УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПЕРЕНОСА УГЛЕРОДА ИЗ ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ
Аннотация. Применение стали повышенной прочности для изготовления сварных деталей, узлов и конструкций сдерживается вследствие склонности таких сталей к образованию холодных трещин в околошовной зоне. Актуальность исследований по этой проблематике сохраняется в течение длительного времени вследствие периодически повторяющихся аварий на многих типах ответственных конструкций и сопровождаемых серьезными экономическими, а иногда и травматическими последствиями. Основной причиной образования холодных трещин в сварных соединениях стальных деталей считают неблагоприятное развитие физико-химических процессов в зоне термического влияния сварки. Наибольшая вероятность образования деформаций и остаточных напряжений в аустенитизирующихся областях зоны термического влияния характерна для сталей с высоким углеродным эквивалентом. Результаты проведенных исследований подтверждают возможность управлять локальной концентрацией углерода созданием температурного градиента. Для такого подвижного в диффузионном отношении элемента, как углерод, реальной становится разработка новых технологий, связанных, например, с временным снижением содержания углерода в некоторых зонах стальной заготовки для выполнения каких-либо технологических операций с этим обезуглероженным объемом и последующей гомогенизацией изделия по содержанию углерода. Это может оказаться полезным при сварке высокоуглеродистой стали. В околошовной зоне такой стали можно предварительно на время сварки снизить содержание углерода, оттеснив его за пределы зоны термического влияния в близлежащие слои металла с помощью градиентного нагрева. В связи с этим, особую актуальность и практическую значимость для машиностроения, судостроения, строительных конструкций и др. приобретают исследования, направленные на повышение качества сварного шва в стали с повышенным углеродным эквивалентом. Рассмотрена возможность резким ох¬лаждением поверхности создать градиент активности углерода, достаточный для его перетока, направленного к более горячей сердцевине. Такой массоперенос неизбежно приводит к обезуглероживанию поверхности и повышению концентрации углерода в горячих глубинных слоях. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность на период сварки снизить содержание углерода в свариваемых кромках и наплавляемых поверхностях изделий из углеродистой стали путем создания в них градиента температур, направленного от поверхности к сердцевине. Возникающее при этом локальное обезуглероживание носит обратимый характер, и после выполнения сварки или наплавки легко устраняется нормализацией.
Ключевые слова: сварка, наплавка, горячие трещины, термическое влияние, перераспределение углерода, температурный градиент.
Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей, – склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.
По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа – хорошо сваривающиеся; вторая группа – удовлетворительно сваривающиеся; третья группа – ограниченно сваривающиеся; четвертая группа – плохо сваривающиеся.
К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.
Ко второй группе относятся в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.
К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергаются обработке после сварки.
К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.
Металл шва – это та зона, в которой в связи с нагревом выше температуры плавления (линии ликвидус) свариваемый металл расплавляется в процессе сварки, перемешивается с металлом электрода и затем кристаллизуется. Металл шва имеет литую дендритную структуру и состоит из кристаллов столбчатой формы. Особенностью кристаллизации сварочной ванны является то, что в отличие от кристаллизации отливки в литейной форме, кристаллизация металла шва протекает при одновременном его подогреве со стороны источника тепла и быстром охлаждении за счет интенсивного теплоотвода в основной холодный металл
Основной причиной образования холодных трещин в сварных соединениях является образование подкалённых структур в зоне термического влияния, если сталь имеет углеродный эквивалент Сэкв> 0,4 %. Поскольку величина углеродного эквивалента в максимальной степени зависит от содержания углерода, и именно углерод является причиной образования закаленных структур в околошовной зоне. В зоне, примыкающей к наплавленному слою происходит изменение свойств основного металла под влиянием теплоты процесса наплавки. В этой зоне, называемой зоной термического влияния металл имеет максимальную твердость и наибольшую чувствительность к трещинам.
Поэтому при сварке углеродистой стали углеродный эквивалент служит показателем, используемым для оценки сварочных свойств металла.
Механизм образования горячих трещин в металле, подвергавшемся при сварке полному или частичному расплавлению, состоит в нарушении его сплошности по незатвердевшим жидким прослойкам под действием усадочных напряжений вследствие затруднённой усадки. В жестко связанной с затвердевающим швом зоне термического влияния температура резко снижается, соответственно уменьшается пластичность металла и способность его компенсировать усадку затвердевающего металла. В этих условиях, чем ниже температура, до которой присутствует жидкая фаза, тем вероятнее образование горячих трещин.
Для оценки чувствительности стали к образованию горячих трещин при сварке Уилкинсон [1] предложил показатель, который рассчитывается по выражению:
. (1)
Как видно из приведенного выражения в наибольшей степени склонность к образованию горячих трещин увеличивают сера, фосфор и углерод.
В конце затвердевания жидкая фаза из-за развития микроликвационных процессов может обогащаться серой, фосфором, углеродом и другими элементами до состава легкоплавкой многофазной эвтектики с температурой затвердевания 940С. Марганец весьма эффективно противодействует трещинообразованию, связывая серу в тугоплавкие сульфиды MnS. Положительное влияние хрома, молибдена и ванадия, очевидно, вызвано измельчением зерна стали, вследствие которого суммарная площадь поверхности зерен увеличивается, и пленка легкоплавких ликватов источается и становится разорванной.
Холодные трещины возникают в период завершения охлаждения или после полного охлаждения металла рядом со сварным швом в зоне термического влияния, где под действием тепловых процессов становится возможным образование закаленных структур и резкое снижение локальной пластичности стали. Развитие же высоких внутренних напряжений термического и фазового характера в охрупченной закалкой области приводит к образованию холодных трещин. Сопротивление пластической деформации (твердость) закаленной стали определяется содержанием углерода, который растворяется в железе по типу внедрения, вызывая максимальные искажения кристаллической решетки. Практически все легирующие элементы образуют с железом твердые растворы замещения и на твердость влияют слабо, но они могут расширить зону образования закалочных структур, увеличивая прокаливаемость стали.
Влияние химического состава углеродистой стали на чувствительность к трещинам принято оценивать по углеродному эквиваленту, рассчитанному по формуле [1]:
. (2)
Стали с углеродным эквивалентом Сэ0,4% характеризуются пониженной свариваемостью, а при значениях Сэ0,7% относятся к трудносвариваемым.
Из выражения (2) следует, что определяющее воздействие на свариваемость стали оказывает содержание углерода, влияние других компонентов многократно слабее.
При сварке высокоуглеродистых сталей опасность образования горячих и холодных трещин особенно высока, поэтому возможность уменьшения содержания углерода в свариваемых кромках особенно актуальна.
Вместе с тем известны методы локального и обратимого перераспределения углерода в пределах стальной заготовки. Сверхбыстрый массоперенос обнаружен в условиях создания разных энергетических градиентов значительной величины, например, при облучении лазером, воздействии ультразвуком, импульсной пластической деформации, создании температурного градиента и др. [2]. В ответ на созданный в каждом из этих методов градиент внешнего параметра (градиент давления, температуры и т.п.) в системе возникает градиент термодинамической активности углерода, который и является движущей силой массопереноса этого компонента, протекающего даже против градиента его концентрации, т.е. наблюдается восходящая диффузия.
С целью исследования массопереноса углерода в градиентном температурном поле были проведены эксперименты, в которых создавался стационарный перепад температур по длине массивного образца.
Образец из стали 40Л (0,39 %С) сечением 10х10 и длиной L=25 мм нагревали с одного торца путем непосредственного контакта с разогретой до 1000 °С плитой, а противоположный торец охлаждали медным водоохлаждаемым холодильником. Для изоляции образца от излучения раскаленной плиты и создания резкого перепада температур в локальной области образца использовали асбестовый экран, установленный на образце на расстоянии 14 мм от нагревательного элемента. Температурный градиент поддерживали в течение 20 мин, затем образец подвергли закалке в воде.
Структура части образца, расположенной между холодильником и экраном, соответствовала исходной и не изменялась в ходе эксперимента; в районе экрана она была двухфазной (аустенито-ферритной), ниже экрана -полностью аустенитной, рисунок 1,б.
Термодинамическая активность углерода с повышением температуры снижается в соответствии с уравнением, приведенным в работе [3]:
(3)
где ас – термодинамическая активность углерода, Nc – его атомная доля; Т – температура в К.
Важным следствием выражения (3) является возможность резким ох¬лаждением поверхности создать градиент активности углерода, достаточ¬ный для его перетока, направленного к более горячей сердцевине. Такой массоперенос неизбежно приводит к обезуглероживанию поверхности и повышению концен¬трации углерода в горячих глубинных слоях.
В соответствии с диаграммой изоактивности Бенза-Эллиота термодинамическая активность углерода ас в бинарном сплаве Fe-0,39 %C при 1000 OC равна 0,2, а при 800 °С 0,375. Рисунок 2.
Составляя баланс масс в условиях создания стационарного градиента расчетным путем определили, что гомогенизация стали по химическому потенциалу и термодинамической активности углерода произойдет за счет переноса 0,05...0,06 %С, т.е. в нагреваемой части образца содержание углерода должно возрасти до 0,44...0,45%, а в paйoнe экрана (t ~ 800 0С) - уменьшиться до 0,33...0,34%.
Распределение углерода, установившееся в испытуемом образце под действием градиента температур и зафиксированное закалкой, исследовали методом локального спектрального анализа. Анализируемый спектр возбуждали в точках, расположенных на продольной оси образца и отстоящих друг от друга на расстоянии 1,5...2,0 мм, рисунок 3
Из рисунка 3 видно, что в районе горячего торца содержание углерода достигло значений 0,46%, на расстоянии 14 мм от него (область экрана) концентрация понизилась до 0,36%, а в холодной части образца, не претерпевавшей фазовых превращений, практически не изменилась.
Таким образом, 20 минут действия температурного градиента оказалось достаточно для диффузионного перераспределения углерода в соответствии с созданным градиентом его термодинамической активности.
В стали с более высоким содержанием углерода, например 0,5%, наложением аналогичного градиента температур достигается перепад активности углерода ас0,3. Неизбежное выравнивание активности углерода по сечению стали связано с переносом углерода уже в количестве около 0,094…0,10%, т.е. в «горячей» области содержание углерода уменьшится до приемлемого для сварки уровня 0,4…0,406%.
Результаты проведенных исследований подтверждают возможность управлять локальной концентрацией углерода созданием температурного градиента.
Для такого подвижного в диффузионном отношении элемента, как углерод, реальной становится разработка новых технологий, связанных, например, с временным удалением углерода из одних зон стальной заготовки для выполнения каких-либо технологических операций с этим обезуглероженным объемом и последующей гомогенизацией изделия по содержанию углерода. Это может оказаться полезным при сварке высокоуглеродистой стали. В околошовной зоне такой стали можно предварительно на время сварки снизить содержание углерода, оттеснив его в близлежащие слои металла с помощью градиентного нагрева и зафиксировав достигнутое распределение закалкой. После завершения операции сварки содержание углерода легко выровнять кратковременной аустенизацией или изотермическим отжигом.
ЛИТЕРАТУРА
- Хасуи, А. Наплавка и напыление. [Текст] / А. Хасуи, О. Моригаки // - М.: Машиностроение, 1985.- 32с.
- Ильинский, В.А. Сверхбыстрое перераспределение углерода в цементованных слоях стальных изделий. [Текст] / В.А. Ильинский, А.А. Жуков, Л.В. Костылева, В.А. Локтюшин // Металлы. – 1998. -№ 3. – С. 46-50.
- Marincek, B. Einflu der Schelzvenfahnen und Schmelzfuhrung auf Fehler bei Ciueisen mit Kugelgraphit und Kontrollmanahmen zur Begpenzung und Vermeidung dieser Fehler (1. Teil). / В. Marincek // Giesserei – Praxis. 1982. №13/14, - P. 217- 229.
- Ильинский, В.А. Сверхбыстрое перераспределение углерода в цементованных слоях стальных изделий. / В.А. Ильинский, А.А. Жуков, Л.В. Костылева, В.А. Локтюшин // Металлы. 1998. №3. - С. 46–50.
Метки: Инженерия