Модифицирование сплавов с нанокристаллической решеткой
Курсовой проект - Химия
Другие курсовые по предмету Химия
тых сплавов, что в процессе жесткого термодеформационного цикла сварки способствует образованию горячих и холодных трещин, а также вызывают снижение ударной вязкости металла, особенно при работе сварных конструкций в условиях циклического нагружения и отрицательных температур. Известные металлургические и технологические приемы измельчения структуры дают возможность повысить сварочно-технологические свойства швов. Измельчение структурных составляющих наплавленного металла может быть достигнуто, например, введением в сварочные материалы или непосредственно в сварочную ванну большого (20 масс.%) количества макро- и микрочастиц тугоплавких соединений, однако такой способ диспергирования структуры влияет на прочность, пластичность, твердость, износостойкость и другие свойства металла [1-3].
Введение в расплав стали нанодисперсных металлических и неметаллических порошков, свойства которых существенно отличаются от свойств макро- и микропорошков того же химического состава, способствует модифицированию металла и вызывает перераспределение вредных примесей между границами и объемом зерен. Размер зерен при этом уменьшается, что приводит к повышению пределов текучести и прочности, увеличению пластичности и деформируемости стали, а также к снижению коэффициента трения [4,5].
В сварочных процессах температура в зоне действия источника тепла превышает температуру плавления многих тугоплавких нанодисперсных соединений, что вызывает их диссоциацию и последующее растворение продуктов в расплаве сварочной ванны. В связи с этим, при исследовании влияния нанодисперсных добавок на свойства металлов особое внимание уделялось монокарбиду WC, обладающему превосходной термической стабильностью, высоким значением модуля упругости и более низким по сравнению с карбидами других металлов коэффициентом термического расширения [6-11]. Нестехиометрический карбид WCj с кубической кристаллической решеткой также обеспечивает стабильность карбидной фазы и тонкозернистую структуру металла, способствует повышению его твердости и износостойкости [6,7].
Исследовано влияние добавок небольшого (до 0,2 масс.%) количества нанодисперсного порошка карбида WC на структуру наплавленного металла.
В качестве нанодисперсного компонента использовали порошок карбида вольфрама WC, полученный по разработанной в ИМЕТ РАН плазмо - химической технологии при восстановлении три - оксида вольфрама в потоке водородсодержащей плазмы электродугового плазмотрона [12,13] с получением наноразмерной многокомпонентной композиции системы W-C и ее последующей термохимической обработкой [14,15]. Порошок имеет удельную поверхность 7 м2/г и состоит из частиц монокарбида вольфрама WC размером менее 0,1 мкм.
Материалом, транспортирующим нанодисперсный порошок, служил порошок никеля (99,9% Ni) с размером частиц 50-80 мкм, в который при совместной обработке в планетарной мельнице внедряли карбид вольфрама. В результате получали никелевые гранулы, в которых содержалось около 30 масс.% нанокарбидов.
Никелекарбидные гранулы вводили в порошковую проволоку, оболочку которой изготавливали из никеля марки НП-2. Смесь таких гранул со связующим калий-натриевым жидким стеклом наносили тонким слоем на покрытия электродов рутилового типа марки ОК 43.32, предназначенные для сварки низкоуглеродистых сталей (ESAB Group Ltd, UK), и основного типа UTP 67S, использующиеся для наплавки износостойкого сплава (UTP Sweissmaterial GmbH). Использование этих электродов обеспечивают получение наплавленного металла на основе железа с содержанием примесей (масс.%): С - 0,07; Si - 0,4; Mn - 0,5 и С - 0,5; Cr - 9,0; Si - 3,0; Mn - 0,5, остальное - примеси. Также наносили покрытие, содержащее никелекарбидные гранулы на поверхность стержней диаметром 2 мм, изготовленных из проволоки марки Св-06Х19Н9Т. Экспериментальные наплавки производились на подложки из стали 20.
Исследовались процессы дуговой наплавки электродом с покрытием с формированием однослойного валика, дуговой наплавки в гелии неплавящимся электродом с подачей порошковой проволоки и стержней с покрытием в низкотемпературную часть сварочной ванны, а также электрошлаковой наплавки с использованием флюса АНФ-6 и экспериментальной порошковой проволоки, которую применяли в виде плавящегося электрода или в качестве присадочного электронейтрального материала.
Структуру, морфологию и элементный состав наплавленного металла и неметаллических включений изучали с помощью оптической (цифровой микроскоп Axiovert 40 MAT) и растровой электронной микроскопии (JEOL JSM 6700F с приставкой для энергодисперсионного спектрометрического анализа) и сканирующего зондового микроскопа Solver Pro. Содержание и распределение легирующих элементов в структурных составляющих определяли при сканировании шлифов в локальном (1-3 мкм3) поверхностном объеме металла на глубине до 2 мкм с получением изображений во вторичных электронах. Металлографические исследования проводили на шлифах, вырезанных в продольных и поперечных направлениях.
Наплавленный металл, полученный электрошлаковой наплавкой электродной и присадочной проволокой, характеризуется крупнозернистой структурой у никелевого твердого раствора, в котором равномерно распределены оплавившиеся никелевые гранулы с размером 30-50 мкм (рис. 12а). В твердом растворе имеются многочисленные дисперсные (1-2 мкм) выделения вторичных карбидов WC и W2C, а также небольшое количество карбидной эвтектики WC+W2C по границам зерен (рис. 12б). Такая морфология карбидных выделений способствует формированию к