Влияние концентрации нанопорошка в защитном газе на микроструктуру наплавленного металла
А.
С. ЛукашовБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Лукашов
А.
С. Влияние концентрации нанопорошка в защитном газе на микроструктуру наплавленного металла // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
171–175. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53036.htm.
Аннотация. В работе рассмотрено влияние концентрации
наноструктурированного порошка молибдена на микроструктуру наплавленного металла из стали 12Х18Н10Т. Установлено, что концентрация влияет на
микроструктуру. По структуре наплавленного слоя лучшим оказался образец № 5 (расход нанопорошка – 28г/мм).
Ключевые слова:
наплавленный металл, наноструктурированный порошок, микроструктура наплавленного металла
Текст статьи
Лукашов Алексей СергеевичСтудент 6 курса кафедры «Сварочное производство», Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юргаkyznechik_85@mail.ru
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАНОПОРОШКА В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ НА МИКРОСТРУКТУРУ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
Аннотация:В работе рассмотрено влияние концентрации наноструктурированного порошка молибдена на микроструктуру наплавленного металла из стали 12Х18Н10Т.Установлено, что концентрация влияет на микроструктуру. По структуре наплавленного слоя лучшим оказался образец № 5(расход нанопорошка –28г/мм).Ключевые слова:наплавленный металл, наноструктурированный порошок, микроструктура наплавленного металла.При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условиями перехода сварочной ванны из жидкого состояния в твердое, является одним из факторов, определяющих качество и свойства этого участка сварного соединения [1].Известно, что процесс зарождения центров кристаллизацииможет быть спонтанным и индуцированным [2]. В сварочной ванне индуцированная кристаллизация обычно развивается на границе сплавления, где в качестве центров кристаллизации могут выступать тугоплавкие фазы и структурные составляющие основного металла [3]. На практике используется намеренное введение в расплав тугоплавких частиц для увеличения числа центров индуцированной кристаллизации, которое приводит к измельчению зерна при затвердевании [1, 2].В настоящее время такой прием применяется для измельчения структурных составляющих наплавленного металла [4, 5, 6]. Это достигается введением в сварочные материалы или непосредственно в сварочную ванну нанодисперсных металлических и неметаллических порошковмодификаторов. Размер зерен наплавленного металла при этом уменьшается, что приводит к изменению механических свойств сварного соединения в целом [4].В экспериментальных исследованиях использовали нанопорошки молибдена (М)изготовленные в Институте физики высоких технологий Национально исследовательского Томского политехнического университета. Порошки получены по электровзрывной технологии, которая разработана и реализована в указанном Институте. Введение данного нанопророшкав сварочную ванну осуществлялось через устройство,разработанное на кафедре «Сварочное производство» Юргинского технологического института[7].Для проведения исследований была произведена наплавка MIGсваркой образцов, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, в среде аргона проволокой 12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм с использованием описанного устройства. При наплавке образцов использовали четыре различные концентрации, заданные разработанным устройством: №1 –наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения; №2–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения(расход нанопорошка –25г/мм); №3–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка –26г/мм); №4–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка –27г/мм).№5–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка –28г/мм).Режимы сварки для всех вариантов одинаковы.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» (75% HCl+ 25% HNO3). Исследование проводилось методом оптической металлографии на микроскопе Neophot21 с записью изображений при помощи цифровой камеры GeniusVileaCam.Структура основного металла во всех случаях соответствует структуре горячекатаной нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Она представлена полиэдрическими сдвойникованными зернами, средний размер которых составляет 30±10 мкм.Анализ исследования показал, что наплавленный металл можно разделить на три слоя, структура которых существенно различна. Толщина слоев для разных вариантов различна. На рисунке 1 представлена схема расположения мест исследования микроструктуры швов.
Рис. 1. Схема расположения мест исследованиямикроструктуры сварного шва А –структура типа «зёрна», Б –неориентированные дендриты, В. –ориентированные дендриты, Г –граница сварного шва, Д –нержавеющая сталь
Точка Гсоответствует структуре участка перехода от наплавленного металла к зоне термического влияния и далее к основному металлу. Зона термического влияния во всех образцах четко не выявляется, но имеет одинаковую ширину. На границе сплавления происходит плавный переход от дендритной структуры наплавленного металла к полиэдрической зеренной структуре зоны термического влияния.Точки А, Б и Всоответствуют характерным структурам, отмеченных выше слоев наплавленного металла. Первый, непосредственно примыкающий к свободной поверхности слой, можно характеризовать как слой с полиэдрической зеренной структурой(рис.2).
а
б
в
г
дРис. 2. Микроструктура слоя типа «зёрна»; а) образец №1, б) образец №2, в) образец №3, г) образец №4, д) образец №5
От края свободной поверхности вглубь наблюдается структура типа «зёрна». В образце №1 ее ширина составляет 500 мкм; в образце №2 1000мкм; в образце №3 600мкм; в образце №4 500мкм; в образце №5 750мкм.Наиболее ярко «зеренный» слой выражен в образце № 2 (рис. 2 б). Здесь хорошо видны зерна полиэдрической морфологии, которые чередуются с островками коротких неориентированных дендритов.Слабо данный слой выражен в образцах №1 и №4 (рис. 2 а, г).Основной микроструктурной составляющей следующего слоя являются сравнительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты (рис 3).
а
б
в
г
дРис. 3. Микроструктура слоя неориентированных дендритов; а) образец №1, б) образец №2, в) образец №3, г) образец №4, д) образец №5
От слоя типа «зерна» начинает сформировываться слой разориентированных дендритов. Его ширина составляет в образце №1 750 мкм; в образце №2 750мкм; в образце №3 750мкм; в образце №4 700мкм; в образце №5 650мкм.Наиболее ярко слой неорентированных дендритов выражен в образцах№1, 2, 3 (рис. 3 а, б, в), слабо выражен данный слой в образце№5 (рис. 3 д).Ориентация длинных осей дендритов в рассматриваемом слое (рис. 4 ад) нормальна к границе сплавления –вдоль направления теплового потока в основной металл.
а
б
в
г
дРис. 4. Микроструктура слоя ориентированных дендритов; а) образец №1, б) образец №2, в) образец №3, г) образец №4, д) образец №5
Следующим идет слой ориентированных дендритов. Его ширина составляет в образце №1 1750 мкм; в образце №2 2500мкм; в образце №3 2000мкм; в образце №4 2100мкм; в образце №5 2150мкм.Наиболее ярко слой оирентированных дендритов выражен в образце №2 (рис. 4 б), слабо выражен данный слой в образцах №1 (рис. 4 а).Выводы:1. Установлено, что изменение концентрации наноструктурированныхпорошковмодификаторов, вводимых в сварочную ванну, по разному влияет на микроструктуру наплавленного металла.2. Структура наплавленного слоя у всех образцов состоит из дендритов. Однако есть отличия по толщине дендритов в зависимости от концентрации.3.Наиболее четко слой полиэдрических зерен наблюдается в образце№2. Слой неориентированных дендритов наиболее широк в образцах №1, 2, 3. Слой ориентированных дендритов в образце №1имеет наименьшую ширину.4. По структуре наплавленного слоя лучшим оказалсяобразец № 5(расход нанопорошка –28г/мм).Список литературы:1. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). –М.: Машиностроение, 1979. –253 с.2. Материаловедение / Арзамасов Б.Н., Мухин Г.Г. Макарова В.Н., Рыжов Н.М. –М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. –648 с. 3. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; Под ред. В.М. Неровного. –М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 559 с.4. Соколов Г.Н., Трошков А.С.,Лысак И.В., Самохин А.В., Благовещенский Ю.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперстных карбидов WCи никеля на структуру и свойства наплавленного металла. // Сварка и диагностика. –2011. №3. Материаловедение.–с. 3638.5. Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама. // Физика и xимия обработки материалов. –2009. –№6. –с. 41 –47.6. С.Г. Паршин MIGсварка стали с применением наноструктурированных электродных материалов. // Сварочное производство, 2011, №10, с.2731.7. Колмогоров Д.Е., Зернин Е.А., Шляхова Г.В., Данилов В.И. Строение, морфология и дисперсность металла, наплавленного дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии наноструктурированных модификаторов. // Сварка и диагностика, 2012, №6, с. 811.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАНОПОРОШКА В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ НА МИКРОСТРУКТУРУ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
Аннотация:В работе рассмотрено влияние концентрации наноструктурированного порошка молибдена на микроструктуру наплавленного металла из стали 12Х18Н10Т.Установлено, что концентрация влияет на микроструктуру. По структуре наплавленного слоя лучшим оказался образец № 5(расход нанопорошка –28г/мм).Ключевые слова:наплавленный металл, наноструктурированный порошок, микроструктура наплавленного металла.При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условиями перехода сварочной ванны из жидкого состояния в твердое, является одним из факторов, определяющих качество и свойства этого участка сварного соединения [1].Известно, что процесс зарождения центров кристаллизацииможет быть спонтанным и индуцированным [2]. В сварочной ванне индуцированная кристаллизация обычно развивается на границе сплавления, где в качестве центров кристаллизации могут выступать тугоплавкие фазы и структурные составляющие основного металла [3]. На практике используется намеренное введение в расплав тугоплавких частиц для увеличения числа центров индуцированной кристаллизации, которое приводит к измельчению зерна при затвердевании [1, 2].В настоящее время такой прием применяется для измельчения структурных составляющих наплавленного металла [4, 5, 6]. Это достигается введением в сварочные материалы или непосредственно в сварочную ванну нанодисперсных металлических и неметаллических порошковмодификаторов. Размер зерен наплавленного металла при этом уменьшается, что приводит к изменению механических свойств сварного соединения в целом [4].В экспериментальных исследованиях использовали нанопорошки молибдена (М)изготовленные в Институте физики высоких технологий Национально исследовательского Томского политехнического университета. Порошки получены по электровзрывной технологии, которая разработана и реализована в указанном Институте. Введение данного нанопророшкав сварочную ванну осуществлялось через устройство,разработанное на кафедре «Сварочное производство» Юргинского технологического института[7].Для проведения исследований была произведена наплавка MIGсваркой образцов, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, в среде аргона проволокой 12Х18Н9Т диаметром 1,2 мм с использованием описанного устройства. При наплавке образцов использовали четыре различные концентрации, заданные разработанным устройством: №1 –наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения; №2–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения(расход нанопорошка –25г/мм); №3–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка –26г/мм); №4–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка –27г/мм).№5–наплавка в среде аргона проволокой сплошного сечения (расход нанопорошка –28г/мм).Режимы сварки для всех вариантов одинаковы.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» (75% HCl+ 25% HNO3). Исследование проводилось методом оптической металлографии на микроскопе Neophot21 с записью изображений при помощи цифровой камеры GeniusVileaCam.Структура основного металла во всех случаях соответствует структуре горячекатаной нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Она представлена полиэдрическими сдвойникованными зернами, средний размер которых составляет 30±10 мкм.Анализ исследования показал, что наплавленный металл можно разделить на три слоя, структура которых существенно различна. Толщина слоев для разных вариантов различна. На рисунке 1 представлена схема расположения мест исследования микроструктуры швов.
Рис. 1. Схема расположения мест исследованиямикроструктуры сварного шва А –структура типа «зёрна», Б –неориентированные дендриты, В. –ориентированные дендриты, Г –граница сварного шва, Д –нержавеющая сталь
Точка Гсоответствует структуре участка перехода от наплавленного металла к зоне термического влияния и далее к основному металлу. Зона термического влияния во всех образцах четко не выявляется, но имеет одинаковую ширину. На границе сплавления происходит плавный переход от дендритной структуры наплавленного металла к полиэдрической зеренной структуре зоны термического влияния.Точки А, Б и Всоответствуют характерным структурам, отмеченных выше слоев наплавленного металла. Первый, непосредственно примыкающий к свободной поверхности слой, можно характеризовать как слой с полиэдрической зеренной структурой(рис.2).
а
б
в
г
дРис. 2. Микроструктура слоя типа «зёрна»; а) образец №1, б) образец №2, в) образец №3, г) образец №4, д) образец №5
От края свободной поверхности вглубь наблюдается структура типа «зёрна». В образце №1 ее ширина составляет 500 мкм; в образце №2 1000мкм; в образце №3 600мкм; в образце №4 500мкм; в образце №5 750мкм.Наиболее ярко «зеренный» слой выражен в образце № 2 (рис. 2 б). Здесь хорошо видны зерна полиэдрической морфологии, которые чередуются с островками коротких неориентированных дендритов.Слабо данный слой выражен в образцах №1 и №4 (рис. 2 а, г).Основной микроструктурной составляющей следующего слоя являются сравнительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты (рис 3).
а
б
в
г
дРис. 3. Микроструктура слоя неориентированных дендритов; а) образец №1, б) образец №2, в) образец №3, г) образец №4, д) образец №5
От слоя типа «зерна» начинает сформировываться слой разориентированных дендритов. Его ширина составляет в образце №1 750 мкм; в образце №2 750мкм; в образце №3 750мкм; в образце №4 700мкм; в образце №5 650мкм.Наиболее ярко слой неорентированных дендритов выражен в образцах№1, 2, 3 (рис. 3 а, б, в), слабо выражен данный слой в образце№5 (рис. 3 д).Ориентация длинных осей дендритов в рассматриваемом слое (рис. 4 ад) нормальна к границе сплавления –вдоль направления теплового потока в основной металл.
а
б
в
г
дРис. 4. Микроструктура слоя ориентированных дендритов; а) образец №1, б) образец №2, в) образец №3, г) образец №4, д) образец №5
Следующим идет слой ориентированных дендритов. Его ширина составляет в образце №1 1750 мкм; в образце №2 2500мкм; в образце №3 2000мкм; в образце №4 2100мкм; в образце №5 2150мкм.Наиболее ярко слой оирентированных дендритов выражен в образце №2 (рис. 4 б), слабо выражен данный слой в образцах №1 (рис. 4 а).Выводы:1. Установлено, что изменение концентрации наноструктурированныхпорошковмодификаторов, вводимых в сварочную ванну, по разному влияет на микроструктуру наплавленного металла.2. Структура наплавленного слоя у всех образцов состоит из дендритов. Однако есть отличия по толщине дендритов в зависимости от концентрации.3.Наиболее четко слой полиэдрических зерен наблюдается в образце№2. Слой неориентированных дендритов наиболее широк в образцах №1, 2, 3. Слой ориентированных дендритов в образце №1имеет наименьшую ширину.4. По структуре наплавленного слоя лучшим оказалсяобразец № 5(расход нанопорошка –28г/мм).Список литературы:1. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). –М.: Машиностроение, 1979. –253 с.2. Материаловедение / Арзамасов Б.Н., Мухин Г.Г. Макарова В.Н., Рыжов Н.М. –М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. –648 с. 3. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; Под ред. В.М. Неровного. –М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 559 с.4. Соколов Г.Н., Трошков А.С.,Лысак И.В., Самохин А.В., Благовещенский Ю.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперстных карбидов WCи никеля на структуру и свойства наплавленного металла. // Сварка и диагностика. –2011. №3. Материаловедение.–с. 3638.5. Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама. // Физика и xимия обработки материалов. –2009. –№6. –с. 41 –47.6. С.Г. Паршин MIGсварка стали с применением наноструктурированных электродных материалов. // Сварочное производство, 2011, №10, с.2731.7. Колмогоров Д.Е., Зернин Е.А., Шляхова Г.В., Данилов В.И. Строение, морфология и дисперсность металла, наплавленного дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии наноструктурированных модификаторов. // Сварка и диагностика, 2012, №6, с. 811.
