Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные способы улучшения структуры и свойств поверхностного слоя сталей и сплавов
1.1 Способы высокоэнергетической обработки сталей и сплавов 13
1.2 Применение ультра- и нанодисперсных порошков и материалов в металлургии и машиностроении
1.3 Управление структурой и свойствами металлов методом модифицирования
1.4 Способы получения ультра- и нанодисперсных порошков 32
1.5 Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследований 40
2.1 Материалы исследования 40
2.2 Методика по определению рациональной концентрации ультрадисперсных порошков-модификаторов в транспортирующем газе
2.3 Методы исследования ультрадисперсных порошков-модификаторов 43
2.4 Методика исследования микроструктуры и определения микротвердости модифицированного поверхностного слоя
2.5 Методика исследования коррозионной стойкости модифицированного поверхностного слоя
2.6 Методика исследования механических свойств модифицированного поверхностного материала
2.7 Методика определения времени охлаждения и регистрации энергетических параметров высокоэнергетической обработки поверхностного слоя и характеристик массопереноса расплавленного металла в жидкую ванну
2.8 Методика построения модели изменения формы и размеров капли расплавленного металла
2.9 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3 Структура, свойства ультрадисперсных порошков и поверхностного слоя, модифицированного данными порошками
3.1 Исследование ультрадисперсных порошков-модификаторов 54
3.2 Определение рациональной концентрации ультрадисперсных порошков-модификаторов в транспортирующем газе
3.3 Влияние ультрадисперсных порошков-модификаторов на время охлаждения поверхностного слоя 76 82
3.4 Исследование влияния ультрадисперсных порошков-модификаторов на микроструктуру и микротвердость поверхностного слоя
3.5 Исследование влияния ультрадисперсных порошков-модификаторов на коррозионную стойкость поверхностного слоя
3.6 Исследование влияния ультрадисперсных порошков-модификаторов на механические свойства поверхностного материала
3.7 Исследование влияния ультрадисперсных порошков-модификаторов на каплеперенос расплавленного металла
3.8 Выводы по главе 3 85
ГЛАВА 4 Эксплуатационная надежность 87 поверхностного слоя стали аустенитного класса
4.1 Апробация результатов экспериментальных исследований 87
4.2 Апробация результатов диссертационной работы в промышленных условиях
4.3 Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе
4.4 Выводы по главе 4 99
Заключение
- Управление структурой и свойствами металлов методом модифицирования
- Методы исследования ультрадисперсных порошков-модификаторов
- Влияние ультрадисперсных порошков-модификаторов на время охлаждения поверхностного слоя
- Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе
Введение к работе
Актуальность темы исследований: Ресурс большинства оборудования
ограничен эксплуатационными свойствами используемых металлов. Основной
проблемой в процессе эксплуатации этих изделий является пониженная
устойчивость к износу рабочей поверхности, особенно в той зоне, которая
подвергается температурному, абразивному, коррозионному воздействию.
Решение данной проблемы связано с получением на поверхности слоя с заданной
структурой и свойствами за счет его модифицирования ультрадисперсными
порошками. Получение заданной структуры и специальных свойств
поверхностного слоя за счет модифицирования прочно объединено с постановкой таких вопросов, как производство, изучение порошков-модификаторов и выбор способа введения этих порошков в обрабатываемый слой.
Изучение воздействия ультрадисперсных порошков-модификаторов
неорганических материалов на процессы кристаллизации, получение
мелкодисперсной, равновесной структуры, повышение свойств поверхностного слоя сталей и сплавов, а также управление структурой и свойствами материалов представляет собой актуальную научную и прикладную задачу.
Степень разработанности темы: Значительный вклад в развитие техники и технологии производства ультра и нанодисперсных порошков различными способами внесли Котов Ю.А., Седой В.С., Яворовский Н.А., Лепешев А.А., Лернер М.И., Гусев А.И., Лямкин А.И., Редькин В.Е., и др.
Управление структурой и свойствами материалов напрямую зависят от
фазовых и структурных превращений при процессе кристаллизации,
значительным параметром которого является размер зерна. Из работ Крушенко Г.Г., Данилова В. И., Бабкина В.Г., Задиранова А.Н., Кац А.М., Гольштейн Я.Е., Мизина В.Г., Давыдова С.В., Дерябина А.А., Цепелева В.С., Конашкова В.В., Берестова Е.Ю., Макаренко В.Д. и др., в которых рассмотрены процессы модифицирования, видно, что наибольший эффект модифицирования достигается при введении в расплав частиц, обладающих повышенной температурой плавления и малыми размерами. Одним из наиболее перспективных методов модифицирования является введение в расплав стали или в поверхностный слой ультрадисперсных металлических и неметаллических порошков, свойства которых существенно отличаются от свойств макро- и микропорошков того же химического состава, что способствует модифицированию металла, изменению фазовых и структурных превращений и вызывает перераспределение вредных примесей между границами и объемами зерен, размер зерен при этом уменьшается, что приводит к улучшению свойств. Данному исследованию посвятили свои работы многие авторы, в частности наноструктурированию поверхностных слоев и нанесению наноструктурных покрытий посвятил свои работы Панин В.Е. Тем не менее, результатов исследований модифицирования такими компонентами поверхностного слоя при высокоэнергетической обработке сталей и сплавов опубликовано сравнительно мало.
Цель работы. Разработка средств и методов управления структурой и
свойствами поверхностного слоя в результате модифицирования
ультрадисперсными порошками.
Поставленная цель достигается путем проведения комплексных
исследований, в ходе которых необходимо решить следующие задачи:
1. Получить ультрадисперсные порошки необходимых заданных размеров
способом ЭВП, применяемые для модифицирования поверхностных слоев и
определить их технологические параметры.
2. Разработать научные обоснования технологии модифицирования
поверхностного слоя сталей и сплавов (определить способы введения,
концентрацию модификаторов).
3. Изучить морфологические характеристики микроструктуры
поверхностного слоя, полученного с введением ультрадисперсных порошков и
выявить особенности влияния условий кристаллизации на размеры структурных
составляющих.
4. Установить влияние ультрадисперсных порошков, введенных в
поверхностный слой, на коррозионную стойкость и механические свойства.
Научная новизна работы:
1. При введении ультрадисперсных порошков, поверхностный слой
формируется в виде трех подслоев, структура которых существенно различается.
Более равновесное образование дендритов, и смена дендритного строения на
преимущественно полиэдрическое наблюдается при использовании
ультрадисперсных волокон оксигидроксида алюминия.
2. На основе определения безразмерной функции, критериями которой
являются: толщина дендрита, ширина дендрита, объем капли электродного
металла (в случае наплавления поверхностного слоя) определена рациональная
концентрация порошка в поверхностном слое, которая составляет 0,00253
массовых процентов к сантиметру кубическому поверхностного слоя.
3. Установлено, что снижение склонности к образованию
межкристаллитной коррозии при модифицировании поверхностного слоя на 40-
50% обусловлено наличием тугоплавких фаз вольфрама и молибдена, введенных
в вышеуказанный слой в виде ультрадисперсных порошков.
Практическая значимость работы:
1. Разработан способ модифицирования, заключающийся в дозированном
введении ультрадисперсных порошков-модификаторов в поверхностный слой
через транспортирующий газ.
2. Определена рациональная концентрация порошков-модификаторов в
поверхностном слое, позволяющая: уменьшить размеры структурных
составляющих металла на 35-45% и повысить механические свойства
поверхностного материала на 10-20% в зависимости от физико-химической
природы применяемых порошков-модификаторов.
3. Разработаны, апробированы, запатентованы и внедрены в производство и
в учебный процесс программы для ЭВМ №2013619143 «Моделирование объема
капли при сварке с наноструктурированными модификаторами» и №2014615796
«Расчет размеров дендритов при сварке аустенитных сталей с
наноструктурированными порошками» и способ механизированной сварки плавящимся электродом в среде защитных газов №2509717. Результаты работы используются в производстве на предприятиях ОАО «Металлургмонтаж», ООО НПО «СварПро» и ООО НПО «Вектор» при модифицировании поверхностного слоя сталей различного класса.
Методология и методы исследований. Работа выполнена с применением
современных методов исследования: определение удельной поверхности по
методу (BET) на приборе "Сорбтометр-М", микроструктурные исследования с
применением сканирующей электронной микроскопии (растровый электронный
микроскоп JEOL JSM-7500FA), просвечивающей электронной микроскопии
(электронный микроскоп JEM-100CXII); оптической микроскопии (микроскоп
Neophot-21, цифровая камера Genius VileaCam), атомно-силовой микроскопии
(атомно-силовой микроскоп Solver PH47-PRO); определение микротвердости по
ГОСТ 9450-76 (микротвердомер ПМТ-3М); механических свойств по ГОСТ 6996-
66 (машина испытательная универсальная УММ-5); коррозионной стойкости по
ГОСТ 6032-2003 (оптическая микроскопия (микроскоп Neophot-21, микроскоп
конфокальный лазерный сканирующий LEXTOLS4000), атомно-силовая
микроскопия (атомно-силовой микроскоп Solver PH47-PRO). Метод
планирования эксперимента и многофакторного анализа, осциллографирование и цифровая видеосъемка, компьютерная регистрация плавления и переноса расплавленного металла в жидкую ванну («Mecome» модификация «WP 1500», цифровая скоростная видеокамера «Видео Спринт», Осциллограф «DSO 1012A», источник питания постоянного тока «Lorch S8 SpeedPulse», блок автоматического регулирования сварки «Mecome», источник питания ТИР-315), регистрация скорости охлаждения (тепловизор ThermaCAM P65HS, программа ThermaCAM Researcher). Визуальное моделирование формы и размеров капли производилось при помощи средств САПР AutoCAD. Статистическая обработка проводилась с использованием пакетов Microsoft Office Excel. Экспериментальные исследования выполнялись на установках.
Положения, выносимые на защиту:
1. Научные обоснования технологии модифицирования поверхностного
слоя сталей и сплавов различного класса (способы введения, концентрация
модификаторов).
-
Совокупность результатов исследования по определению рациональной концентрации ультрадисперсных порошков-модификаторов в поверхностном слое.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния ультрадисперсных порошков, введенных в поверхностный слой на размеры структурных составляющих и морфологические характеристики микроструктуры данного слоя.
4. Результаты экспериментального исследования влияния
ультрадисперстных порошков W, Mo, AlO(OH) на коррозионную стойкость
данного слоя и механические свойства поверхностного материала.
Личный вклад автора.
Автору принадлежит постановка задач исследования, выполнение теоретических исследований, проведение и участие в экспериментальных исследованиях, обработка, обобщение и анализ полученных результатов, формулирование выводов и положений, выносимых на защиту.
Степень достоверности.
В ходе выполнения диссертационной работы был сделан полный объем
опытных исследований, обеспечивающий достоверность результатов.
Достоверность и обоснованность основных полученных результатов и выводов подтверждаются использованием комплексных подходов, современных методов и методик исследования, методов статистической обработки экспериментальных результатов, их анализом с литературными данными и сравнением определенных в работе закономерностей результатов, полученных другими учеными.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и выставках:
Международная научно-практическая конференция с элементами научной школы
для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении»,
г. Юрга, ЮТИ ТПУ, 2010-2014гг.; Всероссийская научно-практическая
конференция «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г.
Новокузнецк, СибГИУ, 2010-2014гг.; II Международная научно-практическая
конференция молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих
поколений», г. Томск, ТПУ, 2011г. VI научно-техническая конференция молодых
ученых и специалистов «Сварка и родственные технологии», г. Киев, ИЭС им.
Е.О. Патона, 2011-2013гг.; Всероссийская заочная научно-техническая
конференция «Современные проблемы повышения эффективности сварочного
производства», Тольятти, ТГУ, 2011г.; Международная научно-техническая
конференция, посвященная 125-летию изобретения Н.Г. Славяновым
электродуговой сварки плавящимся электродом «Сварка и контроль - 2013», Пермь, ПНИПУ, 2011г.; XIV Международная научно-техническая конференция «Прогрессивная техника, технология и инженерное образование», Севастополь, 2013г. Всероссийская молодежная научная конференция «Новые материалы и технологии: состояние вопроса и перспективы развития», Саратов, 2014г. Международная выставка-ярмарка «Инновации. Инвестиции. Прогресс» г. Кемерово, 2012; Сибирский промышленный форум и выставка металлообработки и сварки, Красноярск, 2014; Международная выставка машиностроения и металлообработки "Mashex Siberia -2013", Новосибирск; Международная выставка «Металлообработки и сварка», Красноярск, 2015.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 25-ти печатных работах, в том числе в 6-ти статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, в 6-ти статьях в журналах, входящих в международные базы Scopus и Web of Science, в 1-ом патенте на изобретение и в 2-х свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Соответствие диссертации паспорту специальности 05.16.06 –
Порошковая металлургия и композиционные материалы.
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует формуле специальности пунктам:
«Теоретические прикладные аспекты получения, обработки и применения современных порошковых материалов и волокон различной природы, геометрии и размера, теорию и технологию компактирования частиц и волокон, управление структурой и свойствами материалов и изделий из них».
«Модифицирование поверхности обработкой высокоэнергетическими потоками заряженных и нейтральных частиц, фотонов и плазмы для обеспечения принципиально новых свойств поверхности».
Области исследований пунктам:
3. «Теоретические и экспериментальные исследования физических и химических процессов нанесения покрытий в контролируемой среде и вакууме, разработка технологии и оборудования».
6. «Разработка новых и совершенствование существующих
технологических процессов производства, контроля и сертификации
полуфабрикатов и изделий различного назначения из порошковых и композиционных материалов и изделий с покрытиями и модифицированными слоями».
паспорта специальности 05.16.06 – Порошковая металлургия и композиционные материалы.
Структура и объем работы.
Управление структурой и свойствами металлов методом модифицирования
Коррозионностойкие аустенитные стали отличаются от обычных углеродистых сталей малой теплопроводностью, большим коэффициентом расширения при нагреве и высоким омическим сопротивлением [1, 2, 3, 4, 5, 6].
При высокоэнергетической обработке данных типов сталей поверхностный слой подвержен нескольким видам коррозионного разрушения, главными из которых являются: межкристаллитная коррозия (МКК), общая жидкостная коррозия и коррозионное растрескивание [5, 6, 7].
В процессе высокоэнергетической обработки участки поверхностного слоя в зоне термического влияния подвергаются тепловому воздействию в области определенных температур (500-800 С), и там может развиваться МКК. Применяют следующие методы предупреждения развития МКК: 1. Снижают содержание углерода в стали и швах до пределов растворимости 0,02-0,03% [6]. 2. Легируют поверхностный слой, швы элементами, обладающими большим сродством к углероду, чем хром [6]. 3. Подвергают поверхностный слой закалке с быстрым охлаждением или стабилизирующему отжигу [6]. 4. Повышают в поверхностном слое содержание феррита путем дополнительного легирования их хромом и такими элементами, как: кремний, алюминий, ванадий, молибден, вольфрам [6].
Значительный вклад в теорию и практику изучения фазовых и структурных превращений, происходящих в данных сталях, а также в теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства данных сталей и высокоэнергетической обработке сталей аустенитного класса внесли Гуляев А.П., Лившиц Л.С, Потапьевский А.Г., Медовар Б.И., Сараев Ю.Н., Полетаев Ю.В., Каховский Н.И., Ющенко К.А., Александров А.Г., Дзыкович И.Я., Коломийцев Е.В., Махненко В.П., Махненко О.В., Кривоносов Е.А. и многие другие.
Изготовление изделий из стали Х25Н5ТМФ показало, что при термической обработке образуются трещины в зоне термического влияния. Поэтому провели исследования по стойкости против хрупких разрушений по двум методикам при различных температурах, которые показали, что данные стали обладают достаточной стойкостью против хрупких разрушений при повышенных температурах [8]. Исследовано влияние режимов термоцикла аустенизации на формирование структуры, химической однородности и стойкости металла ЗТВ против локального разрушения поверхностного слоя аустенитной стали 03Х16Н9М2. Экспериментально доказана нецелесообразность проведения высокотемпературной термической обработки - аустенизации поверхностного слоя, т.к. повторный нагрев не способствует повышению стойкости металла ЗТВ против локального разрушения [9]. Так же в работах Батаева В.А. рассмотрено соединение данных сталей с обычными углеродистыми сталями [10]. Режим высокоэнергетической обработки данных сталей оказывает влияние на стойкость металла зоны термического влияния против образования локального разрушения. Для того, чтобы повысить стойкость металла ЗТВ к образованию локального разрушения, нужно применять двухстороннюю разделку кромок [11].
В работе [12] представлен метод уменьшения охрупчивания металла шва и повышения ударной вязкости соединений из аустенитных сталей типа 25-20 за счет повышения углерода и азота в поверхностном слое и одновременном понижении хрома. Это достигалось применением проволоки Св-20Х22Н15Г7АТ. Данная проволока отличалась от своих аналогов высокой стойкостью поверхностного слоя против образования трещин. Поверхностный слой обладает меньшим охрупчиванием при воздействии температур. В работах Н.И. Каховского, К.А. Ющенко, З.В. Юшкевича [13,14,15] исследовались механические свойства и коррозионная стойкость поверхностного слоя сталей ферритно-аустенитного класса, выполненных различными способами. Стойкость поверхностного слоя против МКК проводили по методу AM, а также выдерживали подготовленные образцы в агрессивных средах в течение 120 часов. Испытания показали, что у исследуемых образцов не происходит ухудшения механических свойств и они стойки к межкристаллитной коррозии, но ванадий и кремний оказывают отрицательное влияние при содержании более 1 % каждого на коррозионную стойкость в азотной кислоте.
В работах Батаева В.А., Будовских Е.А., Громова В.Е., Горюшкина И.Ф. для повышения коррозионной стойкости аустенитных сталей их подвергают различным способам механической, химической, термической обработки, наплавки [16, 17, 18].
В поверхностном слое высоколегированных, коррозионно-стойких сталей, вследствие высокой электрохимической гетерогенности, обусловленной неоднородностью химического состава, микроструктуры и физико-механических свойств данного слоя происходят повышенные коррозионные разрушения по сравнению с основным металлом. Основные трудности высокоэнергетической обработки данных сталей обусловлены многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации металлоконструкций. Главной и общей особенностью высокотемпературной обработки является склонность к образованию в поверхностном слое и зоне термического влияния горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер [19]. Это и является основной причиной разрушения трубопроводов, аппаратуры химической, металлургической, энергетической, атомной промышленности, теплоносителей [20,21].
Коррозионному разрушению подвергается аустенитная фаза. Чем больше зерно феррита и чем меньше аустенитная фаза, тем интенсивнее развивается коррозионное разрушение в зоне термического влияния. Если конкретно брать стали аустенитного класса типа 12Х18Н10Т, то в них происходит коррозионные разрушения по линии сплавления [22, 23]. Данная сталь имеет не высокую стойкость против локального разрушения металла зоны термического влияния и против коррозионного износа по сравнению с другими сталями своего класса [24, 25,26].
Подтверждено, что механизм охрупчивания металла зоны термического влияния связан с развитием процесса разупрочнения границ аустенитных зерен, способствующих формированию исходной поврежденности структуры в участке крупного зерна при высокоэнергетической обработке [27].
Для повышения стойкости поверхностного слоя к коррозионному износу, а также для восстановления работоспособности оборудования, работающего в коррозионно-активных средах, необходим комплексный подход, включающий создание и освоение новых методов восстановления работоспособности оборудования. В процессе эксплуатации происходит активный коррозионный износ, протекающий особенно интенсивно в зонах высокотемпературной обработки [28].
Методы исследования ультрадисперсных порошков-модификаторов
Ультрадисперсные порошки-модификаторы получали способом электрического взрыва проводника на установке УДП-150. Порошки, полученные данным способом, имеют округлую форму. Размер частиц, которые можно получить данным способом, составляет от 10 до 500нм, площадь удельной поверхности частиц может варьироваться от 2 до 50м /г. Метод электрического взрыва проводника заключается в импульсной подаче тока высокой плотности в проводник. Плотность составляет примерно 10-10 A/MMZ, в результате чего проводник взрывается, продукты взрыва конденсируются в атмосфере инертного газа и образуют ультрадисперсные частицы. После электровзрыва проводник резко изменяет физическое состояние металла в результате большого выделения энергии в нем при прохождении электрического тока интенсивной плотности. Проволоку металла помещают в реактор среди электродов, на которые подается мощнейший импульс, происходит моментальный нагрев и испарение проволок. Пары металла разлетаются, охлаждаются и конденсируются. В итоге получается порошок. Процесс ведется в гелии, аргоне или других газов.
Порошки-модификаторы, полученные способом электрического взрыва проводника + термогидролиз, имеют размер частиц около 200 нм. Способ заключается во взаимодействии электровзрывных порошков с водой по реакции термогидролиза. Порошок, полученный электровзрывным способом, засыпают в дистиллированную воду. Воду предварительно нагревают до 60 С. Реакция взаимодействия ультрадисперсного порошка с водой при данной температуре протекает от 25 до 30 минут. При этом происходит изменение цвета водной суспензии от темно-серого до белого цвета. После того как цвет суспензии изменится, примерно через 10 минут колбу с реакционной массой вытаскивают из термостатированной ванны. После остывания до температуры 20 С суспензию фильтруют, осадок отмывают до нейтральной среды несколькими порциями (3x300 мл) дистиллированной воды до нейтральной реакции (рН 5,5-6). После чего порошки прокаливают при температуре 110-115 С.
Для исследования ультрадисперсных порошков-модификаторов применяли сканирующую электронную микроскопию на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-7500FA и просвечивающую электронную микроскопию на электронном микроскопе JEM-100CXII. Определение удельной поверхности производили по методу (BET) на приборе "Сорбтометр-М". Определение насыпной плотности производили по ГОСТ 19440-94 «Порошки металлические определение насыпной плотности».
Для проведения исследований были получены образцы модифицированных поверхностных слоев толщиной 4-5 мм, в среде аргона проволокой Св-12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм с использованием описанного устройства (стр. 41).
Образцы получены по четырем различным вариантам: №1 - без модифицирования; №2 - модифицированный ультрадисперсным порошком вольфрама; №3 - модифицированный ультрадисперсным порошком оксогидроксида алюминия; №4 - модифицированный ультрадисперсным порошком вольфрама.
На каждом образце для исследования микроструктуры были изготовлены поперечные шлифы. При изготовлении шлифов использовались механическая шлифовка, механическая полировка на алмазной пасте АСМ 10/7 НВЛ и химическое травление в концентрированной «царской водке» (соляная кислота 75% НС1 + концентрированная азотная 25% HNO3). Исследование проводилось методом оптической металлографии на микроскопе Neophot-21 с записью изображений при помощи цифровой камеры Genius VileaCam. Прецизионное изучение структуры материала осуществлялось на атомно-силовом микроскопе Solver PH47-PRO. Применялся контактный метод, при осуществлении которого колеблющееся острие зонда микроскопа при сканировании вдоль осей абсцисс и ординат контактирует с поверхностью в нижней части размаха колебаний. Для построения профиля поверхности электрический сигнал, возникающий при изгибе кантилевера (упругой балки, на которой закреплен зонд), преобразуется в регистрирующей системе прибора в аппликаты точки контакта.
Исследование микротвердости проводилось на микротвердомере ПМТ-ЗМ в соответствии с ГОСТ 9450-76 «Микротвердость (вдавливание алмазных наконечников)». Нагрузка на индентор составляла 1 Н (100 г). Число замеров на одну точку согласно пункту 5.11 указанного ГОСТа было три.
Для исследования коррозионной стойкости модифицированных поверхностных слоев, полученных при использовании устройства, описанного выше (стр. 41), толщиной 4-5 мм, длиной 80 мм и шириной 60 мм в среде аргона электродной проволокой Св-12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм. Оценка коррозионной стойкости поверхностного слоя проводилась по ГОСТ 6032-2003 «Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стойкость к межкристаллитной коррозии».
Из каждой группы были выбраны контрольные образцы и образцы для испытаний по 2 шт. от каждой группы. Контрольные образцы перед испытанием на коррозионную стойкость подвергали химическому травлению при комнатной температуре с целью удаления окалины в водном растворе азотной кислоты и фтористого аммония согласно требованиям ГОСТ 6032.
Для проведения испытаний экспериментальных образцов на коррозионную стойкость применяли метод АМУФ ГОСТ 6032, в котором испытания образцов проводятся в растворе серной кислоты и сернокислой меди в присутствии металлической меди и фтористого натрия или фтористого калия. Реактив и режим воздействия был выбран из приложения Г ГОСТ 6032, согласно рекомендациям для данной марки стали. Продолжительность испытания составила 2 часа. После окончания испытаний проводилась аттестация на стойкость к межкристаллитной коррозии (МКК) металлографическим методом, для чего были приготовлены металлографические шлифы из контрольных образцов, не подвергавшихся испытанию, и образцов после испытания. Плоскость шлифа была перпендикулярна неразъемному соединению и включала металл шва, зону термического влияния и основной металл. Микроструктура выявлялась травлением в рекомендованном ГОСТ 6032 электролите при времени воздействия до появления границ зерен. Полученные результаты металлографического исследования сравнивались со структурой контрольных образцов для оценки склонности материала к МКК.
Для регистрации результатов металлографического исследования использовались микроскоп оптический NEOPHOT-21 и микроскоп конфокальный лазерный сканирующий LEXTOLS4000. Прецизионное изучение структуры материала в зоне термического влияния после испытаний на коррозионную стойкость осуществлялось на атомно-силовом микроскопе Solver PH47-PRO. Применялся контактный метод, при осуществлении которого колеблющееся острие зонда микроскопа при сканировании вдоль осей абсцисс и ординат контактирует с поверхностью в нижней части размаха колебаний. Для построения профиля поверхности электрический сигнал, возникающий при изгибе кантилевера (упругой балки, на которой закреплен зонд), преобразуется в регистрирующей системе прибора в аппликаты точки контакта.
Для исследования влияния ультрадисперсных порошков-модификаторов на механические свойства поверхностного материала использовались образцы размерами 10 мм толщина, 150 мм длина и 150 мм ширина, полученные в среде аргона проволокой Св-12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм.
Механические свойства поверхностного материала исследовались по общепринятым методикам, представленным в ГОСТ 6996-66 «Сварные соединения. Методы определения механических свойств». Из данного ГОСТа были выбраны следующие механические свойства (временное сопротивление на разрыв, предел текучести и относительное удлинение), которые являются одними из важных для данных типов сталей [1].
Влияние ультрадисперсных порошков-модификаторов на время охлаждения поверхностного слоя
Время охлаждения металла составило: без модифицирования 200±14,9 с; модифицированного ультрадисперсным порошком оксигидрооксида алюминия составило 110±10,3 с; модифицированного ультрадисперсным порошком вольфрама составило 130±16,2 с; модифицированного ультрадисперсным порошком молибдена составило 130±6,7 с.
Из графиков видно, что при введении ультрадисперсного порошка оксогидроксида алюминия, полученного взаимодействием электровзрывного нанопорошка алюминия с водой в поверхностный слой скорость охлаждения выше на 18%, чем при введении ультрадисперсных металлических порошков, полученных способом ЭВП в поверхностный слой и на 82% выше, чем без использования модификаторов. Попадая в поверхностный слой, ультрадисперсные порошки приводят к охлаждению расплавленного металла, т.к. служат готовыми центрами кристаллизации. Данный процесс приводит к росту скорости кристаллизации и получению мелкозернистой структуры.
Исследование влияния ультрадисперсных порошков-модификаторов на микроструктуру и микротвердость поверхностного слоя Анализ исследования показал, что поверхностный слой можно разделить на три подслоя, структура которых существенно различается [196, 197]. Толщина подслоев для разных вариантов различна. На рисунке 18 представлена схема расположения мест исследования микроструктуры поверхностного слоя. Поверхностный слой Рисунок 18 - Исследование микроструктуры поверхностного слоя: А - верхний подслой, Б - средний подслой, В - нижний подслой, Г - участок перехода от поверхностного слоя к основному, Д - основной металл В точке Д фиксировалась структура основного металла. Как указано выше, она одинакова для всех образцов. Точка Г соответствует структуре участка перехода от поверхностного слоя к зоне термического влияния и далее к основному металлу (рис. 19 а, б, в, г).
Зона термического влияния во всех образцах четко выявляется, и имеет различную ширину. На границе сплавления происходит плавный переход от дендритной структуры поверхностного слоя к полиэдрической зеренной структуре зоны термического влияния. ;)?W 5»P
Структура границы сплавления и зоны термического влияния; а - без порошка; 6-е добавлением порошка W; в - с добавлением порошка АЮ(ОН); г - с добавлением порошка Мо
Точки А, Б и В соответствуют характерным структурам, отмеченных выше подслоев поверхностного слоя. Первый подслой представлен на рисунке 20.
Микроструктура подслоя полиэдрических зерен; а - без порошка; 6-е добавлением порошка W; в - с добавлением порошка АЮ(ОН); г - с добавлением порошка Мо
Первый, непосредственно примыкающий к свободной поверхности подслой, можно характеризовать как подслой с полиэдрической зёренной структурой. В этом подслое наряду с хаотически расположенными (неориентированными) дендритами наблюдаются полиэдрические зерна аустенита. Этот подслой слабо выражен в образце № 1 без модификаторов (рис. 20 а). Толщина его 0,6 мм, что составляет 15% от общей толщины поверхностного слоя.
Наиболее ярко «зеренный» подслой выражен в образце № 3, модифицированном ультрадисперсным порошком оксогидроксида алюминия (рис. 20 в). Здесь хорошо видны зерна полиэдрической морфологии, которые чередуются с островками коротких неориентированных дендритов. Толщина рассматриваемого подслоя 1,3 мм, что составляет более 30% общей толщины поверхностного слоя. В образцах № 2, № 4, модифицированных ультрадисперсными порошками вольфрама и молибдена (рис. 20 б, г) полиэдрическая зеренная структура также наблюдается достаточно четко. Однако особенностью является то, что в зернах располагаются короткие и сильно разветвленные дендриты. Толщина подслоя составляет 0,9 мм или 20% от общей.
Основной микроструктурной составляющей следующий подслой являются сравнительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты (рис. 21). Этот подслой опять слабо выражен в образце № 1 без модификаторов (рис. 21 а). Здесь его толщина 1,1 мм, что составляет 28% от общей. Такая же толщина данного подслоя и в образцах № 2 и № 4, модифицированных ультрадисперсными порошками вольфрама и молибдена (рис. 21 б, г), но она в процентном отношении меньше - 26%. Наиболее ярко подслой неориентированных дендритов выражен в образце № 3, модифицированного ультрадисперсным порошком оксогидроксида алюминия (рис. 21 в). При этом если в образцах № 1, 2 и 4 дендриты образуют практически непрерывную сетку, то в образце № 3 наблюдаются островки свободной поверхности, где в то же время, выделить границы зерен не удается. Толщина подслоя неориентированных дендритов в образце № 3 1,5 мм, что составляет 32% от общей.
Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе
В процессе проведения испытаний данной технологии были отобраны 2 образца. Первый образец, модифицированный ультрадисперсным порошком оксигидроксида алюминия. Образцы с АЮ(ОН) в лабораторных испытаниях показали себя совершенными по структуре и механическим свойствам. Второй образец - без модифицирования. Проведенные исследования данной технологии говорят о ее пригодности при производстве изделий из стали аустенитного класса.
Для проведения исследований был произведен процесс высокоэнергетической обработки поверхностного слоя образцов, в среде аргона проволокой Св-12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм с использованием описанного устройства (стр. 41). Осмотр непротравленных шлифов показал, что поверхностные слои, выполненные по двум различным вариантам, не имеют макро- и микродефектов. Образцы исследовали по схеме, представленной на рисунке 18. Поверхностный слой условно можно разделить на 5 подслоев. Толщина областей меняется в зависимости от ультрадисперсного модификатора.
Точка Д соответствует структуре границы сплавления и зоны термического влияния (ЗТВ) (рисунок 32). Структура зоны термического влияния, околошовной зоны мало отличается от структуры основного металла. Зона термического влияния у образца с оксидом алюминия меньше, что соответствует меньшему тепловложению в металл и быстрому охлаждению. Рисунок 32 - Структура границы сплавления и ЗТ: а - образец №1, модифицированный ультрадисперсным порошком АЮ(ОН); б - образец №2 без модификатора Зеренная структура зоны термического влияния переходит в структуру поверхностного слоя с ярко выраженными дендритами. Первый подслой с полиэдрической зеренной структурой. В этом подслое наряду с дендритами наблюдаются полиэдрические зерна аустенита. Этот подслой слабо выражен в образце № 2 без модификатора (рис. 33, б). Толщина его 0,6 мм, что составляет 20% от общей толщины наплавленного металла.
«Зеренный» подслой сильнее выражен в образце № 1, модифицированного ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) (рисунок 33, а). Здесь хорошо видны зерна полиэдрической морфологии, которые чередуются с неориентированными дендритами. Толщина рассматриваемого подслоя 0,9 мм, что составляет более 30% общей толщины поверхностного слоя. Особенностью данного подслоя является то, что в зернах могут располагаться короткие и сильно разветвленные дендриты. Рисунок 33 - Микроструктура подслоя полиэдрических зерен: а - образец №1, модифицированный ультрадисперсным порошком АЮ(ОН); б - образец №2 без модификатора Микроструктурой следующего подслоя являются относительно короткие, более мелкие, сильно разветвленные и не имеющие ориентации дендриты. Более интенсивно данный подслой выражен в образце № 1, модифицированном ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) (рисунок 34, б).
Дендриты в данном подслое относительно малы, т.к. их оси не совпадают с направлением теплового потока, и поэтому они перестают расти.
Толщина данного подслоя в образце №1, модифицированным ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) составляет 1,5 мм, то есть, 34% от общей. Этот же подслой в образце № 2 без модификатора выражен несколько слабее. В образце № 2 без модификатора относительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие ориентации дендриты образуют сплошную сетку, а в образце № 1, модифицированном ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) наблюдаются участки свободной поверхности, где в то же время, можно выделить границы зерен (рисунок 34, б). Толщина подслоя слабо ориентированных дендритов в образце № 2, без модификатора 1,2 мм или 30% от общей поверхности. \ ; 7 " без модификатора Ось их ориентации нормальна к границе сплавления, и обращена вдоль направления теплового потока от поверхностного слоя в основной металл. Сильно разветвленные и толстые дендриты наблюдаются в образце № 2 без модификатора (рисунок 35 б). Толщина дендритов составляет 1±0,4 мкм, а ширина (расстояние между концами противоположных отростков) - мм 19±8 мкм. Непосредственно перед границей сплавления строгая ориентация длинных осей дендритов снова нарушается и образуется еще один тонкий подслой слабо ориентированных дендритов (рисунок 36).
Наиболее слабо этот подслой наблюдается опять же в образце № 2 без модификатора (рисунок 36 а). У образца № 1, модифицированного ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) граница раздела ориентированных и неориентированных дендритов толщиной около 25 мкм.
Микроструктуру подслоя, можно оценить как промежуточную между областями А и Б. В образце № 1, модифицированном ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) повторно наблюдается ярко выраженный «зеренный» слой (рисунок 37 а).
Другая картина в образце № 2, без модификатора (рисунок 37 б), структура подслоя ближе всего по морфологии к микроструктуре в области Б. Здесь преимущественно наблюдаются хаотически расположенные и не имеющие ориентации дендриты с незначительным количеством зерен полиэдрической морфологии. В образце № 1, модифицированного ультрадисперсным порошком АЮ(ОН) подслой зеренной структуры составил 4 мм, а в образце № 2 без модификатора слой неориентированных дендритов 3 мм.