Целью исследования являлось изучение влияния легирова­ния на структуру и механические свойства сварных швов и выбор оптимальной системы раскисления и легирования по­крытий фтористокальциевых электродов.

Сваривали образцы из стали 17Г1С с V-образной разделкой кромок. Сварка осуществлялась на постоянном токе обратной полярности на режиме 1св = 180-200 А, ид = 23-24 В электро­дами АНО-26 (диаметром 4 мм) от выпрямителя ВДУ-504.

Исследованию подвергались следующие системы легирова­ния: Si-Mn, Si-Mn-Mo и Si-Mn-Mo-Ni. Химический состав металла шва определялся методом спектрального анализа на поверхности изломов ударных образцов. При легировании Si — Mn содержание легирующих элементов в металле шва изменя­лось в пределах Si = 0,2-0,8 % и Mn = 0,6-2,0 %. При ком­плексном легировании Si-Mn-Mo содержание легирующих со­ставляло: Si = 0,3-0,4 %, Mn = 1,3-1,35 %, Мо = 0,1-0,55 %. В некоторых случаях содержание кремния было увеличено до 0,7-0,8 %. При комплексном легировании Si-Mn-Mo-Ni изме­нялось содержание никеля в пределах от 0,5 до 1,5 % при со­держании Si = 0,3-0,36 %, Mn = 1,25-1,3 % и Мо = 0,2-0,23 %. Механические свойства металла шва определялись согласно ГОСТ 6996-66.

Определялась ударная вязкость по оси шва на образцах с круглым (по Менаже) и острым (по Шарпи) надрезом в ин — тервале температур от +20 до -60 °С. В изломе ударных образ­цов оценивалась доля вязкой составляющей и проводились ме­таллографические исследования металла осевой зоны шва.

Графики построены по средним значениям из трех измере­ний.

Эксперименты проводили в Институте электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины.

Система Si—Mn. Проведенными исследованиями установле­но, что увеличение содержания в металле шва марганца от 0,7 до 1,5 % практически не влияет на размер зерна. Равноосные зерна диаметром 300-400 мкм окружены поликристаллической ферритной оторочкой. При увеличении содержания марганца от 0,7 до 1,5 % толщина ферритных оторочек уменьшается от 40-50 до 25-30 мкм, а объемная доля частиц второй фазы воз­растает от 6 до 12 %. При более высоких содержаниях марган­ца (до 2,0 %) доля частиц второй фазы в металле шва состав­ляет 14-16 %.

Увеличение объемной доли частиц второй фазы с ростом содержания марганца объясняется повышением устойчивости аустенита, снижением скорости его превращения и смещением фазовых превращений в область образования промежуточных структур.

Увеличение содержания кремния в металле шва приводит к формированию игольчатой структуры по границам зерен. При этом существенно возрастает толщина ферритных оторочек и площадь, занимаемая обособленными полями феррита.

Такое влияние кремния на структуру металла шва связано с замедлением процессов карбидообразования [16]. Неоднород­ность структуры можно объяснить ликвацией кремния, что подтверждается данными работы [23].

Сварные швы с такой структурой обладают наиболее низки­ми значениями ударной вязкости (рис. 4.8).

Увеличение содержания марганца в металле шва от 1 до 2 % приводит к росту временного сопротивления разрушению в 1,3—1,5 раза в зависимости от содержания кремния. При со­держаниях марганца более 1,5 % снижаются пластические свойства металла шва. Наиболее низкие значения пластичнос­ти получены при содержаниях кремния 0,7-0,8 % (см. рис. 4.8). Ударная вязкость металла шва повышается с ростом со­держания марганца до 1,5-1,6 %, а дальнейшее его увеличение приводит к снижению ударной вязкости. Наиболее заметно влияет на ударную вязкость кремний. Увеличение его содер­жания в металле шва до 0,6-0,8 % приводит к снижению удар­ной вязкости и росту хрупкой составляющей в изломе удар-

image173

Рис. 4.8. Влияние кремния на механические свойства и ударную вязкость металла шва:

а — 1 — 0,11 % С, 0,45 % Si, 1,55 % Mn; 2 — 0,11 % С, 0,62 % Si, 1,48 % Mn; З — 0,11 % С, 0,75 % Si, 0,52 % Mn; a — 0,1 % C, 0,48-1,55 % Mn

ных образцов. При этом возрастает влияние радиуса надреза образцов (табл. 4.5).

Такое влияние кремния в значительной степени связано со структурой металла шва. По-видимому, необходимо учитывать и то, что кремний, легируя феррит, сильно искажает его крис­таллическую решетку. В связи с этим уменьшается подвиж­ность дислокации и увеличивается их взаимодействие с атома­ми внедрения. В таких условиях облегчается зарождение и развитие трещин у неметаллических включений, крупных час-

Т а б л и ц а 4.5

Доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов, %

Химический состав металла шва, %

Температура испытаний, °С

Si

Mn

+20

-20

-40

0,45

1,55

80

40

0,62

1,48

60

15

5

0,75

1,52

50

0,41

1,02

60

10

0,5

2,0

50

10

тиц второй фазы, снижаются пластические свойства материа­ла и повышается склонность к хрупкому разрушению.

Система Si—Mn—Mo. Содержание молибдена в металле швов изменялось в пределах от 0,1 до 0,55 %. Металлографи­ческими исследованиями установлено, что увеличение содержа­ния молибдена до 0,3 % и более приводит к уменьшению диа­метра зерна до 100-150 мкм и образованию по границам зерен прерывистых ферритных оторочек толщиной 5-8 мкм. На не­которых участках границ зерен ферритные оторочки отсутст­вуют. С увеличением содержания молибдена от 0,1 до 0,5 % до­ля частиц второй фазы возрастает от 11-12 до 14-16 %. Наибо­лее дисперсные частицы второй фазы получены при содержа­ниях молибдена 0,1-0,3 %. При содержании молибдена более 0,5 % наблюдается укрупнение частиц второй фазы по грани­цам зерен. Увеличение объемной доли частиц второй фазы объясняется смещением температур фазовых превращений в область промежуточных структур и карбидообразующими свой­ствами молибдена. Уменьшение размеров зерна, ферритных оторочек и частиц второй фазы объясняется адсорбционными свойствами молибдена по отношению к границам раздела обра­зующих фаз (а ^ у) и (а-карбид). Адсорбируясь на границах образующихся частиц, молибден препятствует их росту [16]. Избыток молибдена приводит к образованию крупных сложно­легированных карбидов по границам зерен, что является при­чиной снижения ударной вязкости [16].

Равномерное распределение частиц второй фазы объясняет­ся влиянием молибдена на снижение ликвации легирующих элементов, принимающих непосредственное участие в форми­ровании частиц второй фазы в ферритной матрице [16].

Существенно влияет на структуру металла швов, легирован­ных кремнием, марганцем, молибденом, кремний. Увеличение содержания кремния от 0,2 до 0,6 % приводит к формированию сплошных ферритных оторочек и укрупненных частиц второй фазы.

Формирование такой структуры способствует снижению ударной вязкости металла шва (рис. 4.9). В связи с этим со­держание кремния в металле швов, легированных Si-Mn-Mo, целесообразно ограничить концентрацией 0,3-0,4 %. Увеличе­ние содержания молибдена в металле шва более 0,2 % при по­стоянном содержании кремния и марганца повышает прочность и снижает пластичность.

В исследованном интервале температур получены высокие показатели ударной вязкости (рис. 4.10). В меньшей степени проявляется влияние радиуса надреза по сравнению с другими

Рис. 4.9. Влияние кремния на ударную вязкость металла швов при комплексном легировании:

1 image174"— 0,35% Si, 1,35% Mn, 0,3% Mo;

2 — 0,65% Si, 1,33% Mn, 0,28 Mo

T а б л и ц a 4.6

Доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов, %

Химический состав металла шва, %

Температура испытаний, °С

Si

Mn

Mo

+20

-20

-40

0,38

1,32

0,10

90

50

20

0,35

1,35

0,31

100

90

70

0,32

1,40

0,55

80

60

30

0,22

1,38

0,32

100

90

70

0,65

1,33

0,28

60

20

0,36

1,35

0,20

100

80

60

системами легирования. По мере увеличения содержания мо­либдена до 0,3 % растет доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов (табл. 4.6). При содержаниях молибдена свыше 0,3 % в большей степени проявляется влияние темпера­туры и радиуса надреза на величину ударной вязкости.

Система Si-Mn-Mo-Ni. Содержание марганца, кремния и молибдена в металле шва поддерживалось на одном уровне, а содержание никеля изменялось от 0,5 до 1,5 %. Комплексное введение этих элементов осуществлялось с целью получения более дисперсной структуры, равномерного распределения час­тиц второй фазы и исключения образования ферритных ото­рочек.

Металлографическими исследованиями установлено, что при содержаниях никеля более 0,9 % доля частиц второй фазы

Подпись: Рис. 4.10. Влияние со-держания молибдена на механические свойства металла
image175

составляет 18-20 %. В основном это частицы размером 1×1 мкм и менее, которые равномерно распределены в ферритной мат — р ице.

При сварке на повышенных режимах (I св = 220 А, 04 мм) возрастает дисперсность частиц второй фазы, полностью отсутствуют ферритные оторочки. Формирование такой струк­туры обеспечивает высокие показатели ударной вязкости

Подпись: Рис. 4.11. Влияние погон-ной энергии сварки на ударную вязкость металла швов (0,35 % Si; 1,3 % Mn; 0,9 % Ni; 0,2 % Mo). Энергия: 1 - 1 кДж/см, 2 - 2 кДж/см
image176

(рис. 4.11). Наиболее высоки показатели ударной вязкости при содержании никеля 0,9-1,2 %. Для металла швов с систе­мой легирования Si-Mn-Mo-Ni получены наиболее высокие и стабильные показатели ударной вязкости. В изломах ударных образцов выше доля вязкой составляющей. Проведенные ис­следования позволяют заключить, что высокие механические свойства металла швов, выполненных электродами с покрыти­ем основного вида, обеспечиваются при оптимальном уровне легирования ферритной матрицы в сочетании с равномерно распределенными в ней частицами второй фазы.

Наличие структурных факторов, приводящих к негомоген­ной пластической деформации и высокой концентрации напря­жений у частиц второй фазы или неметаллических включений (ферритные оторочки и обособленные поля феррита), создает условия зарождения и развития микротрещин до критического размера и перехода к хрупкому разрушению.

Таким образом, в металле швов, содержащих до 0,12 % С и легированных кремнием и марганцем, увеличение содержания кремния более 0,4 % приводит к укрупнению частиц второй фазы, ферритных оторочек и появлению в теле зерна обособ­ленных полей феррита. При содержании кремния 0,7-0,8 % в металле швов формируется структура верхнего бейнита по границам зерен. При увеличении содержания марганца, нике­ля, молибдена повышается доля и дисперсность частиц второй фазы, при этом растет прочность и ударная вязкость металла сварных швов. Наибольшая доля частиц второй фазы получена при легировании марганцем и молибденом, а наибольшая дис­персность — при легировании молибденом.

Учитывая изложенное выше, можно сделать вывод, что для получения высоких механических свойств металла швов на

низколегированных сталях с ов = 500-600 МПа (марок

10XCHD, 10XHIM), целесообразно комплексное легирование швов 0,2-0,4 % Si, 1,21,3 % Mn, 0,91,2 % Ni, 0,2-0,3 % Мо; на кремнемарганцовистых и кремнемарганцеванадиевых сталях (марок 09Г2С, 09Г2, 17ГС, 17Г1СФ) 0,2-0,4 % Si, 1,31,5 % Mn и 0,15-0,3 % Мо. Эффективным средством снижения размера зерна и частиц второй фазы металла ЗТВ и обеспечения по­вышения ударной вязкости является выполнение процесса сварки при минимальных значениях погонной энергии. Для этого швы необходимо выполнять на малых токах не в один, а в несколько проходов, т. е. с наложением большого количества валиков наплавляемого металла.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что наиболее высокие и стабильные значе­ния ударной вязкости (59-70 Дж/см2 при t = -60 °С) и харак­теристик сопротивления развитию трещин (К1с = 76,6­87,6 МПа-м1/2 и 6с = 0,21-0,30 мм при t = -70 °С) металла шва хладостойких сталей достигаются при концентрации никеля в нем от 1,6 до 2,2 %, которая реализуется введением в электрод­ное покрытие никелевого порошка в количестве 3-4 %. Опреде­лен оптимальный химический состав наплавленного металла, обеспечивающий получение мелкозернистой структуры, содер­жащей незначительное количество неметаллических включе­ний глобулярной формы (в %): С < 0,10; 0,20-0,40 Si; 0,8­1,20 Mn; 1,6-2,2 Ni; S, P < 0,025, реализуемый оптимальным содер­жанием и соотношением ферросплавов в электродном покрытии: 4-5 % FeMn, 5-8 % FeSi, 7-10 % FeTi;

FeTi : FeSi : FeMn = 2 : 1,5 : 1.

2. Для получения высоких механических свойств металла швов на низколегированных сталях с оВ = 500-600 МПа (марок 10XCHD, 10XHIM), целесообразно комплексное легирование швов 0,2-0,4 % Si; 1,21,3 % Mn; 0,91,2 % Ni; 0,2-0,3 % Mo; на кремнемарганцовистых и кремнемарганцеванадиевых сталях (марок 09Г2С, 09Г2, 17ГС, 17Г1СФ) 0,2-0,4 % Si, 1,31,5 % Mn и 0,15-0,3 % Mo. Эффективным средством снижения размера зерна и частиц второй фазы металла ЗТВ и обеспечения по­вышения ударной вязкости является выполнение процесса сварки при минимальных значениях погонной энергии. Для этого швы необходимо выполнять на малых токах не в один, а в несколько проходов, т. е. с наложением большого количества валиков наплавляемого металла.