Содержание к диссертации
Введение
1 Сущность процесса микролегирования и влияние МЛЭ на структуру и свойства свариваемых сталей и их сварных соединений 13
1.1 Сущность процесса микролегирования сталей 13
1.2 Особенности микролегирования сварных соединений сталей 21
1.3 Исследование возможностей системного подхода к микролегированию свариваемых сталей 42
1.4 Выводы по гл. 1 55
2 Исследование процессов разработки конструкционных свариваемых сталей 59
2.1 Методы разработки свариваемых сталей, содержащих МЛЭ 59
2.2 Выводы по гл. 2 91
3 Разработка методов получения и исследование металла с переменным содержанием МЛЭ 93
3.1 Изготовление сплавов переменного состава в виде слитков и заготовок 96
3.2 Изготовление сплавов переменного состава в виде сварных швов 104
3.3 Исследование и разработка технологии получения металла с переменным содержанием микролегирующих элементов 120
3.4 Разработка и исследование способа получения металла переменного состава с микролегирующими элементами методом «косой стык» 144
3.5 Разработка и исследование способа получения металла с переменным содержанием МЛЭ в зоне термического влияния 158
3.6 Выводы по гл. 3 160
4 Разработка и исследование способов повышения точности оценки влияния микролегирования на свойства металла 163
4.1 Разработка и исследование расчетно-экспериментального метода определения содержания МЛЭ в металле швов ПС 163
4.2 Разработка и исследование возможностей применения контрольных образцов из металла ПС 173
4.3 Точность определения функциональных зависимостей свойств металла при использовании образцов ПС 179
4.4 Выводы по гл. 4 183
5 Исследование влияния микролегирования на структуру и свойства марганецникелевомолибде новых сталей применительно к изготовлению сварных конструкций 185
5.1 Материалы и применяемое оборудование 186
5.2 Изготовление металла ПС и исследование распределения в
нем базовых легирующих, примесных элементов и МЛЭ 191
5.3 Влияние МЛЭ на структуру и неметаллические включения металла ПС стали 10ГН2МФА 201
5.4 Влияние МЛЭ на прочностные и пластические свойства металла ПС стали 10ГН2МФА 219
5.5 Влияние МЛЭ на ударную вязкость и характеристики разрушения металла ПС стали 10ГН2МФА 235
5.6 Влияние МЛЭ на пластичность стали 10ГН2МФА при повторном нагреве 256
5.7 Выводы по гл. 5 261
6 Исследование влияния МЛЭ на структуру и свойства сварных соединений высоколегированных сталей 265
6.1 Исследование влияния малых добавок титана на жаростойкость и прочность металла сварных соединений сталей типа 08X18Н10 в атмосфере гелия и воздуха и обсуждение результатов 265
6.2 Исследование влияния содержания церия на стойкость против образования горячих трещин металла швов стали ЭИ847 и обсуждение результатов 280
6.3 Исследование влияния микролегирования на технологические свойства стали типа 01X25 и обсуждение результатов 288
6.4 Выводы по гл. 6 292
7 Опытно промышленное опробывание и внедрение результатов работы 293
Общие выводы по работе 296
Библиографический список 300
Приложения 331
- Сущность процесса микролегирования сталей
- Методы разработки свариваемых сталей, содержащих МЛЭ
- Изготовление сплавов переменного состава в виде слитков и заготовок
Введение к работе
Актуальность проблемы. В программных документах Правительства РФ отмечается, что в центре государственной экономической политики всегда будет находиться всемерное повышение технического уровня и качества продукции, определяющие научно-технический и экономический потенциал страны. Важная роль в развитии таких отраслей как энергомашиностроение, химическое машиностроение, производство летательных аппаратов и т.п. отводится прикладному металловедению и технологии. При этом развитие современной техники обуславливает непрерывное повышение требований, предъявляемых к уровню различных свойств конструкционных материалов, работающих при высоких параметрах нагружения.
Значительная доля металлических конструкций в машиностроении производится при помощи сварки. Для создания надежных сварных конструкций необходимо иметь заданные свойства конструкционных материалов не до, а после сварки, учитывая меру их изменения в процессе изготовления. Разработка новых марок свариваемых конструкционных сталей или усовершенствование уже существующих ведется как за счет усложнения их химического состава, так и за счет применения новых легирующих элементов. Среди последних особое место занимают микролегирующие элементы (МЛЭ), введение которых в малых количествах может обеспечивать значительное повышение эксплуатационных и технологических свойств конструкционных сталей и их сварных соединений. Микролегирование является фактором, активно воздействующим на степень чистоты металлов, размеры зерна, состав и морфологию избыточных фаз, влияющим на весь спектр технологических и эксплуатационных свойств.
Однако, несмотря на привлекательность процессов микролегирования, они базируются на сложных физико-химических явлениях, протекающих в расплавах, на стадии кристаллизации и в твердом металле, и вызывающих развитие ряда фазовых и структурных превращений, как на этапе изготовления, так и при последующих технологических переделах металла. В зависимости от характера и степени легирования сталей эффект микролегирования может существенно различаться, главным образом, из-за
экстремального характера влияния микролегирующих добавок и непопадания в оптимальный интервал их содержаний, а также из-за непостоянства условий, необходимых для усвоения микродобавок. Эти обстоятельства усугубляются относительно низкой точностью методов анализа составов сталей в области малых концентраций микролегирующих добавок и необходимостью проведения значительного объема металлургических и металловедческих исследований, что в условиях финансовых и ресурсных ограничений современного периода существенно снижают эффективность процесса микролегирования.
Таким образом, имеет место противоречие между технической и экономической целесообразностью повышения эксплуатационных свойств сталей и их сварных соединений микролегированием и отсутствием достаточно точных и эффективных методик получения зависимостей типа «содержание МЛЭ — структура - комплекс свойств».
Поэтому разработка научно-методологических и технологических основ повышения комплекса эксплуатационных свойств свариваемых сталей и их сварных соединений микролегированием является актуальной проблемой.
В основу исследований положена гипотеза о том, что проблема повышения эксплуатационных свойств свариваемых сталей и их сварных соединений микролегированием будет решена, если:
- будут разработаны способы и методы повышения точности и
эффективности исследования процесса микролегирования свариваемых
сталей и их сварных соединений и сформулированы принципы выбора МЛЭ;
- будут получены зависимости типа «состав МЛЭ - структура -
комплекс свойств свариваемых сталей» и результаты использованы при
решении практических задач изготовления изделий ответственного
назначения в энергетическом и химическом машиностроении.
Цель работы. Разработка научно-методологических и технологических основ повышения комплекса эксплуатационных свойств свариваемых сталей и их сварных соединений микролегированием.
Для достижения поставленной цели и проверки выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать особенности влияния микролегирования на эксплуатационные и технологические свойства свариваемых сталей и
7 установить границы применимости различных методов разработки их составов в условиях использования МЛЭ, определить критерии выбора МЛЭ для повышения эксплуатационных свойств свариваемых сталей перлитного, аустенитного и ферритного классов.
Разработать принципы оптимизации составов свариваемых сталей путём применения методов, основанных на непрерывном изменении содержания в металле исследуемых МЛЭ по заданному закону.
Исследовать механизм и кинетику взаимодействия различных содержаний МЛЭ в свариваемых сталях и присадочных материалах на энергетические характеристики сварочной дуги в среде аргона и параметры зоны проплавлення. Разработать практические рекомендации по получению металла с переменным содержанием исследуемых МЛЭ в различных зонах сварных соединений сталей.
Изучить метрологические особенности применения образцов из металла с переменным содержанием МЛЭ для анализа состава микролегированных свариваемых сталей и их сварных соединений и выработать критерии ускоренной оценки структуры и физико-механических свойств металла с переменным содержанием исследуемых элементов.
5. Провести комплексные исследования влияния МЛЭ на
эксплуатационные и технологические свойства сварных соединений сталей
перлитного, аустенитного и ферритного классов, установить закономерности
и механизмы их влияния и получить практические рекомендации по
оптимизации составов сварных соединений ряда теплоустойчивых и
коррозионностоиких сталей, позволяющие решать задачу повышения их
эксплуатационных свойств.
6. Использовать полученные результаты для создания изделий
специального назначения в энергетическом и химическом машиностроении с
внедрением результатов работы.
Исследования выполнялись в соответствии с проблемой ПСНТ СССР 02.02.01.08, хозяйственными договорами с ПО «Ижорский завод» (Ленингр. обл.), Южтеплоэнергомонтаж (г. Киев), п/я Р-6575, ИКС ЦНИИЧЕРМЕТ им. И. П. Бардина, ОКСиП НПО ЦНИИТМАШ (г. Москва), а также планами научно-исследовательских работ Воронеж, гос. техн. ун-та ГБ 1996.39 и ГБ 2001.39 «Теория и практика машиностроительного оборудования».
8 Методы исследования и достоверность научных положений.
Для проведения исследований автором разработан и применен ряд
новых оригинальных методик с использованием металла переменного
химического состава и безобразцовьгх методов оценки свойств металла.
Кроме того, в работе использовался комплекс современных методик
металлофизических исследований, в том числе методы химического,
микрорентгеноспектрального (анализаторы MS-46 «Камека», JXA-3A),
газового (ГАЗ-6), спектрального (квантометр ДФС-36),
рентгенофлюоресцентного (ARL-32000) и др. анализов.
Структуру металла исследовали с использованием оптической и электронной металлографии. Состав и форму включений анализировали на приборе «САМЕВАХ» в режиме растрового микроскопа. Фрактографические исследования проводили на микроанализаторе JXA 50А фирмы Jeol. Применяли комплекс методик по исследованию механических свойств, стойкости металла против образования горячих трещин и др.
Достоверность научных положений работы обеспечена обоснованным
использованием известных теоретических положений таких научных
дисциплин, как физико-химический анализ, теория затвердевания, теория
микролегирования и др.; подтверждена качественным и количественным
согласованием результатов теоретических и экспериментальных
исследований, их совпадением с известными результатами отечественных и
зарубежных исследователей, а также положительным опытом внедрения
полученных результатов. Кроме того, достоверность результатов
основывается на сочетании методов физико-механических испытаний,
математического планирования экспериментов и статистической обработки
результатов исследований. Экспериментальные исследования
метрологически обеспечены.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Концепция разработки и корректировки химического состава свариваемых сталей и их сварных соединений с микролегирующими добавками, базирующаяся на использовании металла переменного химического состава, обеспечивающая повышение эксплуатационных свойств.
Принципы выбора МЛЭ, в основу которых положены такие параметры, как предельная растворимость, критерий распределения, соответствие атомных радиусов МЛЭ и железа, электронно-статические моменты химических элементов
Закономерности и механизмы влияния содержаний МЛЭ в свариваемой стали и присадочных материалах на энергетические характеристики сварочной дуги в среде аргона, параметры зоны проплавлення и процессы в сварочной ванне, позволяющие определить технологические параметр режимов сварки и обработки, обеспечивающие распределение исследуемых МЛЭ в металле переменного состава по заданному закону.
Принципы выбора способов повышения точности определения содержания МЛЭ в сталях, в основу которых положены разработанные расчетно-экспериментальный метод и специальные контрольные образцы для спектрального анализа состава сталей.
Закономерности и механизмы влияния МЛЭ - титана, ванадия, церия, циркония и бора на структуру и комплекс свойств сварных соединений сталей перлитного, аустенитного и ферритного классов, оптимальные интервалы их содержаний в металле, обеспечивающие повышение уровня эксплуатационных свойств в изделиях химического и энергетического машиностроения.
Научная новизна. 1. Предложен и обоснован системный подход для определения необходимых и достаточных условий процесса микролегирования, обеспечивающих повышение уровня эксплуатационных свойств свариваемых сталей и их сварных соединений.
Определены границы применимости и эффективность методов разработки составов свариваемых сталей с микролегирующими добавками. Показано, что путём непрерывного изменения в металле сварного соединения сталей содержания исследуемых МЛЭ или их комбинаций по заданному закону при практически постоянном базовом составе основы можно повысить точность оценки влияния этих элементов с целью оптимизации их состава.
Теоретически обоснованы принципы выбора МЛЭ, включающие в качестве определяющих параметров предельную растворимость, критерии
10 распределения, соответствие атомных радиусов МЛЭ и железа, электронно-статические моменты химических элементов.
4. Установлены закономерности и механизмы влияния содержания МЛЭ- титана, ванадия, церия, циркония и бора на энергетические характеристики сварочной дуги в среде аргона и параметры зоны проплавлення. На основе математического моделирования получены аналитические зависимости распределения МЛЭ в металле швов переменного состава от режимов сварки и условий обработки.
5. Обоснованы принципы выбора способов повышения точности определения содержания МЛЭ в сталях с использованием разработанных расчетно-экспериментальных методов и специальных контрольных образцов.
6. Установлены новые закономерности и механизмы влияния МЛЭ — титана, ванадия, церия, циркония и бора на структуру и комплекс свойств различных зон сварных соединений сталей перлитного, аустенитного и ферритного классов с учетом режимов обработки, позволяющие оптимизировать их составы с целью повышения эксплуатационных свойств.
Практическая ценность и реализация работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований являются основой новых методологических и технологических решений для повышения уровня эксплуатационных свойств сварных соединений сталей перлитного, аустенитного и ферритного классов микролегированием.
1. Установлены принципиальные ограничения возможностей методов
разработки составов сталей с микролегирующими добавками. Определены
предельные уровни варьирования содержания МЛЭ и ошибками в их
определении при математическом планировании экспериментов для поиска
оптимальных составов сталей.
2. Получены номограммы и технологические рекомендации,
позволяющие осуществлять выбор режимов изготовления образцов в виде
сварных швов с переменным содержанием исследуемых МЛЭ по заданному
закону распределения по их длине:
-для металла, толщиной S менее 5 мм, методом «косого стыка» (А.с. 823026. СССР);
- для металла, толщиной до 15 мм (по методу клиновой вставки);
11
- для основного металла, подвергнутого действию
термодеформационного цикла сварки (ЗТВ).
Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки содержания МЛЭ в металле, специальные контрольные образцы для спектрального анализа сталей с микролегирующими добавками, позволяющие повысить точность их определения.
Экспериментально выбрана система микролегирования и определены оптимальные содержания МЛЭ в основном металле и металле сварных соединений сталей 10ГН2МФА, 08X18Н10, 01Х25ВИ, ЭИ847, обеспечивающие повышение эксплуатационных и технологических свойств в широком диапазоне нагрузок и условий эксплуатации.
5. Произведено опытно-промышленное внедрение разработанных
методик и результатов исследований при изготовлении изделий
ответственного назначения в организациях ЦНИИЧЕРМЕТ им. И. П.
Бардина, п/я Р-6575, НПО ЦНИИТМАШ, Южтеплоэнергомонтаж. Получен
экономический эффект.
Личным вклад автора. Личный вклад автора заключается в формулировании идеи, гипотезы и постановки задач исследований /1,16,19,26,27,32/, разработке методологических основ повышения точности /7, 12, 15, 17, 22, 24, 25, 31/ и оценки эффективности влияния МЛЭ на структуру и свойства свариваемых сталей и их сварных соединений путем применения сплавов переменного химического состава /3, 10, 18, 33, 35/, теоретической и экспериментальной разработке способов и технологии изготовления сплавов переменного состава с МЛЭ /2, 4, 6, 13, 20, 28/; в установлении закономерностей и механизмов влияния МЛЭ и экспериментальном определении оптимальных содержаний МЛЭ для повышения эксплуатационных свойств свариваемых сталей и их сварных соединений /1/ перлитного /1, 5, 8, 11, 21, 30/, аустенитного /9, 36/ и ферритного /14, 23,29/ классов с внедрением результатов работы.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: региональной конференции «Проблемы качества и совершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического машиностроения» (Свердловск, 1980); X конференции молодых ученых и специалистов НПО ЦГОШТМАШ (Москва, 1980);
12 научном совете отдела сварки и пайки НПО ЦНИИТМАШ (Москва, 1983); региональном семинаре «Повышение эффективности горячештамповочного производства» (Челябинск, 1989); межреспубликанской конференции «Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин» (Волгоград, 1991); международной конференции «Производство и ремонт механизмов и машин в условиях конверсии» (Киев, 1995); международной научно-технической конференции «Теория и практика машиностроительного оборудования» (Воронеж, 1996); республиканской конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 1997); российских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 1998,. 1999, 2001); региональной конференции (Воронеж, 1998); международной технической конференции «Медико-экологические информационные технологии» (Курск, 1998); межвузовской научно-технической конференции «Новационные технологи и управление в технических и социальных системах» (Воронеж, 1999); межвузовских научных конференциях «Теория и практика машиностроительного оборудования» (Воронеж, 1997, 2000 - 2004); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (Воронеж, 1988-2004),
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 55 работ, в т. ч. монография, учебное пособие, авторское свидетельство на изобретение, 34 статьи в журналах и сборниках научных трудов, 18 тезисов докладов на конференциях различных уровней.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 342 страницах, включая 151 рисунок и 24 таблицы, состоит из введения, 7 глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 296 наименований и 5 приложений
Сущность процесса микролегирования сталей
В литературе проблемы легирования свариваемых сталей освещены достаточно подробно. В то же время вопросы легирования малыми добавками активных элементов, их влияние на структуру и свойства сталей освещены недостаточно.
Под микролегированием в настоящее время понимают специальное введение, иногда совмещаемое с раскислением, в сплав химических элементов или их соединений, остаточное содержание которых, не превышая 0,1 % мае, значительно улучшает эксплуатационные или технологические свойства металла [1].
МЛЭ могут оказывать на свойства металла рафинирующее, модифицирующее и легирующее воздействие [2].
Сторонниками теории рафинирующего влияния МЛЭ на кристаллизацию и свойства сталей являются А. П. Гуляев [3], М. В. Приданцев [4] и др. Согласно их мнению характерной особенность МЛЭ является их высокая химическая активность, способность непосредственно реагировать с кислородом, азотом, серой и др. легкоплавкими примесями, содержащимися в расплаве сталей. Исходя из активности элементов по отношению к кислороду А. П. Гуляев к числу возможных активных МЛЭ отнес 39 элементов, расположенных в левой части периодической системы Д. И. Менделеева, в том числе 14 редкоземельных элементов. Это предположение А. П. Гуляева,, сделанное им еще в 1945 г., полностью подтверждается и в настоящее время. Химическая активность МЛЭ по отношению ко многим элементам, входящим в состав сталей, связана с особенностями их электронного строения. Поэтому при введении этих элементов в жидкую сталь вероятность образования того или иного химического соединения будет определяться более выгодными, с термодинамической точки зрения, условиями. Характеристиками, определяющими эти условия, являются теплота образования if и свободная энергия G0 протекающих реакций. На рис. 1.1 приведены данные по изменению свободной энергии образования оксидов некоторых МЛЭ и основных компонентов сталей в зависимости от температуры [5]. На рис. 1.2 и 1.3 приведены соответственно изменения свободной энергии образования карбидов и сульфидов исследуемых элементов в зависимости от температуры [5, 6]. Как показано в ряде работ [6, 7 и др.], с термодинамической точки зрения наиболее отрицательные величины имеют соединения МЛЭ с ки слородом и серой. На основании этих данных МЛЭ и основные (базовые) элементы сталей можно расположить в ряд по мере убывания их сродства кислороду, углероду и сере для различных температур расплавленного металла
Методы разработки свариваемых сталей, содержащих МЛЭ
Разработка новых конструкционных материалов и совершенствование существующих в основном базируется на проведении трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследованиях. Это определяется наличием весьма разнообразных факторов:
1) необходимости обеспечения заданного уровня технологических и служебных свойств металла;
2) дефицитности некоторых компонентов сплава и их стоимостью;
3) относительно низкой точности массовых методов анализа сплавов по отдельным элементам, в том числе по МЛЭ;
4) доступность методов и оборудования для изготовления и контроля сплавов и т.д.
Чисто эмпирические методы решения подобных задач требуют значительной экспериментальной проверки различных вариантов составов разрабатываемых материалов. Естественно, что любое сокращение числа опытных вариантов является целесообразным и экономически выгодным. Идеальным решением могло бы быть расчетное проектирование составов конструкционных материалов, а также вспомогательных материалов, например сварочных [95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, и др.]. Необходимость применения многофакторного физико-химического анализа при изучении закономерностей формирования и изменения свойств многокомпонентных сталей достаточно очевидна, однако реализация идей такого моделирования на основе вероятностно-статистического подхода только намечается [104]. Обусловлено это тем, что внедрение методов моделирования в любую область металловедения требует достижения такого уровня знаний о ней, при котором цепь гипотез, количественно описывающих зависимости свойств от состава металла, не имеет разрывов и может быть математизирована во всех своих звеньях. В работе [105] подчеркнуто, что существующий уровень знания фундаментальных закономерностей недостаточен для проектирования новых сплавов: осуществление такого подхода - весьма отдаленная перспектива. Поэтому, несмотря на всю привлекательность методов моделирования составов сплавов с заданными свойствами, в настоящее время для их выбора нет иных путей, кроме прямого эксперимента. Методы, которые могут применяться для поиска оптимальных составов конструкционных материалов можно условно разбить на следующие группы [106].
Изготовление сплавов переменного состава в виде слитков и заготовок
Сплавы ПС в виде слитков и заготовок можно получать различными методами переплава и порошковой металлургии. Достаточно полно эти методы описаны в работе Н. М. Новожилова
Скорости подачи в зону плавления стержней различного состава позволяет регулировать состав сплава, образующегося в результате их плавления. Принципиальная схема установки для получения ПС в виде слитков с изменяющимся по их высоте содержанием исследуемых (регулируемых) элементов показана на рис. 3.1.
Установка состоит из источника теплоты 5, под которым расположен охлаждаемый кристаллизатор 2. В качестве источника теплоты можно использовать сварочную дугу, технологическую плазму, электронный и лазерный лучи и т. п. Для защиты зоны плавления от воздуха применяют различные газы и флюсы. Процесс ведется методом непрерывного литья. Подаваемые с различными скоростями в зону высокой температуры исходные мате-рилы в виде сплошных стержней 4, 6, 7 или труб различного сечения, наполненных легирующими компонентами, расплавляются, перемешиваются в жидком состоянии в ванне 3 и кристаллизуются в литую заготовку
