Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей
Проанализировано влияние технологических факторов (кислородный потенциал флюса, сочетание сварочная проволока – основной металл, скорость охлаждения) на механические свойства исследуемых швов высокопрочных низколегированных сталей 12ХН2МДФ и 09Г2ФБ. Полученные результаты согласуются с видом микростр...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102785 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей / В.В. Головко, В.А. Костин, Г.М. Григоренко // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 13-20. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102785 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Головко, В.В. Костин, В.А. Григоренко, Г.М. 2016-06-12T14:56:05Z 2016-06-12T14:56:05Z 2011 Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей / В.В. Головко, В.А. Костин, Г.М. Григоренко // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 13-20. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102785 621.791:669.14.018.2/.8-194.2. Проанализировано влияние технологических факторов (кислородный потенциал флюса, сочетание сварочная проволока – основной металл, скорость охлаждения) на механические свойства исследуемых швов высокопрочных низколегированных сталей 12ХН2МДФ и 09Г2ФБ. Полученные результаты согласуются с видом микроструктуры, составом и распределением неметаллических включений, особенностями распада аустенита в металл исследуемых швов. Показано, что введение в металл швов мелкодисперсных тугоплавких включений оксидов титана и циркония позволяет достичь высоких показателей прочности (σв = 700…710 МПа) и ударной вязкости (KCV₋₂₀ = 80…100 Дж/см²). Influence of technological factors (oxygen potential of the flux, «welding wire-base metal, cooling rate» combination) on mechanical properties of the studied welds on high-strength low-alloyed 12KhN2MDF and 09G2FB steels was analyzed. Derived results are in agreement with the type of microstructure, composition and non-metallic inclusion distribution, features of austenite decomposition in the studied weld metal. It is shown that addition of finely-dispersed refractory inclusions of titanium and zirconium oxides to the weld metal allows achievement of high values of strength (σв = 700 ... 710 MPa) and impact toughness (KCV₋₂₀ = 80...100 J/cm²). ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей Peculiarities of the effect of complex alloying on formation of structure and mechanical properties of welds in low-alloy high-strength steels Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей |
| spellingShingle |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей Головко, В.В. Костин, В.А. Григоренко, Г.М. Научно-технический раздел |
| title_short |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей |
| title_full |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей |
| title_fullStr |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей |
| title_full_unstemmed |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей |
| title_sort |
особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей |
| author |
Головко, В.В. Костин, В.А. Григоренко, Г.М. |
| author_facet |
Головко, В.В. Костин, В.А. Григоренко, Г.М. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Peculiarities of the effect of complex alloying on formation of structure and mechanical properties of welds in low-alloy high-strength steels |
| description |
Проанализировано влияние технологических факторов (кислородный потенциал флюса, сочетание сварочная проволока – основной металл, скорость охлаждения) на механические свойства исследуемых швов высокопрочных низколегированных сталей 12ХН2МДФ и 09Г2ФБ. Полученные результаты согласуются с видом микроструктуры, составом и распределением неметаллических включений, особенностями распада аустенита в металл исследуемых швов. Показано, что введение в металл швов мелкодисперсных тугоплавких включений оксидов титана и циркония позволяет достичь высоких показателей прочности (σв = 700…710 МПа) и ударной вязкости (KCV₋₂₀ = 80…100 Дж/см²).
Influence of technological factors (oxygen potential of the flux, «welding wire-base metal, cooling rate» combination) on mechanical properties of the studied welds on high-strength low-alloyed 12KhN2MDF and 09G2FB steels was analyzed. Derived results are in agreement with the type of microstructure, composition and non-metallic inclusion distribution, features of austenite decomposition in the studied weld metal. It is shown that addition of finely-dispersed refractory inclusions of titanium and zirconium oxides to the weld metal allows achievement of high values of strength (σв = 700 ... 710 MPa) and impact toughness (KCV₋₂₀ = 80...100 J/cm²).
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102785 |
| citation_txt |
Особенности влияния комплексного легирования на формирование структуры и механические свойства сварных швов низколегированных высокопрочных сталей / В.В. Головко, В.А. Костин, Г.М. Григоренко // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 13-20. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT golovkovv osobennostivliâniâkompleksnogolegirovaniânaformirovaniestrukturyimehaničeskiesvoistvasvarnyhšvovnizkolegirovannyhvysokopročnyhstalei AT kostinva osobennostivliâniâkompleksnogolegirovaniânaformirovaniestrukturyimehaničeskiesvoistvasvarnyhšvovnizkolegirovannyhvysokopročnyhstalei AT grigorenkogm osobennostivliâniâkompleksnogolegirovaniânaformirovaniestrukturyimehaničeskiesvoistvasvarnyhšvovnizkolegirovannyhvysokopročnyhstalei AT golovkovv peculiaritiesoftheeffectofcomplexalloyingonformationofstructureandmechanicalpropertiesofweldsinlowalloyhighstrengthsteels AT kostinva peculiaritiesoftheeffectofcomplexalloyingonformationofstructureandmechanicalpropertiesofweldsinlowalloyhighstrengthsteels AT grigorenkogm peculiaritiesoftheeffectofcomplexalloyingonformationofstructureandmechanicalpropertiesofweldsinlowalloyhighstrengthsteels |
| first_indexed |
2025-11-25T14:23:00Z |
| last_indexed |
2025-11-25T14:23:00Z |
| _version_ |
1850516862103715840 |
| fulltext |
УДК 621.791:669.14.018.2/.8-194.2
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ
В. В. ГОЛОВКО, д-р техн. наук, В. А. КОСТИН, канд. техн. наук,
академик НАН Украины Г. М. ГРИГОРЕНКО (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Проанализировано влияние технологических факторов (кислородный потенциал флюса, сочетание сварочная про-
волока – основной металл, скорость охлаждения) на механические свойства исследуемых швов высокопрочных
низколегированных сталей 12ХН2МДФ и 09Г2ФБ. Полученные результаты согласуются с видом микроструктуры,
составом и распределением неметаллических включений, особенностями распада аустенита в металл исследуемых
швов. Показано, что введение в металл швов мелкодисперсных тугоплавких включений оксидов титана и циркония
позволяет достичить высоких показателей прочности (σв = 700…710 МПа) и ударной вязкости (KCV–20 =
= 80…100 Дж/см2).
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, высокопрочные низ-
колегированные стали, керамический флюс, микрострук-
тура, распад аустенита, игольчатый феррит, неметал-
лические включения, механические свойства
Постоянно возрастающие требования к металло-
конструкциям вызывают необходимость освоения
новых марок сталей с повышенным уровнем ме-
ханических свойств. Наряду с низкоуглеродисты-
ми сталями в практике металлургического про-
изводства все шире применяются высокопрочные
низколегированные (ВПНЛ) стали. Система их ле-
гирования предполагает повышенное содержание
элементов, упрочняющих твердый раствор, при
одновременном снижении содержания углерода
[1–3].
Основной задачей при сварке ВПНЛ сталей
является формирование такой микроструктуры
металла шва, которая обеспечивала бы как вы-
сокие механические свойства самого шва, так и
равнопрочное соединение сварного шва и основ-
ного металла. Сочетание высоких показателей
прочности, пластичности и вязкости может быть
достигнуто при образовании в структуре металла
шва высокого содержания низкотемпературных
форм феррита мелкозернистой морфологии —
игольчатого феррита (ИФ) [4, 5].
В металле швов ВПНЛ сталей образуется до-
вольно широкий спектр микроструктур: ИФ, по-
лигональный феррит (ПФ), Видманштеттов фер-
рит (ВФ), феррит с упорядоченной (ФУВ) и не-
упорядоченной второй фазой (ФНУВ), а также
микрофазы (МАК-фаза), которые формируются в
процессе распада аустенита. Оптимальное соче-
тание прочностных и пластических свойств ме-
талла швов низколегированных сталей достига-
ется в результате благоприятного сочетания всего
комплекса ферритно-цементитных структур.
Известно [4, 6], что в этом комплексе структура
ИФ имеет наиболее высокие свойства с точки зре-
ния сопротивления хрупкому разрушению, что
обусловлено ее морфологическими особенностями:
ИФ преимущественно формируется внутри первич-
ных кристаллитов; иглы ИФ имеют длину 2…8 мкм
и толщину 1…2 мкм; отношение их сторон сос-
тавляет 1:3…1:10; между иглами формируются вы-
сокоугловые границы с углом разориентации более
20°; на границах раздела между ферритными зер-
нами наблюдаются микрофазы (карбиды или МАК-
фаза); внутри зерен ИФ формируется высокая плот-
ность дислокаций (ρ = 1012 см–2).
На образование ИФ влияет целый ряд факторов,
а именно: химический состав металла швов, ско-
рость охлаждения в температурном интервале
800…500 °С, содержание кислорода в шве, размер
первичного аустенитного зерна, состав, размер и
распределение неметаллических включений.
Вместе с тем анализ литературных данных по-
казывает, что в ряде случаев не удается добиться
высокой хладостойкости металла швов ВПНЛ ста-
лей, несмотря на наличие в них структуры ИФ
[6, 7]. Согласно их результатам возможно сни-
жение ударной вязкости, несмотря на наличие в
шве большого содержания ИФ (свыше 70 %).
Следует отметить, что такое снижение наблюда-
лось на швах с содержанием углерода
0,12…0,15 %, что, возможно, связано с влиянием
неучтенного структурного фактора.
С точки зрения дальнейшего повышения по-
казателей прочности, пластичности и ударной вяз-
кости металла швов и сварных соединений не-
© В. В. Головко, В. А. Костин, Г. М. Григоренко, 2011
7/2011 13
обходимо формирование в шве бейнитных струк-
тур, предпочтительно нижнего бейнита. Этому
должно способствовать введение в расплав леги-
рующих элементов, образующих карбиды с тем-
пературой плавления выше температуры металла
сварочной ванны в количестве, которое не пре-
вышает их предельную растворимость в аусте-
ните. В наибольшей степени таким условиям от-
вечают такие легирующие элементы, как молиб-
ден, ванадий, ниобий.
Растворенный в аустените ниобий способству-
ет снижению температуры Ac
3
, что вызывает за-
медление диффузионных процессов и способству-
ет формированию структур реечного бейнита и
мартенсита. Карбиды ванадия и молибдена, сос-
редотачиваясь на границе γ→α-превращения, спо-
собствуют измельчению образующихся зерен
феррита.
Цель настоящей работы заключалась в выборе
металлургических (окислительный потенциал
флюса; легирование флюса оксидами тугоплавких
элементов) и технологических (сочетание основ-
ного металла и сварочной проволоки, скорость
охлаждения) факторов, обеспечивающих высокий
уровень механических свойств сварных швов
ВПНЛ сталей.
Исследования предполагали оценку влияния
легирования металла швов молибденом, ванадием
и ниобием на структуру и свойства металла свар-
ных швов.
Для решения поставленной задачи приготови-
ли две серии образцов металла швов. Для леги-
рования металла швов молибденом использовали
сварочные проволоки Св-08Г1НМА и Св-
10ГНМДТА, а с целью введения в сварочную ван-
ну ванадия и ниобия в качестве основного металла
— пластины низколегированной трубной стали
09Г2ФБ.
Химический состав основного металла и сва-
рочных проволок приведен в табл. 1. В табл. 2
показаны результаты определения химического
состава металла швов, полученных при сварке
проволокой Св-08Г1НМА стыковых соединений
стали 12ХН2МДФ (серия ГНМ) и стыковых со-
единений, полученных при сварке проволокой
Св-10ГНМДТА стали 09Г2ФБ (серия ГНМ-ФБ).
Сварку выполняли под тремя эксперименталь-
ными флюсами различного уровня кислородного
потенциала: кислым (флюс № 13, lg aО = –0,83),
нейтральным (№ 9, lg aО = –1,25) и основным
(№ 19, lg aО = –1,70). Кислородный потенциал
флюса рассчитывали по формуле
aО = RTPO
2
(кДж/моль),
где R — универсальная газовая постоянная, рав-
ная 8,31 Дж/(моль⋅К); Т — температура, К; PO
2
—
парциальное давление кислорода над расплавом
шлака.
Шлаковая основа опытных флюсов была пос-
троена на основе Al2O3–MgO–SiO2–CaF2. С целью
Т а б л и ц а 1. Химический состав основного металла и сварочных проволок, мас. %
Сталь/проволока C Mn Si S P Ti Ni Mo Al V Nb Cu
Серия ГНМ
12ХН2МДФ 0,088 0,44 0,253 0,005 0,010 — 2,16 0,27 0,011 0,015 0,005 0,47
Св-08Г1НМА 0,080 1,01 0,050 0,012 0,009 — 1,24 0,25 — — — 0,05
Серия ГНМ-ФБ
09Г2ФБ 0,090 1,70 0,22 0,004 0,008 — <0,01 0,01 0,035 0,06 0,035 0,01
Св-10ГНМДТА 0,010 1,41 0,22 0,009 0,012 0,08 1,10 0,20 — — — 0,45
Т а б л и ц а 2. Химический состав металла исследуемых швов, мас. %
Серия шва C Mn Si S P Cr Ni Mo Al Ti V Nb O
ГНМ13 0,070 0,51 0,382 0,009 0,012 0,18 1,67 0,26 0,010 0,001 0,005 0,002 0,120
ГНМ09 0,063 0,53 0,265 0,009 0,013 0,20 1,52 0,25 0,014 0,001 0,007 0,002 0,522
ГНМ19 0,058 0,58 0,152 0,008 0,013 0,21 1,51 0,25 0,016 0,001 0,009 0,002 0,351
ГНМ13ФБ 0,087 1,38 0,453 0,009 0,016 0,08 0,38 0,10 0,021 0,013 0,023 0,013 0,152
ГНМ09ФБ 0,081 1,45 0,331 0,004 0,015 0,06 0,39 0,11 0,026 0,017 0,027 0,015 0,035
ГНМ19ФБ 0,087 1,59 0,247 0,002 0,015 0,06 0,37 0,12 0,033 0,021 0,040 0,020 0,023
ГНМ-TiO2 0,059 1,40 0,533 0,011 0,015 0,25 0,46 0,53 0,019 0,019 0,040 0,006 0,071
ГНМ-ZrO2 0,052 1,39 0,499 0,010 0,014 0,24 0,46 0,53 0,020 0,026 0,040 0,006 0,078
14 7/2011
изучения возможности управления размерами
ферритных зерен в одной из серий опытов
(ГНМ-TiO2) в шихту флюса вводили оксид титана,
а в другом (ГНМ-ZrO2) — оксид циркония.
В экспериментах использовали следующие ре-
жимы сварки: постоянный ток обратной поляр-
ности Iсв = 700…720 А; Uд = 35…36 В; vсв =
= 6,9…7,0 мм/с.
Влияние технологических факторов (кисло-
родного потенциала флюса, системы сварочная
проволока–основной металл, скорости охлажде-
ния) на механические свойства исследуемых швов
приведено в табл. 3.
Использование сварочной проволоки Св-
08Г1НМА при сварке стали 12ХН2МДФ дает
достаточно низкие показатели предела текучести
(473…500 МПа) и ударной вязкости, особенно
при низких температурах испытаний –20 °С
(16…20 Дж/см2). Уменьшение кислородного по-
тенциала флюса (lg aО: –0,83→–1,25→–1,70) прак-
тически не влияет на эти показатели. Использо-
вание сварочной проволоки Св-10ГНМДТА при
сварке стали 09Г2ФБ, приводящее к легированию
швов ванадием и ниобием, повышает как общий
уровень прочности металла швов (предел теку-
чести 520…545 МПа), так и их ударную вязкость
(13….58 Дж/см2), причем наиболее благоприятно
использование нейтрального флюса с уровнем
кислородного потенциала lg аО = –1,25 (шов серии
ГНМ09ФБ), что позволяет достичь уровня удар-
ной вязкости около 60 Дж/см2 при температуре
испытаний –20 °С. Наилучшим сочетанием проч-
ности и ударной вязкости характеризуются образцы
металла швов, полученных на аналогичной комби-
нации сварочной проволоки и основного металла,
с использованием керамического флюса основного
типа с добавками оксидов титана и циркония (серии
ГНМ-TiO2 и ГНМ-ZrO2), позволившие достигнуть
предела прочности 700…710 МПа и ударной вяз-
кости 80…100 Дж/см2 при температуре испытаний
–20 °С. Результаты оценки влияния скорости ох-
лаждения на особенности распада аустенита в ме-
талле исследуемых швов представлены на рис. 1.
Исследования, проведенные на установке модели-
рования физического состояния сварки Gleeble 3800,
показали, что при низких скоростях охлаждения
(1 °С/с) металла шва в температурном интервале
800…500 °С в швах серии ГНМ-ФБ распад аустенита
происходит в области высоких температур превра-
щения (650…750 °С). С увеличением скорости ох-
лаждения (10 °С/с) область распада аустенита сме-
щается в область температур 570…650 °С. В швах
серий ГНМ-TiO2 и ГНМ-ZrO2 даже при низких ско-
ростях охлаждения (1 °С/с) распад аустенита про-
Т а б л и ц а 3. Механические свойства металла исследуемых швов (среднее значение по трем измерениям)
Серия шва σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, %
KCV, Дж/см2, при T, °С
20 0 –20
ГНМ13 473,45 617,65 21,50 53,25 38,6 24,3 16,5
ГНМ09 491,80 603,20 23,50 62,90 48,2 26,7 20,7
ГНМ19 500,85 620,50 23,25 66,10 48,5 40,4 16,9
ГНМ13ФБ 534,15 667,85 26,20 58,85 54,4 35,8 25,9
ГНМ09ФБ 545,45 681,55 26,15 68,85 176,8 112,6 58,7
ГНМ19ФБ 523,70 688,80 23,85 69,90 45,9 22,6 13,5
ГНМ-TiO2 631,45 712,25 26,50 64,95 125,7 99,5 79,5
ГНМ-ZrO2 627,85 706,75 25,85 64,00 114,5 109,9 102,8
Рис. 1. Влияние скорости охлаждения 1 (а) и 10 (б) °С/с на характер распада аустенита в исследуемых швах: 1 — ГНМ09ФБ;
2 — ГНМ19ФБ; 3 — ГНМ13ФБ; 4 — ГНМ-ZrO2; 5 — ГНМ-TiO2
7/2011 15
исходит в области 550…650 °С (рис. 1), т. е. в
области промежуточного превращения.
Для объяснения полученных результатов про-
вели исследования структуры и фазового состава
металла швов. Количество структурных состав-
ляющих в металле швов приведено в табл. 4.
Микроструктуры сварных швов исследуемых
образцов приведены на рис. 2. Микроструктуры
швов серии ГНМ (рис. 2, а, б) вне зависимости
от уровня кислородного потенциала в основном
состоят из грубоигольчатых ферритных образо-
ваний и протяженных выделений ПФ вдоль гра-
ниц первичных кристаллитов.
Микроструктура швов, легированных молиб-
деном, ванадием и ниобием, полученная под кис-
лым флюсом ГНМ13ФБ (рис. 2, в), состоит из
большого количества (до 72 %) классического
ИФ при умеренном содержании ПФ и полиэд-
рического феррита (ПЭФ). Шов, выполненный
под нейтральным флюсом ГНМ09ФБ, имеет на-
ибольшее количество ИФ (80 %) в металле шва
и наименьшее соответственно ПФ. Микрострук-
тура серии шва ГНМ19ФБ (табл. 4) состоит из
разнообразных структурных составляющих: ИФ,
ПЭФ, ПФ, пластинчатого феррита (ФПл), верх-
него (БВ) и нижнего (БН) бейнита, причем доля
ИФ оказывается незначительной (до 20 %).
Микроструктуры швов серий ГНМ-TiO2 и
ГНМ-ZrO2 состоят почти полностью из мелко-
дисперсного ИФ, наблюдается минимальное ко-
личество ПФ (рис. 2, д, е, табл. 4).
В связи с тем, что на структуру швов большое
влияние оказывают неметаллические
включения, проведен анализ состава
(табл. 5, рис. 3), объемной доли (табл.
5) и распределения неметаллических
включений по размерам (рис. 3), кото-
рый показал, что с увеличением окис-
лительного потенциала используемого
флюса объемная доля неметаллических
включений в металле швов возрастает
(табл. 5), а размер включений умень-
шается до 0,3…0,5 мкм (рис. 3, в, г).
Анализ результатов механических
испытаний металла исследуемых швов
показал нецелесообразность использо-
вания при сварке стали 12ХН2МДФ сва-
рочной проволоки Св-08Г1НМА, так
как вне зависимости от уровня кисло-
родного потенциала флюса достигаются
довольно низкие показатели предела те-
кучести (473…500 МПа) и ударной вяз-
кости, особенно при низких температу-
рах испытаний –20 °С (16…20 Дж/см2).
Анализ проведенных металлографичес-
ких исследований показал, что в первую
очередь это связано с формированием
грубоигольчатого феррита и большого
количества ПФ вдоль границ первичных
кристаллитов (см. рис. 2, а, б). Это обус-
ловлено значительным содержанием в
металле швов данной серии (ГНМ, см.
табл. 2) никеля (1,5…1,6 %), молибдена
(0,25…0,26 %), при незначительном со-
держании титана (0,001 %), ванадия
(0,005…0,009 %) и ниобия (0,002 %).
Таким образом, металл исследуемых
швов оказался «перелегирован» нике-
лем и молибденом. Отрицательное вли-
яние оказали и формирующиеся круп-
ные (свыше 1,5 мкм) неметаллические
включения.
Более благоприятным является соче-
тание стали 09Г2ФБ и проволоки Св-
Рис. 2. Микроструктуры (×200) в центре шва образца: а — ГНМ13; б —
ГНМ9; в — ГНМ13ФБ; г — ГНМ19ФБ; д — ГНМ-TiO2; е — ГНМ-ZrO2
Т а б л и ц а 4. Количество структурных составляющих в исследуемых
швах, %
Серия шва ИФ ПЭФ ПФ ФПл БН БВ Размер аустенитного
зерна, мкм
ГНМ13ФБ 72 17 11 — — — 400
ГНМ09ФБ 80 9 11 — — — 350
ГНМ19ФБ 20 18 10 7 6 24 300
ГНМ-TiO2 95 3 2 — — — 50
ГНМ-ZrO2 97 1 2 — — — 50
16 7/2011
10ГНМДТА. Использование при сварке стали
09Г2ФБ сварочной проволоки Св-10ГНМДТА
приводит к тому, что уровень содержания никеля
(0,37…0,39 %) и молибдена (~0,1 %) в металле
швов оказывается значительно ниже, чем в пре-
дыдущей комбинации материалов (см. табл. 2).
К тому же увеличивается легирование металла
швов титаном (0,01…0,02 %), ванадием
(0,02…0,04 %) и ниобием (0,01…0,02 %), в ре-
зультате чего повышается как общий уровень
прочности металла швов (предел текучести
520…545 МПа), так и их ударной вязкости
(13…58 Дж/см2). Наилучшие показатели механи-
ческих свойств достигнуты при использовании
нейтрального флюса (lg аО = –1,25, серия шва
ГНМ09ФБ), который позволил достичь уровня
около 60 Дж/см2 при температуре испытаний –
20 °С.
Полученные результаты нашли свое объясне-
ние в ходе анализа микроструктуры металла швов
серии ГНМ-ФБ.
Анализ структурного состояния исследуемых
швов показал, что высокая засоренность шва
ГНМ13ФБ (кислый флюс) неметаллическими
включениями размером свыше 1 мкм способству-
ет формированию сплошных выделений оторочек
ПФ по границам зерен.
Микроструктура шва серии ГНМ09ФБ состоит
из мелкодисперсного ИФ (~80 %) и незначитель-
ного количества ПФ, что и обеспечивает высокие
механические свойства шва. Оптимальное содер-
жание дисперсных карбидов титана (6,86 %) и
мелких включений оксидного типа (9,68 %,
табл. 5) в микроструктуре позволило обеспечить
в металле шва серии ГНМ09ФБ, полученного при
сварке под нейтральным флюсом, благоприятное
сочетание показателей прочности, пластичности
и вязкости (см. табл. 3). При этом лидирующую
роль в упрочнении ферритной матрицы стало играть
не дисперсионное, а зернограничное упрочнение,
отличительной особенностью которого является по-
ложительное влияние на повышение как показателей
прочности, так и вязкости металла.
В формировании механических свойств метал-
ла в структуре шва серии ГНМ19ФБ оказался
слишком велик вклад дисперсионного упрочне-
ния, что вызвано высоким содержанием мелко-
дисперсных (< 0,3 мкм, табл. 5) включений в
структуре швов. Рентгеноспектральный анализ
этих включений показал, что в них содержится
Рис. 3. Характер распределения неметаллических включений по составу (а, б) и размерам (в, г) в образцах ГНМ-TiO2 (а, в) и
ГНМ09ФБ (б, г)
7/2011 17
значительное количество карбидов хрома и кар-
бонитридов титана, которые способствуют фор-
мированию пластинчатых форм феррита, а также
ВБ, характеризующихся повышенной твердостью.
Снижение температуры конца бейнитного
превращения, формирование бескарбидного бей-
нита, сочетание содержания оксидных неметал-
лических включений размером до 1,0 мкм и дис-
персных карбидов размером до 0,3 мкм, которое
обеспечивалось соответствующим уровнем кис-
лородного потенциала флюса № 9 (lg aО = –1,25),
способствовали образованию в металле шва
ГНМ09ФБ большого количества ИФ. В результате
повысился уровень ударной вязкости металла
швов во всем температурном интервале испыта-
ний (см. табл. 3).
Анализ механических свойств швов серии
ГНМ-ФБ показал, что хотя уровень прочности и
пластичности несколько возрос (см. табл. 3) по
сравнению со швами серии ГНМ, значения по-
казателей ударной вязкости все еще остаются на
довольно низком уровне, особенно в области от-
рицательных температур. Все это заставило ис-
кать новые комбинации составов сварочных про-
волок и типов сварочных флюсов с целью од-
новременного обеспечения высоких показателей
прочности, пластичности и ударной вязкости пу-
тем перераспределения легирующих элементов
(никеля, молибдена, титана, ванадия и ниобия)
между основным металлом, сварочной
проволокой и флюсом.
В связи с этим на той же системе ос-
новной металл — сварочная проволока
выполнили еще два шва. Исходя из ана-
лиза агломерированных флюсов, применя-
емых в настоящее время на трубосвароч-
ных заводах в странах Европейского Со-
юза, Российской Федерации и Украины,
для их сварки использовали опытный
флюс алюминатно-основного типа
((CaO+MgO) %, (Al2О3 + MnО)%, SiO2 %,
CaF2 %). В одном из вариантов в шихту
флюса дополнительно вводили оксид ти-
тана (шов серии ГНМ-TiO2), в другом — оксид
циркония (шов серии ГНМ-ZrO2) с целью изу-
чения возможности повышения механических
свойств швов за счет управления кинетикой роста
ферритных зерен.
Анализ механических свойств швов с добав-
ками оксидов титана и циркония (см. табл. 3),
показал, что введение в сварочную ванну тугоп-
лавких оксидов TiO2 и ZrO2 позволило повысить
предел прочности до 700…710 МПа и ударной
вязкости до 80…102 Дж/см2 при температуре ис-
пытаний –20 °С.
Полученные результаты нашли свое объясне-
ние при исследовании их микроструктуры. Ана-
лиз структурного состояния швов серии ГНМ-
TiO2 и ГНМ-ZrO2 показал, что в швах образуется
почти полностью (95 %) структура ИФ (см.
табл. 4 и рис. 2, д, е).
Изменение температур фазовых превращений
в процессе распада аустенита в швах ГНМ-TiO2
и ГНМ-ZrO2 по сравнению со швами серии ГНМ-
ФБ сказалось на принципиальном отличии в типе
ИФ, образующегося в этих швах (рис. 4).
ИФ, образующийся в шве серии ГНМ-TiO2 зна-
чительно мельче (до 1 мкм), чем в шве серии
ГНМ19ФБ (5…10 мкм), иглы расположены более
хаотично. Очевидно, это связано с влиянием как
первичных оксидов титана и циркония, так и с
возможностью зарождения ферритных игл на вто-
Т а б л и ц а 5. Химический состав, общая доля неметаллических
включений Vн.в, доля мелкодисперсных включений (V<0,3) в метал-
ле исследуемых швов
Серия шва
Содержание элементов во включениях, мас. % Vн.в,
%
V<0,3,
%O Al Si S Ti Mn
ГНМ13ФБ 25,05 5,27 15,56 1,86 3,57 48,69 0,86 11,40
ГНМ09ФБ 38,74 24,09 3,17 1,07 6,86 26,07 0,21 9,68
ГНМ19ФБ 43,81 29,39 1,08 0,79 5,82 19,12 0,10 21,56
ГНМ-TiO2 28,44 6,62 13,56 3,34 5,47 42,56 0,33 80,34
ГНМ-ZrO2 35,05 6,61 8,15 1,83 13,05 35,3 0,47 85,72
Рис. 4. Сравнение морфологии ИФ (×2000) в швах серий ГНМ19ФБ (а) и ГНМ-TiO2 (б) (цифры — участки микроанализа)
18 7/2011
ричных, выделившихся из расплава, оксидах.
МАК-фаза, образующаяся между игл, мельче,
имеет сглаженную форму (без острых углов) и
равномернее распределена. Анализ содержания
легирующих элементов показал, что в ферритных
иглах меньше содержание марганца и кремния
и выше титана и углерода.
Дополнительное введение в шихту флюса ок-
сидов титана TiO2 и циркония ZrO2 приводит к
значительному увеличению количества неметалли-
ческих включений размером менее 1 мкм по срав-
нению со швами серии ГНМ-ФБ (рис. 5, б, в и
табл. 5), способствующих образованию ИФ [8].
Анализ влияния комплексного легирования
металла швов на кинетику распада аустенита (см.
рис. 1) показал существенное отличие, которое
оказывают мелкодисперсные включения оксидов
титана и циркония на этот процесс. Очень пологая
часть кривой распада аустенита в температурном
интервале 750…650 °С свидетельствует, что в
этих швах распад аустенита в области диффузион-
ного ферритного превращения практически не
происходит, тогда как основная часть распада
происходит при температурах 600…500 °С, т. е.
в области низкотемпературного бейнитного (про-
межуточного) превращения.
Повышение скорости охлаждения в темпера-
турном интервале 800…500 °С от 1 до 10 °С/с,
сдвигает температуру распада аустенита в область
более низких температур, нивелируя различия в ха-
рактере распада для всех исследуемых швов (см.
рис. 1).
Комплексное легирование металла швов эле-
ментами, стабилизирующими аустенитную фазу
(марганец, никель, молибден), а также ванадием
и титаном, которые образуют нестойкие при вы-
соких температурах карбиды, приводит к обра-
зованию крупных (300…400 мкм) первичных зе-
рен аустенита и формированию вторичной струк-
туры с повышенным содержанием хрупких струк-
турных составляющих. Введение в металл швов
микродисперсных тугоплавких включений окси-
дов титана и циркония позволило значительно
снизить размер первичного аустенитного зерна
(до 50 мкм) и сдвинуть область превращения в
зону низких температур, что способствует фор-
мированию ИФ (до 95…97 %). В этом случае ме-
талл сварных швов обеспечивает оптимальное со-
четание показателей прочности, пластичности и
вязкости до уровня, соответствующего требова-
ниям, предъявляемым к металлу швов категории
прочности К65 (σ0,2 > 570 МПа, σв > 620…700
МПа, KCV–20 > 98 Дж/см2 — технические тре-
бования Харцызского трубного завода) и выше.
Таким образом, для обеспечения сочетания вы-
соких показателей прочности, пластичности и
ударной вязкости вторичная микроструктура ме-
талла сварных швов исследованной системы ле-
гирования должна формироваться в низкотем-
пературной области бейнитных превращений и
содержать более 50 % структурных составляющих
с повышенной вязкостью (бескарбидный бейнит,
ИФ). Размер ферритных зерен такой структуры
не должен превышать 100 мкм (оптимально до
50 мкм). Добиваться формирования мелкозернис-
той структуры необходимо путем введения в ме-
талл шва ниобия и ванадия и образования их
карбидов. Комплексное легирование сварного шва
(никелем, молибденом, титаном, ванадием и ни-
обием) ограничивается требованием, в соответс-
твии с которым твердорастворное упрочнение
структуры должно быть ниже зернограничного и
дисперсионного упрочнения. Параметры свароч-
ных материалов должны обеспечить образование
в металле швов мелкодисперсных неметалли-
ческих включений и карбидов (карбонитридов)
легирующих элементов (титана, ванадия, мо-
либдена).
Выводы
1. Исследования подтвердили преимущества ис-
пользования агломерированных (керамических)
флюсов при сварке ВПНЛ сталей. Для повышения
механических свойств металла сварных швов
ВПНЛ сталей следует использовать керамические
флюсы алюминатно-основного типа, что позволит
одновременно поднять прочность, пластичность
и ударную вязкость металла швов.
2. Нецелесообразно использовать при сварке ста-
ли 12ХН2МДФ сварочную проволоку Св-
08Г1НМА, так как вне зависимости от уровня кис-
лородного потенциала флюса достигаются довольно
Рис. 5. Микроструктуры (×1000) неметаллических включений в исследуемых швах серий ГНМ13ФБ (а), ГНМ-TiO2 (б),
ГНМ-ZrO2 (в)
7/2011 19
низкие показатели прочности (σв = 473…500 МПа)
и ударной вязкости (KCV–20 = 16…20 Дж/см2).
3. Для получения высоких механических
свойств при сварке стали 09Г2ФБ сварочной про-
волокой Св-10ГНМДТА целесообразно использо-
вать нейтральный флюс с уровнем кислородного
потенциала lg aО = –1,25. В результате комплек-
сного легирования металла шва достигаются вы-
сокие показатели прочности (σв = 680 МПа) и
ударной вязкости (KCV–20 = 58 Дж/см2).
4. Кислородный потенциал и комплексная ле-
гирующая способность сварочных материалов
должны быть выбраны таким образом, чтобы
обеспечить в металле швов образование неметал-
лических включений, состоящих преимуществен-
но из дисперсных оксидов (размером до 1,5 мкм)
и мелкодисперсных карбидов и карбонитридов
(размером до 0,3 мкм). Состав и объемная доля
оксидной фазы определяют условия формирова-
ния структуры ИФ, карбиды и карбонитриды кон-
тролируют образование бейнитных структур.
5. Введение в металл швов мелкодисперсных
тугоплавких включений оксидов титана и цир-
кония позволяет значительно снизить размер пер-
вичного аустенитного зерна (до 50 мкм) и сдви-
нуть область превращения в область низких тем-
ператур, способствуя формированию полностью
игольчатой структуры (до 95…97 %). В резуль-
тате комплексного легирования металла шва и
введения в шов оксидов титана и циркония дос-
тигаются высокие показатели прочности (σв =
= 700…710 МПа) и ударной вязкости (KCV–20 =
= 80…100 Дж/см2).
1. Гольдштейн М. И., Фарбер В. М. Дисперсионное упроч-
нение стали. — М.: Металлургия, 1979. — 208 с.
2. Роль ванадия в микролегированных сталях / Р. Лагне-
борг, Т. Сивецки, С. Заяц, Б. Хатчитсон. — Екатерин-
бург: Изд. центр «Мария», 2001. — 107 с.
3. Ниобийсодержащие низколегированные стали / Ф. Хай-
стерками, К. Хулка, Ю. И. Матросов и др. — М.: Интер-
мет Инжиниринг, 1999. — 94 с.
4. Влияние кислорода на образование структуры игольчато-
го феррита в низколегированном металле сварных швов
(Обзор) / И. К. Походня, В. В. Головко, А. В. Денисенко,
В. Ф. Грабин // Автомат. сварка. — 1999. — № 2. —
С. 2–10.
5. Ito G., Nakanishi M. Study on charpy impact properties of
weld metals with submerged are welding. — (Intern. Inst. of
Welding; Doc. XI-A-113–75).
6. Svensson L.-E., Gretoft B. Microstructure and impact tough-
ness of C–Mn weld metals // Welding Res. Supp. — 1990.
— Dec. — P. 454–461.
7. Evans G. M. The effect of carbon on the microstructure and
properties of C–Mn all-weld-metal deposits. — (Intern. Inst.
of Welding; Doc. II-A-546–81).
8. Cole W., Colvin P. Submerged arc welding of higher tensile
steels // Metal Constr. and British Welding J. — 1971. — 3.
— P. 131–135.
Influence of technological factors (oxygen potential of the flux, «welding wire-base metal, cooling rate» combination)
on mechanical properties of the studied welds on high-strength low-alloyed 12KhN2MDF and 09G2FB steels was analyzed.
Derived results are in agreement with the type of microstructure, composition and non-metallic inclusion distribution, features
of austenite decomposition in the studied weld metal. It is shown that addition of finely-dispersed refractory inclusions of
titanium and zirconium oxides to the weld metal allows achievement of high values of strength (σв = 700 ... 710 MPa) and
impact toughness (KCV–20 = 80...100 J/cm2).
Поступила в редакцию 11.03.2011
XII МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
«ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА XXI СТОЛЕТИЯ»
12–16 сентября 2011 Крым, Украина,
пгт Николаевка, панс. «Энергетик»
Организаторы: Институт восстановительной энергетики НАН Украины, МНТЦ ветроэнергетики
НАН Украины
Тематика конференции: комплексные системы ВДЭ, ветроэнергетика, солнечная энергетика,
энергия биомассы, гидроэнергетика, геотермальная энергетика, водо-
родная энергетика, энергия окружающей среды, интеллектуальные се-
ти, энергетические парки
Контактный адрес: nilolaevka2010@gmail.com
20 7/2011
|