсивного гранулирования высокодисперсных карбидов и дисперсных систем с карбидным наполнителем.
На защиту выносятся:
механизм и кинетика химических реакций при термообработке кубических карбидов и карбидсодержащих сварочных материалов в окислительных средах;
закономерности металлургических реакций и структурообразо-вания при формировании карбидсодержащих никелевых швов;
физико-химическое обоснование выбора оптимальных составов карбидсодержащих материалов для сварки никеля;
технология и оборудование для получения сварочных материалов с карбидным наполнителем.
Практическая ценность работы. Разработан ряд карбидсодержа-щих материалов для электродных покрытий, керамических флюсов и шихты порошковых проволок (13 авторских свидетельств и патентов) для дуговой сварки никеля. Используются в промышленности следующие разработки:
состав электродного покрытия (А.С. N 562403, 1977; N 766797, 1980; N 1676777, 1991 - "ДСП");
керамический гранулированный флюс(А.С. N 1691023, 1991 -"ДСП");
материал для сварки никеля (А.С. N 1808591, 1993 -"ДСП");
сплав на основе твердого раствора титана в никеле (Пат. N 1818868, 1994; Пат. N 1818866, 1994 - "ДСП");
гранулятор периодического действия (Пат. N 1706687, 1992);
способ формирования изделий (Пат. N 1669636, 1993;Пат. N 2933311, 1993).
Предложены и реализованы на практике рекомендации по оптимизации режимно-конструктивных параметров прессования электродных покрытий, волочения порошковых проволок, гранулирования керамических флюсов с карбидным наполнителем.
Результаты исследований нашли применение в теоретических и прикладных разработках РИТЦ ПМ (Пермь), ИТХ УрО РАН (Пермь), НПО "Композит"(Москва), НПО "ГИПХ"(Санкт-Петербург), Коммунарского металлургического завода, АО "Уралредмет'ЧВ-Пышма). ВПО "Каустик" (Волгоград), АО ПНОС-ЛУКОЙЛ (Пермь), АО "Пермремстрой-маш"(Пермь), учреждение AM 244/6 (Соликамск), АО "Метафракс"(Гу-баха).
Основные материалы диссертации доложены на:
научно-технических конференциях сварщиков зоны Урала (Пермь, Свердловск, Ижевск, Челябинск: 1982, 1983, 1986. 1987, 1989. 1990. 1995);
VI зональной Сибирской научно-технической конференции "Прогрессивные методы сварки в тяжелом машиностроении" (Красноярск. 1985);
II Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы технологии сварки теплоустойчивых,жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов" (Киев-Николаев, 1985);
III Всесоюзной .конференции по сварке цветных металлов (Тольятти, 1986);
научно-технической конференции "Пути повышения эффективности процессов сварки и наплавки" (Липецк, 1987);
V Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость - критерии разрушения и структуры металлов" (Волгоград. 1987);
Всесоюзной научно-технической конференции "100-летие изобретения сварки по методу Н. Г. Славянова и современные проблемы развития сварочного производства" (Пермь, 1988);
научно-технической конференции "Технология сыпучих материалов" (Ярославль, 1989);
международной конференции "Композиционные материалы" (Москва, 1987);
4-й Европейской конференции-выставке по материалам и процессам "Восток-Запад" (Санкт-Петербург, 1987);
Российской научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы сварочной науки и техники "Свар-ка-95" (Пермь, 1995).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 90 печатных работах, 6 депонированных рукописях, 20 авторских свидетельствах и 7 патентах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,общих выводов, библиографического списка, включающего 472 наименований и приложения со сведениями о практической реализации результатов работы на промышленных предприятиях и в научных учреждениях. Диссертация изложена на 308 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 28 таблиц.
