Full Text

Введение Одним из эффективных путей повышения эксплуатационных характеристик изделия является возможность изменения структуры и свойств материала изделия путем модифицирования поверхностного слоя энергией плазменной струи, дуги или электронного луча. В многочисленных публикациях, посвященных различным аспектам применения высококонцентрированного излучения для решения технологических и материаловедческих задач, остаются невыясненными многие вопросы, относящиеся к природе взаимодействия излучения с металлическими материалами и процессам в зоне обработки. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, связанные с изучением морфологии неметаллических включений (НВ), находящихся в рабочем поверхностном слое. Влияние неметаллических включений на свойства металла чаще всего негативное: снижаются вязкопластические свойства, появляется склонность к хладноломкости, старениию. Исключение составляют мелкодисперсные включения карбонитридных фаз, действие которых заключается в модифицировании структуры и повышении комплекса специальных свойств. Устранить отрицательное и усилить положительное влияние неметаллических включений с помощью варьирования технологических параметров плазменной и дуговой обработки - это путь повышения работоспособности и долговечности изделия. Современное решение вопроса по назначению технологических процессов плазменного упрочнения поверхностного слоя изделия связано с получением требуемой структуры зоны обработки на заданном участке за счет регулирования скоростей нагрева и охлаждения изделия, времени пребывания его при высоких температурах. Технологические возможности плазменной обработки позволяют использовать этот процесс в качестве заключительной операции без последующей механической обработки. Однако выбор технологических параметров плазменного излучения для получения требуемых свойств поверхностного слоя изделия связывают только с получением соответствующих структур в зоне плазменного воздействия (ЗПВ). При этом практически не исследуется состояние неметаллических включений до и после обработки, а также перераспределение легирующих элементов по ЗПВ. Также существует необходимость оценить уровень напряжений вблизи неметаллического включения, который возникает в металлической матрице при деформации [1-12]. Большинство разупрочняющих оксидных включений в ЗПВ в низколегированной стали 16Г2АФ относятся к системе FexMn1-xO-SiO2-Al2O3. Кроме того, часто встречаются включения сульфидов и оксисульфидов. Для характеристики включений руководствовались идентификационными признаками - такими, как форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость, микротвердость, взаимодействие с определенными химическими реактивами и др. [1-3]. К группе модифицирующих включений относятся карбиды, нитриды, оксикарбонитриды. Образование нитридов зависит от соотношения азота, растворенного в жидкой сварочной ванне, и нитридообразующего элемента (ванадия), попадающего в шов в результате плавления основного материала. Размер включений нитрида ванадия, определенный при моделировании кинетики роста включения, не превышает 0,3-0,5 мкм, что согласуется с выводами работы [13], в которой приводится значение 0,2 мкм, и с результатами металлографических исследований наиболее крупных из нитридов. Карбидные включения имеют более крупный размер - 0,5-3 мкм. Технологии обработки и материалы исследования Плазменная обработка стали производилась на установке, схема которой показана на рис. 1. Рис. 1. Плазменная установка: 1 - источник питания; 2 - плазмотрон; 3 - изделие; 4 - сварочный манипулятор; 5 - баллон с аргоном; 6 - коллектор газовый; 7 - вентиль газовый; 8 - ротаметр газовый; 9 - вентиль водяной; 10, 12 - термометр ртутный; 11 - коллектор водяной; 13 - ротаметр водяной; 14 - слив; 15 - амперметр Варьировались следующие параметры режима: 1) сила тока (100; 150; 200; 240 А); 2) напряжение (18; 20; 22; 24 В); 3) защитный газ (СО2 и N2); 4) полярность (прямая и обратная); 5) скорость перемещения плазмотрона не изменялась - 20 см/мин. Плазменной обработке подвергали низколегированную сталь 16Г2АФ, химический состав которой приведен ниже. Химический состав 16Г2АФ, мас. % (ГОСТ 19281-89) С Si Mn Ni S P Cr V N Cu As 0,14-0,2 0,3-0,6 1,3-1,7 до 0,3 до 0,04 до 0,035 до 0,4 0,08-0,14 0,015-0,025 до 0,3 до 0,08 Количественный анализ уровня загрязненности неметаллическими включениями зоны оплавления и зоны плазменного воздействия Количественный металлографический анализ проводили на автоматизированном комплексе анализа изображений и моделирования структур «Видеотест-металл». Количественный состав неметаллических включений определялся отношением темных участков (пятен), создаваемых ими на нетравленом шлифе, к общей площади зоны плазменного воздействия, поле зрения составляло 0,765 мм2. В табл. 1, 2 приведены режимы плазменной обработки всех серий эксперимента. Таблица 1 Обозначения серий образцов при плазменной обработке стали 16Г2АФ Номер серии швов Защитный газ Полярность Серия 1 (шов 1) Углекислый (СО2) Прямая Серия 2 (шов 2) Углекислый СО2) Обратная Серия 3 (шов 3) Азот (N2) Прямая Серия 4 (шов 4) Азот (N2) Обратная В каждой серии испытывалось в среднем по восемь образцов. Зона плазменного воздействия включает в себя зону оплавления (ЗО) и зону перегрева (ЗП). Металл в зоне оплавления перегревается свыше температуры плавления под действием плазменного источника нагрева и кристаллизуется с образованием литой структуры. Металл в зоне перегрева не переходит в жидкое состояние, однако перегревается до высоких температур, что приводит к усилению фазообразования и форсированию структурных превращений. Таблица 2 Параметры режима плазменной обработки стали 16Г2АФ Номер образца Защитный газ Углекислый (СО2) Азот (N2) Прямая полярность Обратная полярность Прямая полярность Обратная полярность Сила тока I, A Напряжение U, В Сила тока I, A Напряжение U, В Сила тока I, A Напряжение U, В Сила тока I, A Напряжение U, В 1 100 18 100 18 100 18 100 18 2 100 18 100 18 150 20 150 20 3 150 20 150 20 200 22 200 22 4 150 20 150 20 200 22 240 24 5 200 22 200 22 240 24 240 24 6 200 22 200 22 240 24 - - 7 240 24 240 24 240 24 - - 8 240 24 240 24 - - - - На рис. 2-4 показаны наиболее характерные результаты количественного металлографического анализа включений для зоны оплавления и зоны перегрева при плазменном воздействии - распределение включений по размерным группам (ГОСТ 1778). В табл. 3-6 сведены данные об объемной доле включений в этих зонах на единицу площади в зависимости от погонной энергии. Из рисунков и таблиц видно, что наибольшее количество включений сосредоточено в зоне плазменного воздействия, там же формируются более крупные НВ (рис. 2). Объемная доля включений в металле шва № 1 (защитный газ СО2, прямая полярность) на единицу площади меньше, чем в зоне перегрева. Количество включений в ЗП значительно выше, чем в ЗО. Эта разница увеличивается с ростом погонной энергии, как видно из табл. 3. Зона оплавления Зона перегрева Рис. 2. Распределение включений по группам в зонах оплавления и перегрева. Образец № 1 (100 А), шов 1 (СО2, прямая полярность), ´500 Рис. 3 и анализ сводных данных табл. 4 по шву № 2 (защитный газ СО2, обратная полярность) показывают, что при смене полярности при плазменной обработке тенденция миграции неметаллических включений от центра ванны сохраняется. Однако во всех случаях наблюдается увеличение объемной доли включений в поле зрения по сравнению образцами, выполненными на прямой полярности. Это может происходит по причине того, что тепловой поток на единицу площади меньше, т.е. каждое НВ медленнее совершает переход из твердой фазы в газожидкостную. С ростом погонной энергии эта разница становится менее заметна, так как НВ будут получать достаточное количествово теплоты для мгновенного трансформирования и перераспределения. Форма включений здесь, так же как и в шве № 1, преимущественно глобулярная. Таблица 3 Объемная доля включений в зоне плазменного воздействия на единицу площади и количество включений. Шов № 1 (защитный газ CO2, прямая полярность) Зоны плазменного воздействия Сила тока, А 100 100 150 150 200 200 240 240 Доля включений, об. % (количество включений*, шт.) ЗО 0,41 (43) 0,49 (47) 0,27 (46) 0,35 (44) 0,28 (82) 0,15 (41) 0,31 (57) 0,27 (44) ЗП 0,64 (53) 0,70 (56) 0,40 (66) 0,90 (87) 0,44 (81) 0,33 (37) 0,38 (71) 0,61 (80) Разница**, % 36 30 32,5 62 37 55 19 56 * Количество включений в поле зрения, площадь поля, 0,765 мм2; доля включений на единицу площади. ** Разница (%) = Количество включений в ЗП - Количество включений в ЗО. Зона оплавления Зона перегрева Рис. 3. Распределение включений по размерным группам в зонах оплавления и перегрева. Образец № 8 (240 А), шов № 2 (СО2, обратная полярность), ´500 Таблица 4 Объемная доля включений в зоне плазменного воздействия на единицу площади и количество включений. Сварной шов № 2 (защитный газ CO2, полярность обратная) Зоны плазменного воздействия Сила тока, А 100 100 150 150 200 200 240 240 Доля включений, об. % (количество включений, шт.) Сварной шов 0,49 (84) 0,55 (92) 0,43 (49) 0,69 (103) 0,39 (37) 0,38 (47) 0,47 (50) 0,50 (48) ЗТВ 0,89 (95) 1,32 (109) 0,49 (53) 0,94 (122) 0,70 (88) 0,56 (58) 0,36 (62) 0,48 (80) Разница, % 45 59 13 27 45 33 30 104 В сварном шве № 3 (защитный газ N2, прямая полярность) наблюдается меньшее количество включений, чем в зоне перегрева (табл. 5). В зоне термического воздействия, как и в швах № 1 и № 2, зафиксирован рост среднего размера НВ по сравнению с зоной расплавления. Также в сварном шве зарегистрировано увеличение доли остроугольных включений сложной формы, предположительно нитридов и карбонитридов (рис. 4). Таблица 5 Объемная доля включений в зоне плазменного воздействия на единицу площади и количество включений. Шов № 3 (защитный газ N2, полярность прямая) Зоны плазменного воздействия Сила тока, А 100 100 150 150 200 200 240 Доля включений, об. % (количество включений, шт.) Сварной шов 0,32 (52) 0,39 (63) 0,40 (35) 0,29 (46) 0,31 (40) 0,34 (30) 0,21 (35) ЗТВ 0,70 (85) 0,85 (94) 0,59 (74) 0,74 (88) 0,35 (63) 0,30 (49) 0,45 (90) Разница, % 55 55 33 61 12 13 54 Зона оплавления Зона перегрева Рис. 4. Распределение включений по размерным группам в зонах расплавления и перегрева. Образец № 4 (150 А), шов № 3 (N2, прямая полярность), ´500 В сварном шве № 4 (защитный газ N2, обратная полярность) результаты аналогичны шву № 2, при смене полярности зафиксировано увеличение объемной доли включений в зоне плазменного воздействия (рис. 5, табл. 6). Но общая закономерность сохраняется: в зоне расплавления при плазменной обработке включений зарегистрировано Таблица 6 Объемная доля включений в зоне плазменного воздействия на единицу площади и количество включений. Шов № 4 (защитный газ N2, обратная полярность) Зоны плазменного воздействия Сила тока, А 100 100 150 150 200 Доля включений, об. % (количество включений, шт.) Сварной шов 0,56 (89) 0,63 (97) 0,36 (46) 0,48 (55) - ЗТВ 0,97 (115) 1,08 (130) 0,66 (86) 0,86 (96) 0,36 (41) Разница, % 43 42 46 45 - меньше, чем в зоне перегрева. Средний размер включений увеличивается по мере удаления от центра ванны. Растет доля остроугольных включений сложной формы. Зона оплавления Зона перегрева Рис. 5. Распределение включений по размерным группам в зонах расплавления и перегрева. Образец № 3 (150 А), шов № 4 (N2, обратная полярность), ´500 Исследование фазообразования неметаллических включений в зоне плазменной обработки на стали 16Г2АФ методом фрактальной параметризации В данной работе мы применили фрактальный подход к анализу структурных особенностей при фазообразовании неметаллических включений в зоне плазменной обработки на стали 16Г2АФ для прогнозирования влияния плазменной дуги на их образование, трансформацию и перераспределение. Более подробно фрактальный подход описан в работах [14, 15] для структур металла сварных швов, пористых сред, поверхностей излома и др. Суть фрактального подхода к анализу структурообразования заключается в обработке масштабированием фрактальной структуры и описании распределения какой-либо структурной характеристики, или меры P(Li), при этом масштабировании. Геометрическим носителем при масштабировании является сетка с квадратными ячейками различного размера Li. Для данного обьекта предложено в качестве меры принять плотность распределения неметаллических включений (темной фазы на нетравленом шлифе) на условной прямоугольной сетке, покрывающей поле шлифа. Для исследования фазообразования при плазменной обработке реализовывали клеточный вариант фрактального алгоритма с помощью программных средств MathCAD, MATLAB. На рис. 6 показаны наиболее характерные результаты фрактального анализа зоны плазменного воздействия при использовании азота в качестве защитного газа, а на рис. 7 - то же для углекислого газа. а б Рис. 6. Результаты фрактального анализа неметаллических включений зоны оплавления (а) и зоны перегрева (б) при плазменной обработке стали 16Г2АФ: вверху - равномерное распределение включений по полю шлифа (бинарное изображение, плазмообразующий газ N2); внизу - реализация фрактального анализа и определение фрактальной размерности (´550) а б Рис. 7. Результаты фрактального анализа неметаллических включений зоны оплавления (а) и зоны перегрева (б) при плазменной обработке стали 16Г2АФ: вверху - неравномерное распределение включений по полю шлифа (бинарное изображение включений в ЗО, плазмообразующий газ - СО2); внизу - реализация фрактального анализа и определение фрактальной размерности (´550) На фрагментах а - бинарное изображение включений в соответствующих зонах плазменного воздействия: в ЗО - зоне оплавления и ЗП - зоне перегрева по двум полям зрения; на фрагментах б - реализация фрактального анализа и определение фрактальной размерности по угловому коэффициенту наклона прямой lnP-lnL при обработке методом наименьших квадратов. В табл. 7 приведены обобщающие результаты взаимосвязи характера распределения и формы включений и фрактальной размерности. Таблица 7 Обобщающие результаты взаимосвязи характера распределения и формы включений и фрактальной размерности при плазменной обработке стали Зона плазменного воздействия Плазмообразующий газ N2 Плазмообразующий газ CO2 Характер распределения включений, форма Количество включений, шт. в поле зрения Фрактальная размерность Df Характер распределения включений, форма Количество включений, шт. в поле зрения Фрактальная размерность Df Зона оплавления Округлые равномерно распределенные 40-50 0,63-0,65 Граненые неравномерно распределенные 35-42 0,40-0,49 Зона перегрева (1) Округлые равномерно распределенные 60-80 1,10-1,20 Округлые и граненые равномерно распределенные 100-170 0,65-0,68 Зона перегрева (2) Округлые равномерно распределенные 90-100 0,80-0,85 Округлые и граненые равномерно распределенные 70-80 0,64-0,69 Таким образом, получены дополнительные результаты, свидетельствующие о характере распределения и форме включений при плазменной обработке стали по критерию фрактальной размерности. Использование азота в качестве защитного газа при плазменной обработке стали приводит к образованию структуры с равномерным распределением неметаллических включений, при этом значение фрактальной размерности распределения неметаллических включений на всех исследованных полях зрения меняется от минимального 0,67 в зоне оплавления до максимального 1,12 в зоне перегрева. Наплавки, полученные с использованием углекислого газа в качестве защитного, имеют структуру с фрактальной размерностью включений на 20 % меньше в каждой сравнимой зоне (минимальное значение 0,45 в зоне оплавления, максимальное - 0,70 в зоне термовлияния), что говорит о менее равномерном распределении включений. Зоны оплавления для всех образцов характеризуются малым значением фрактальной размерности, независимо от типа защитного газа. При плазменной обработке стали с использованием СО2 основными неметаллическими включениями являются комплексные оксисульфиды, химический состав, форма и размеры которых идентичны включениям, образующимся при дуговой сварке. Однако характер распределения в этом случае иной. В зоне оплавления наблюдается сравнительно чистая область с фрактальной размерностью включений 0,45-0,49. В зоне термовлияния включения расположены равномерно, общее содержание их выше и фрактальная размерность находится в пределах 0,65-0,70. Влияние неметаллических включений на развитие деформации образцов Модель распределения напряжений в металлической матрице с включениями разрабатывали в программе COMSOL Multiphysic. При моделировании в качестве металла шва использовалась низколегированная сталь, в качестве включений - несжимаемая твердая и прочная материя. Такие параметры соответствуют реальным физическим свойствам основного материала и включений, например, значение модуля упругости SiO2, Al2O3 и других оксидов на несколько порядков превосходит его значения для металлов. Внешняя распределенная нагрузка составляла 1000 Н/м2. Правая шкала - напряжение внутри шва, левая - общая деформация (рис. 8). Из рис. 8 следует, что неметаллические включения размером более 10 мкм могут являться серьезными концентраторами напряжений: уровень напряжений вблизи включения может превышать предел текучести стали и даже достигать предела прочности. Модельные результаты согласуются с выводами, полученными ранее в работе [7]. Рис. 8. Модель распределения напряжений в металлической матрице с неметаллическими включениями Заключение Зафиксировано существенное различие между объемной долей неметаллических включений в зоне оплавления и зоне перегрева при плазменной обработке стали 16Г2АФ. В 100 % исследованных образцов в зоне перегрева суммарное количество неметаллических включений на 20-30 % превышает количество включений в зоне оплавления, причем эта разница увеличивается с ростом погонной энергии. Это явление можно объяснить различием теплофизических свойств неметаллических включений и металлической матрицы, находящейся в перегретом твердом состоянии и в жидком состоянии. Поскольку неметаллические включения имеют более высокую теплоемкость, они поглощают большее количество энергии по сравнению с основным металлом. Это приводит к появлению дополнительного градиента температуры от центра зоны оплавления к зернам перегретого металла. Кроме того, включения находятся под воздействием высоких скоростей нагрева и турбулентности, соответствующих плазменной дуге. Средний размер включений, находящихся в зоне перегрева, больше, чем аналогичный показатель в зоне расплавления. При смене полярности плазменной обработки с прямой на обратную наблюдается увеличение объемной доли включений как в зоне расплавления, так и в зоне перегрева. Это обьясняется тем фактом, что при работе плазмотрона на токе обратной полярности тепловложение в изделие в 1,2-1,5 раза выше, чем на прямой. Увеличение тепловложения приводит к усилению физико-химических процессов с участием гетерогенных фаз, а также активизации процесса образования неметаллических включений эндогенной природы. При использовании углекислого газа в качестве защитного наблюдается преимущественно глобулярная (округлая) форма включений, характерная для оксидов и оксисульфидов. При использовании в качестве защитного газа азота в наплавленном металле наблюдается появление граненых частиц сложной формы - нитридов и карбонитридов. Неметаллические включения размером более 10 мкм могут являтся серьезными концентраторами напряжений: уровень напряжений вблизи включения может превышать предел текучести стали и даже достигать предела прочности.

About the authors

E. A Krivonosova

Perm National Research Polytechnic University

D. S Belinin

Perm National Research Polytechnic University

E. K Krivonosova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 55

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.