Физико-химические основы разработки современных сварочных материалов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Мазуровский Владимир Львович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

02.00.04 - физическая химия 05.03.06 - технология и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена в Государственном учреждений Институте металлургии УРО РАН и Академическом колледже Иудеи и Самарии (Израиль).

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

академик Леонтьев Леопольд Игоревич

доктор химических наук, профессор Зиниград Михаил Иосифович

доктор технических наук, профессор Шалимов Михаил Петрович

кандидат технических наук Ченцов Виктор Павлович

Ведущая организация:

Волгоградский государственный технический университет (ВГТУ)

Защита состоится «14» апреля 2004 г. в 13.00 часов на заседании Диссертационного совета Д004.001.01 в Государственном учреждении Институте Металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101, в актовом зале.

С диссертационной работой можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке УрО РАН.

Автореферат разослан « 11 » марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Дмитриев А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Физико-химические процессы, протекающие при сварке плавлением, определяют течение технологического процесса сварки, а,' следовательно, и его результат, то есть состав, структуру и свойства наплавленного металла. Изучение, анализ и описание этих процессов должны обеспечить разработку оптимальной технологии сварки и главное - прогрессивных сварочных магериалов и, как следствие, получение наплавленного металла с требуемой структурой, составом и свойствами, определяемыми его служебными характеристиками.

Процесс сварки плавлением весьма сложен, что определяется, прежде всего, образованием сварочной ванны, представляющей собой многокомпонентную, многофазную систему с неравномерным температурным полем и сложными процессами массо - и теплопереноса. Процессы массообмена на границе металл-шлак и металл-газ предопределяют химический состав металла шва, а, следовательно, во многом и его механические свойства. Однако, формирование свойств сварного шва, а тем более сварного соединения, определяется не только химическим составом металла. Характер кристаллизации шва во многом влияет на его свойства. Свойства околошовной зоны и в определенной мере металла шва существенно зависят от температурного и термомеханического циклов, которые сопровождают процесс сварки [1 - 4]. Для многих легированных сталей и сплавов эта фаза формирования сварного соединения определяет их механические свойства. Образование сварного соединения сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений, которые также влияют на свойства соединений [1,2,4].

Разработка технологии сварки металлов, новых сварочных материалов и процессов термической обработки сварных соединений должны основываться на ясных научных представлениях о протекании сварочных процессов [1, 2]. Однако, уже более века разработка сварочных и наплавочных материалов осуществляегся на основе системы эмпирических знаний и накопленных данных и в основном зависит от опыта и квалификации разработчиков. Не существует эффективного метода, который позволил бы на основе строгих научных положений разрабатывать современные сварочные и наплавочные материалы различного назначения. Это связано с большим количеством физико-химических и технологических параметров, влияющих на процесс формирования состава, структуры и свойств наплавленного металла. Для описания процессов и явлений, протекающих при различных видах сварки плавлением на всех ее. этапах, необходимо привлечение широкого круга фундаментальных и прикладных наук. На современном этапе не представляется возможным создать математическое (формализованное) описание всего комплекса процессов, протекающих при сварке плавлением, и на его основе - систему проектирования сварочно-наплавочных материалов. Такое положение привело к перенасыщению мирового рынка однотипными сварочными материалами с одной стороны, а с другой - к сложности, а иногда и невозможности выбора необходимого материала для получения сварного шва или специализированных слоев с необходимыми служебными свойствами. В мире участились случаи разрушения сварных металлоконструкций и наплавленных специальных покрытий, работающих в

условиях сложного пространственного нагружения, воздействия агрессивных сред и высоких температур. Особенно это характерно для металлоконструкций из суперсовременных материалов. Следовательно, создание концепции разработки современных сварочных и наплавочных материалов и методологии их проектирования на основе комплексного физико-химического анализа протекающих при сварке плавлением процессов взаимодействия жидкого металла и шлака, различных структурных превращений и термодеформационных процессов на этапах первичной и вторичной кристаллизации металла шва является актуальным.

Цель настоящей работы заключается в создании новой концепции разработки современных материалов для сварки и наплавки и методологии их проектирования на основе физико-химического анализа протекающих процессов и в частности процесса неравновесной кристаллизации металла шва.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• на основе физико-химического анализа процесса образования первичных

карбидов, как соединений углерода с d-металлами, с привлечением квантово-химических понятий об электронном строении d-металлов и первичных карбидов сформулированы принципы карбидообразования в железоуглеродистом легированном наплавленном металле в процессе ею неравновесной кристаллизации, в основе которых лежит допущение, что количество углерода, пошедшего на образование карбида ьго d-металла, пропорционально атомному радиусу этого металла и обратно

пропорционально количеству электронов на d-подуровне этого металла Введено понятие карбидообразующей способности d-элементов и на ею основе дан ряд карбидообразования;

• впервые разработана феноменологическая модель неравновесной

кристаллизации многокомпонентною металлического расплава сварочной ванны, учитывающая использование части легирующих d-элементов на карбидообразование;

• предложена новая структурная диаграмма матрицы наплавленного металла широкого диапазона легирования, позволяющая качественно и количественно оценивать не только наличие 8-феррита, мартенсита и аустенита, но и продуктов распада аустенита на этапах первичной и вторичной кристаллизации металлического о расплава сварочной ванны.

Научная и практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

• Разработанная концепция карбидообразования и понятие карбидообразующая способность d-элементов могут быть использованы для разработки концепций образования боридов и нитридов d-элементов в быстрокристаллизующихся многокомпонентных металлических расплавах;

• Природа физико-химических процессов, протекающих при кристаллизации малогабаритных стальных отливок, аналогична природе процессов, протекающих при неравновесной кристаллизации металлического расплава сварочной ванны. Поэтому предложенная феноменологическая модель неравновесной кристаллизации многокомпонентного металлического расплава сварочной ванны может быть применена для прогнозирования состава, структуры и свойств металла при кристаллизации малогабаритных стальных отливок широкого диапазона легирования;

• Разработанная система автоматизированного проектирования, ядром которой является экспертная система, позволяет решать большой комплекс научных и практических задач, как-то:

о моделирование процессов. неравновесной кристаллизации многокомпонентных металлических расплавов широкого диапазона легирования для различных видов сварки плавлением и производства малогабаритных отливок; о моделирование процесса выделения упрочняющих фаз при неравновесной кристаллизации многокомпонентных металлических расплавов широкого диапазона легирования; о прогнозирование состава, структуры и свойств закристаллизовавшегося

металла шва и металла малогабаритных отливок; о проектирование новых сварочных и наплавочных материалов для сварки сталей и сплавов на основе железа и производства специальных защитных покрытий.

В результате данной работы:

• предложена научно-обоснованная концепция разработки современных сварочно-наплавочных материалов на основе общего структурного анализа их служебных характеристик и сварочно-технологических свойств, а также физико-химического анализа процессов взаимодействия «внешняя среда -наплавленный металл», процессов неравновесной кристаллизации металла шва и карбидообразования;

• разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации

металла шва широкого диапазона легирования, учитывающая использование части углерода и легирующих элементов на карбидообразование;

• разработан аналитический метод расчета количества карбидных фаз;

• разработан замкнутый алгоритм проектирования современных сварочных и наплавочных материалов.

На защиту выносятся:

• основные положения концепции разработки современных сварочных материалов;

• методика расчета карбидных фаз в наплавленном металле;

• методика расчета фазового состава матрицы наплавленного металла;

система автоматизированного проектирования сварочных материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Israeli Welding Conference, Tel-Aviv, Israel, 1994; International Conference "Modeling and. Simulation in Metallurgical Engineering and Materials Science", Beijing, China, 1996; The Seventh International Conference on Computer Technology in Welding, American Welding Society, San-Francisco, USA, 1997; The 8th biennial International Conference: Computer Technology in Welding, Liverpool, UK, 1998; International Conference on Computer Technology in Welding, Michigan, USA, 1999; International Symposium on Steel for Fabricated Structures, Cincinnati, Ohio, USA, 1999; The Ninth International Conference on Computer Technology in Welding, Detroit, USA, 1999; The 10-th International Conference "Computer Technology in Welding", Copenhagen, Denmark, 2000; International Conference on Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies MMT-2000, Ariel, Israel, 2000; The 11th International Conference on Computer Technology in Welding, Columbus, Ohio, USA, 2001; Bi-National Russia-Israel Workshop, Ekaterinburg, Russia, 2002; The 12lh International Conference TWI "Computer Technology in Welding and Manufacturing ", Sydney, Australia, 2002; The Mills Symposium, London, UK, 2002; Second International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Metal Technologies MMT-2002, Ariel, Israel, 2002; Yazawa International Symposium, San Diego, USA, 2003; Bi-National Israel-Russia Workshop, Jerusalem, Israel, 2003.

Реализация результатов работы. С помощью разработанной автоматизированной системы проектирования сварочных материалов спроектированы, изготовлены и успешно используются:

• Электроды для наплавки слоев с повышенной кавитационной стойкостью на основе NijAl сплава (super alloy) для защиты колес гидротурбин ГЭС на реках Хуанхе и Янцзы (в рамках международного гранга Израиль - КНР);

• Порошковая проволока RI-6/139 для сварки шасси легковых автомобилей «Chevrolete-cavaler» на заводе GMC (г. Янгстаун, Огайо, США) из стали A1S1 1008/1010 с цинковым покрытием (гальванизированные стали);

• Ряд порошковых проволок для наплавки и восстановления быстрорежущего инструмента на заводах фирмы «Ханита», Израиль.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и трех приложений. Работа включает 156 страниц печатного текста, 23 рисунка, 15 таблиц. Библиографический список содержит 141 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении формулируется цель диссертационной работы, ее актуальность, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обоснованию основных положений концепции создания современных сварочных материалов. В ее первом разделе дан обзор современного состояния в области разработки сварочных и наплавочных материалов, на основании которого делается вывод, что отсутствие научной методологии разработки сварочных материалов не позволяет обеспечить их создание в сжатые сроки с гарантированными служебными характеристиками. Во втором разделе приводится обоснование и основные положения новой концепции разработки сварочных материалов. Свою основную функцию - обеспечение необходимых прочностных характеристик и служебных свойств металла шва сварочные материалы выполняют через участие в сварочном процессе, включающем в себя большое количество различных сложных физико-химических процессов, как правило, протекающих одновременно. Описание структуры, конструкции, состава, функций и свойств сварочных материалов невозможно без учета этих процессов, обеспечивающих трансформацию сварочного и основного материалов в наплавленный металл. Необходимо на основе системного подхода структурировать проблему создания сварочных материалов, заключающуюся в разработке рецептуры этого материала и технологии его изготовления. С этой целью необходимо провести анализ процессов, протекающих при плавлении сварочного материала и свариваемого металла и при формировании сварочной капли и сварочной ванны, анализ кристаллизации металлического расплава сварочной ванны, анализ взаимодействия наплавленного металла с окружающей средой, а также анализ служебных свойств наплавленного металла и самого сварочного материала. В результате применения системного подхода и структурного анализа к проблематике разработки сварочных материалов были сформированы основные положения новой концепции (структурная схема методологии разработки сварочных материалов представлена в Приложении 1 диссертации). Концепция представляет собой логическую последовательность взаимосвязанных этапов проектирования новых сварочных материалов:

• анализ внешней среды и характера нагружения рабочего тела;

• анализ рабочего тела;

• установление характера взаимодействия внешняя среда - рабочее тело и связанных с ним процессов;

• формирование представления о требуемой структуре металла шва (специальных наплавленных слоев);

• расчет первичной структуры и химического состава металла шва (наплавленного металла);

• расчет рецептуры (электродной формулы) специального сварочного (наплавочного) материала;

• проверочный расчет.

Далее в разделе дан подробный анализ этих основных положений предлагаемой концепции, на основе которого делается вывод о необходимости построения соответствующих моделей основных физико-химических процессов, протекающих на всех этапах формирования сварного шва и его взаимодействия с окружающей средой. Показано, что эффективный метод разработки новою сварочного материала представляет собой решение «обратной задачи», предполагающей нахождение рецептуры этого материала как функции служебных характеристик металла шва. Определены основные результаты и сформулированы основные принципы, следование которым должно обеспечить разработку специальных сварочных материалов. Показано, что для эффективного решения проектной задачи необходимы системный подход к процессу проектирования и его авгоматимизация на основе создания специализированной системы автоматизированного проектирования. Это позволит осуществить индивидуальный подход к проектированию, то есть разработку конкретного материала, обладающего специальными функциями для конкретных условий эксплуатации.

Вторая глава посвящена созданию феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны на основе физико-химического анализа протекающих процессов. Наиболее важной проблемой новой методологии в плане определения электродной формулы нового сварочного материала является формирование представления о требуемой структуре металла шва в условиях его эксплуатации и расчет первичной структуры и химического состава наплавленного металла. Первый раздел главы рассматривает вопросы прогнозирования химического состава наплавленного металла на основе кинетического анализа процессов взаимодействия на границе "металл-шлак". Химический состав металла шва определяется исходными химическими составами присадочного материала и основного металла и характером физико-химических процессов взаимодействия расплавленных металла и шлака. Прогнозирование химическою состава наплавленною металла основано на методе кинетического анализа реакций, одновременно протекающих в диффузионном режиме между металлическим и шлаковым расплавами [5]. При этом учитывается взаимное влияние реакций и диффузия всех реагентов в металле и шлаке. Окисление элементов металлическою расплава может быть представлено реакцией

+ + О)

т т " '

где ^ — элементы, растворенные в металлическом расплаве (Мп, 81, \¥, Мо, V, и т.д.), а оксиды шлакового расплава.

Расчет скоростей реакций типа (1) для каждого элемента не представляет каких-либо трудностей. Однако отдельный анализ каждой реакции не отвечает реальным процессам, происходящим в сварочной ванне. Должно быть рассмотрено взаимное влияние, как компонентов взаимодействующих расплавов, так и гетерогенных реакций, имеющих место в этих комплексных системах. В рамках развитого подхода скорости реакций типа (1) для всех металлических компонентов с учетом их взаимного влияния определяются следующими выражениями

где х - это соотношение между концентрациями оксида железа в шлаке и концентрацией железа в металлическом расплаве на границе взаимодействующих фаз; - предельные диффузионные потоки компонентов расплавов; и

(ЕщОт) - начальные концентрации (%, мае.) элементов и оксидов в расплавах, соответственно; К/ - константа равновесия реакции (1) для г - ого компонента металлического расплава; пит- стехиометрические коэффициенты.

Принимая во внимание, что величины представляют собой скорости

перехода элемента г из металлического расплава в шлаковый или наоборот, можно с их помощью провести расчет соответствующих концентраций элементов в металлической и шлаковой фазах как функции времени. В результате для текущего и конечного составов металлического расплава в соответствии с [6] имеем:

где - это площадь межфазного взаимодействия, а скорость кристаллизации сварочной ванны.

Таким образом, предложенный метод позволяет установить химический состав металлического расплава сварочной ванны, то есть металла сварного шва. Этот химический состав является исходным для определения количественного и качественного состава фаз наплавленного металла. До начала 90-х годов данная методика не находила практического применения из-за определенных сложностей, связанных с отсутствием замкнутого (то есть способного решать прямую и обратную задачи) алгоритма для ее решения. В рамках данной работы соискателем, совместно с одним из авторов методики - профессором М.И. Зиниградом, создан (1993 г.) такой алгоритм и на его основе разработана программа расчета химического состава металла шва.

Во втором разделе главы представлен физико-химический анализ процесса неравновесной кристаллизации сварочной ванны и процесса карбидообразования. Дальнейшие превращения металлического расплава связаны с процессами первичной и вторичной кристаллизации, то есть фазовыми превращениями в многокомпонентном сплаве. Исходя из химического состава жидкого металлического расплава сварочной ванны, рассмотрим процесс первичной кристаллизации. Из теории сварочных процессов [1] известно, что кристаллизация сварочной ванны протекает в крайне неравновесных условиях при отсутствии конвективного перемешивания металла в "хвосте" сварочной ванны, то есть у фронта кристаллизации. Поэтому процесс распределения компонентов между жидкой и твердой фазами контролируется только диффузией. Другим важным фактором, определяющим распределение компонентов, является концентрационное уплотнение,

г

V,Т + Уы -г + \00-МЕ/Ар1Ук<1т

[£/Г -

о

(3)

возникающее у фронта кристаллизации. Вследствие этих факторов возникает кристаллизационное переохлаждение, которое совместно с термическим переохлаждением определяет циклический характер кристаллизации сварочной ванны и химическую неоднородность кристаллизующегося металла шва [1,4,7] В любой момент времени кристаллизации сварочной ванны количество 1-го компонента, перешедшего из жидкой фазы в твердую, может быть определено как:

- -(1 -, (4)

где - содержание ьго компонента в твердой фазе на момент времени

кристаллизации Ц Е,° - исходная средняя концентрация /-го компонента в расплаве; Кг[ - эффективный коэффициент распределения; V - расстояние от точки начала кристаллизации (длина кристаллита на момент времени кристаллизации {); V, -скорость кристаллизации; - коэффициент диффузии /-го компонента в расплаве.

Определив содержание ьго компонента в твердой фазе на момент времени t кристаллизации, мы не можем определить его распределение между аустенитом и упрочняющими фазами, которые образуются в момент кристаллизации. Задача осложняется тем, что в большинстве случаев мы имеем один твердый раствор в закристаллизовавшемся металле шва - аустенит и несколько фаз внедрения -первичные карбиды, и нам необходимо знать распределение /-го компонента между этим твердым раствором и этими фазами. Факторы, влияющие на карбидообразование, можно разбить на две группы: физико-химические, определяющие природу самого процесса карбидообразования, и технологические, которые, в конечном счете, влияют на процесс карбидообразования через изменение параметров первой группы Далее на основе подробного физико-химического анализа процесса образования первичных карбидов, как соединений углерода с d -металлами, с привлечением квантово-химических понятий об электронном строении d -металлов и первичных карбидов формулируются принципы карбидообразования в железоуглеродистом летированном наплавленном металле, в основе которых лежит допущение, что количество углерода, пошедшего на образование карбида л о металла, пропорционально атомному радиусу этого металла и обрагно

пропорционально количеству электронов на (¿-подуровне этого металла (</,). Вводится понятие "абсолютная карбидообразующая способность ьго d-мегалла (0,)" как отношение

Из анализа выражения (5) следует, что способность карбидообразования возрастает в ряду ¥в, Мп, Сг, Мо, W, ЫЬ, V, Та, Л, 2г, И/, что хорошо согласуется с рядом исследований [8 - 11] и проведенными в рамках данной работы расчетами зависимости химического сродства данных элементов к углероду от температуры для отдельно взятых реакций карбидообразования.

Определение распределения легирующих элементов между аустенитом и первичными карбидами представляется довольно сложной задачей, для решения которой были приняты некоторые допущения. Ниже приведены основные из них:

• В результате первичной кристаллизации образуется пересыщенный твердый раствор, определяемый выражениями (3) и (4) в каждый момент времени í первичной кристаллизации. То есть мы имеем кристаллит (его размер = V* I, где / — текущее время первичной кристаллизации; V* - скорость кристаллизации сварочной ванны) переменного химического состава;

• В момент времени /, когда сформирована порция твердого пересыщенного расгвора (кристаллит размера £'), происходит его расслоение на аустенит и карбидные фазы по бездиффузионному механизму;

• Углерод распределяется между аустенитом и карбидными фазами в

соответствии с принципами карбидообразования в железоуглеродистом легированном наплавленном металле;

Следующим этапом является этап прогнозирования количества и состава фаз в результате вторичной кристаллизации металла шва. Фазо-структурный состав металла определяется как термодинамическими, так и кинетическими параметрами процессов, протекающих на стадии его вторичной кристаллизации, то есть фазовыми и струкгурными превращениями в многокомпонентном сплаве в твердом состоянии. Их особенность заключается в том, что они протекают в неравновесных условиях термо-деформационного цикла сварки, то есть в условиях быстрого охлаждения и одновременного развития сварочных напряжений и деформаций. Как известно, для сталей и сплавов на основе железа эти превращения связаны с распадом аустенита. Термодинамический анализ распада нелегированного аустенита основан на рассмотрении широко известной диаграммы состояния железо-углерод. Кинетический анализ осуществляется при помощи диаграмм изотермического и анизотермического распада аустенита. Для целей прогнозирования фазо-структурного состава металла шва в результате изотермического распада аустенита в последнее время стали широко использовать численные методы, построенные для решения уравнений, описывающих экспоненциальный и степенной законы зародышеобразования и роста новой фазы, адаптированные к твердофазным реакциям. Однако, применение этих методов к условиям неравновесного распада легированного аустенита. характерного для наплавочных процессов и сварки специальных сталей и сплавов, не представляется возможным. Теоретически эволюцию системы на данном этапе можно было бы прогнозировав на основе соответствующих диаграмм состояния. Но создание таких диаграмм крайне затруднено для рассматриваемых многокомпонентных сплавов, где содержание легирующих элементов может варьироваться от нескольких процентов до десятков процентов по массе. Учитывая особенности кристаллизации металла шва, отмеченные выше, возможно прогнозирование его фазо-структурного состава на основе псевдобинарных диаграмм состояния на уровне качественной оценки. При этом сохраняется вероятность высокой степени отклонения от реальности. Это связано с тем, что равновесные диаграммы состояния не учитывают неравновесного характера кристаллизации металла шва и воздействия термо-деформационного цикла сварки, а также циклического характера первичной кристаллизации, приводящего к химической неоднородности закристаллизовавшегося металла. На протяжении более чем пятидесяти лет подобная задача для определенных типов металлических

расплавов сварочной ванны решалась с помощью феноменологической структурной диаграммы, предложенной А. Шеффлером [12]. На основе представленного подробного анализа диаграммы Шеффлера выявлены ее существенные недостатки, которые ограничивают область применения диаграммы Шеффлера определенными группами низкоуглеродистого наплавленного металла ограниченного диапазона легирования. Далее дан подробный физико-химический анализ процессов распада легированного аустенита и на его основе для целей прогнозирования количества и состава выделившихся фаз и продуктов распада и характера распределения углерода делаются следующие предположения:

• Диффузионный поток углерода распределяется между карбидообразующими элементами пропорционально относительной карбидообразующей способности каждого карбидообразующего элемента;

• Коэффициент распределения углерода между аустенитом и продуктами его распада определяется соотношением

(6)

растворимости углерода в аустените при

данной

£(||>1|П1

предел

температуре; - содержание углерода в продуктах его распада;

содержание углерода в аустените до начала его распада; - изменение

растворимости углерода в аустените за период его распада; • В каждый момент времени распада аустенита зависимость изменения растворимости углерода в аустените от температуры определяется- как а скорость изменения температуры как Разделяя

переменные и приравнивая правые части, после некоторых преобразований и интегрирования, получаем следующее выражение для изменения растворимости углерода в аустеиите за период его распада

ДЕС-«^(<2-»,). (7)

Из выражений (6) и (7) следует, что содержание углерода (%, мас.) в продуктах распада аустенита равно:

Е^-ДЕс-о^Сг"',)-

(8)

Проведенный физико-химический анализ процессов первичной и вторичной кристаллизации позволяет сделать вывод о невозможности строго-формализованного (математического) описания процесса кристаллизации металла шва, протекающего в крайне неравновесных условиях.

В последнем разделе главы рассмотрена разработка феноменологической модели процесса неравновесной кристаллизации сварочной ванны и формирования металла шва (наплавленного металла) и проведено прогнозирование количественного и качественного состава упрочняющих фаз. Распределение легирующих элементов и углерода между жидкой и твердой фазами определяется выражением (4). В моменг кристаллизации происходит бездиффузионный распад пересыщенного твердого раствора на аустенит и карбидные фазы. Количество углерода, связанною каким либо

карбидообразующим элементом, будет определяться стехиометрией соединения (МежСу) и может быть найдено из следующего выражения

где х и у - стехиометрические коэффициенты; А, и А, атомные массы соответственно

углерода и карбидообразующего элемента; содержание карбидообразующего

элемента в карбидной фазе. Логично предположить, что на карбидообразование используется только та часть легирующих элементов и углерода, которая не может быть растворена в аустените при данной температуре:

( ( 9

(10)

где количество углерода, нерастворенного в аустените; количество

углерода на момент кристаллизации, определенного выражением (4); £,""">'* - предел растворимости углерода в аустените при данной температуре кристаллизации на момент времени /д. При этом распределение углерода между карбидными фазами в сплаве будет пропорционально относительной карбидообразующей способности

соответствующего переходного элемента

л

2е'

и его атомной концентрации в

сплаве а,. Становится ясно, что коэффициент пропорциональности для /-го карбидообразующего элемента равен

100

е,

п

2е< ■•I

Тогда концентрация ¿-го карбидообразующего элемента, связанного в данной карбидной фазе к моменту времени {д„ может быть определена как (%, мас.)

У\

(12)

элемента,

Следовательно, концентрация /-го карбидообразующего растворенного в аустените на момент времени /д, равна (%, мас):

Е1'"' -£<"" -Е!'"'. (13)

Количество карбидов, образовавшихся за время I/, (%, мас), складывается из количества углерода и суммарного количества карбидообразующих элементов, пошедших на карбидообразование:

(14)

В следующий промежуток времени составы аустенита и карбидных фаз будут иными. Расчет повторяется I - раз (г = ^^ 'гс - длительность охлаждения, определяемая параметрами термодеформационного цикла сварки в зависимости от

принятой схемы процесса). Суммарное содержание карбидов (%, мае.) к концу периода первичной кристаллизации определится как

е' - ¿о* • (15)

Тогда содержание аустенита (%, мас.) составляет:

0(о)-1ОО%-0' . (16)

Средние концентрации углерода и легирующих элементов в аустсните мoгут быть найдены соответственно, как (%, мас.)

Е!

Ж

-100% ; £<"> - Ь]__100%.

(17)

Таким образом, к концу первичной кристаллизации нам известен средний химический состав аустенита, а также количественный и качественный состав карбидных фаз в разных зонах сварного шва. При вторичной кристаллизации в процессе охлаждения происходит диффузионное выравнивание состава металла шва вплоть до состава, определенного выражением (17), и частичная коагуляция первичных карбидов по границам зерен. При достижении температуры предельной растворимости углерода и легирующих элементов в аустенте, происходит спинодальный распад аустенита и распределение углерода между карбидными фазами пропорционально карбидообразующей способности данного карбидообразующего элемента. По аналогии с (12) можно записать

ЕГ

IЕ"

хА, У\

(18)

Здесь у>1 - доля углерода в .¡-ой карбидной фазе от общего количества углерода, пошедшего на образование карбидов ьго легирующего элемента, а Ее*'- содержание углерода в продуктах распада аустенита (8), - коэффициент, определяемый выражением (11). Тогда содержание карбидообразующего элемента и углерода, растворенных в матрице, определятся как (%, мае):

(19)

со

хА.

(20)

Содержание карбидных фаз, образовавшихся в результат вторичной кристаллизации (%, мас), равно

(21)

а общее содержание (%, мае.) карбидных фаз в металле шва:

о,«-с' +е". (22)

Содержание матрицы в наплавленном металле определится как (%. мас.)

£><">-100%-<2Ш. (23)

Для концентрации углерода и легирующих элементов в матрице имеем (%, мас.)

-100%; Е°

Е,<«

100%

(24)

с"0 с<4)

Полученные уравнения (3 - 5, 8 - 24) представляют собой феноменологическую модель процесса неравновесной кристаллизации сварочной ванны и формирования металла шва (наплавленного металла).

Третья глава посвящена разработкам метода прогнозирования фазо-структурного состава матрицы наплавленного металла и автоматизированной системы проектирования сварочных материалов. В начале главы рассмофены многочисленные попытки модернизации диаграммы Шеффлера с целью устранения ее недостатков, которые были рассмотрены в предыдущей главе. Однако, все рассмотренные работы не решают общей задачи - определение фазо-структурного состава матрицы наплавленного металла широкого диапазона, легирования, а исследуют, как правило, отдельные группы сталей или частные случаи легирования. В первом разделе главы представлена разработка новой структурной диаграммы матрицы наплавленного металла широкого диапазона легирования и методика прогнозирования ее фазо-структурного состава. На первом этапе разработки новой структурной диаграммы были выведены параметрические уравнения для расчета эквивалентов хрома и никеля учитывающие неравновесный характер кристаллизации металла шва и связывания части легирующих компонентов и части углерода на образование первичных и вторичных карбидов:

(25)

(26)

где I - количество ферритообразующих элементов; - концентрация /-го

ферритообразующего элемента, - значение коэффициента при /-ом

ферритообразующем элементе как функции комплексного фактора - количество аустенпрообразующих элементов; Етв(Ли)1 - концентрация ьго

аустенитообразующего элемента, %, мае.; ^(А) - значение коэффициента при /-ом аустенитообразующем элементе как функции комплексного фактора комплексные факторы, определенные для феррито и аустенитообразующих элементов на основе анализа фазо-структурного состава наплавленных слоев и металла шва широкого диапазона легирования.

Далее было определено соотношение фаз в многофазных областях диаграммы. В результате таких преобразований была построена принципиально новая структурная диаграмма матрицы наплавленного металла неограниченного диапазона легирования, получаемого в процессе неравновесной кристаллизации мегаллического расплава сварочной ванны (рис. 1).

Рис. 1. Структурная диаграмма, учитывающая процессы карбидообразования в наплавленном металле.

Однако, использование диаграммы в ее графическом представлении невозможно для компьютеризированных расчетов. Решить указанную проблему можно на основе математического описания новой структурной диаграммы, приведенном во втором разделе главы. Были получены уравнения регрессии, позволяющие рассчитывать фазо-структурный состав для конкретного региона диаграммы (при определенных значениях эквивалентов и условия,

определяющие применяемость уравнений регрессии в зависимости от уровня легирования сплава.

В результате получено феноменологическое представление процессов неравновесной кристаллизации металла шва широкого диапазона легирования, что позволяет нам прогнозировать фазо-структурный состав наплавленного металла. На основании уравнений (3 - 5, 8 - 24) и формализованного описания новой структурной диаграммы представлен аналитический метод расчета фазо-структурного состава металла шва. вытекающий из феноменологического описания его неравновесной кристаллизации.

Третий раздел главы посвящен разработке системы автоматизированного проектирования новых материалов для сварки и наплавки. Созданный аналитический метод расчета химического и фазо-структурного состава металла шва служит основой для разработки замкнутого алгоритма и автоматизированной системы проектирования современных сварочно-наплавочных материалов. Создание такой системы с должным уровнем организации и автоматизации проектных решений возможно лишь на основе системного подхода, объектом анализа которого является сам процесс проектирования. Системный подход является лишь инструментом разработки методологии, т.е. средством структурирования проблемы, установления связей, приоритетов, структуризации данных и т.д. Базирующаяся на таком подходе методология разработки современных сварочных материалов является замкнутой системой с глубоким охватом обратными связями, что обеспечивает:

• структуризацию задачи по представлению заказчика;

• формирование на ее основе пакетов данных, инструкций и правил и оформление их в виде постановки задачи для экспертной системы;

• решение задачи в режиме диалога проектировщика (эксперта) с экспертной системой;

• формирование решения в виде:

а) состава, структуры и свойств наплавленного металла; в) электродной формулы сварочного материала, обеспечивающего

получение прогнозируемого наплавленного металла; с) параметров процесса сварки / наплавки.

На основе структурного анализа и разработанного аналитического метода сформирован алгоритм проектирования, который представляет собой последовательность этапов проектирования с набором инструкций и правил для каждого этапа. Автоматизация процесса проектирования осуществлена в рамках создания специальной системы, состоящей из комплекса средств, включающих методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение. Система включает несколько подсистем, решающих разные задачи. Главной подсистемой САПР является в нашем случае экспертная система как основной инструмент проектирования. Разработанная система автоматизированного проектирования современных сварочных материалов является открытой системой индивидуального пользования, то есть системой, которая управляется и поддерживается непосредственно разработчиком сварочных материалов. Вследствие своей открытости, система обеспечивает возможность постоянного обновления баз знаний и баз данных по мере совершенствования и развития знаний об объекте проектирования и окружающей среде, а также соответствующую модернизацию систем управления этими базами. Система позволяет значительно сократить сроки разработки сварочных и наплавочных материалов для производства сложных сварных металлоконструкций и многофункциональных наплавок.

Четвертая глава посвящена практической реализация концепции создания современных сварочных материалов. В первой части главы представлены проектирование, изготовление и испытание экспериментальной партии наплавочных материалов. В рамках нового подхода было осуществлено проектирование партии порошковых наплавочных проволок для наплавки стенок бункера загрузочного устройства из стали 20К, работающего в условиях ударно-абразивного износа, вызываемого воздействием химически неагрессивного сыпучего материала. На основании анализа полученных представлений о характере взаимодействия «внешняя среда - рабочее тело», специальный сварочный материал должен обеспечить формирование наплавленного металла, имеющего базовую структуру (структура матрицы) мелкоигольчатого или игольчатого маргенсита и метастабилыюго аустенита (30 - 50 %, мас.) с равномерно распределенными в ней карбидами (5 - 15 %, мас). Метастабильный аустенит при интенсивном ударном нагружении, поглощая часть энергии удара, переходит в мартенсит, упрочняющий наплавленный металл и повышающий его износостойкость. Когда сформировано представление о требуемой (вторичной) структуре наплавленного металла, можно перейти к расчету первичной структуры и химического состава металла шва. Расчет представляет собой решение обратной задачи, когда входными параметрами является вторичная структура металла шва и значения параметров термодеформационного цикла сварки. Результаты расчета химического состава и структуры наплавленного металла 4-х проектируемых сварочных материалов приведены в таблицах I и 2 соответственно (см. числитель приведенных данных).

На основании полученных сведений о требуемой первичной структуре и химическом составе наплавленного металла мы можем определить электродные формулы проектируемых специальных сварочных материалов. Расчет осуществляется в интерактивном режиме оператор - экспертная система. Основой расчета является пакет прикладных программ, разработанный на базе математической модели технологического процесса сварки [5, 6] и феноменологической модели первичной неравновесной кристаллизации металла шва, разработанной в рамках данной работы. Для проверки полученных результатов проведен проверочный расчет, который представляет собой решение прямой задачи. Окончательный вариант электродных формул спроектированных сварочных материалов приведен в Приложении 3 диссертации. После изготовления опытной партии специализированных сварочных материалов в соответствии с технологическими требованиями и проведения трехслойной наплавки на изделие—представитель (вертикальный лист толщиной 16 мм из стали 20К) в соответствии с рекомендованными режимами наплавки была произведена вырезка образцов. Образцы были подвергнуты сложному комплексу натурных испытаний и исследований, результаты которых представлены в таблицах 1 и 2 (см. знаменатель приведенных данных).

На основе анализа результатов исследований и проведенных натурных испытаний было определено, что для целей нанесения защитного покрытия могут быть применены все разработанные материалы, т.к. они обладают показателями против износа и ударного нагружения, значительно (в 5-6 раз) превышающими аналогичные показатели для стали 20К.

Таблица 1. Химический состав наплавленного металла исследуемых образцов

№ Обозначение образца %, мае. Примечание

С Si Мп Сг Ti

1 R11/01.7 1.58 -1.40- 0.68 0.55 0.35 0.42 8.54 8.50 3.61 3.35 остальное • Fe

2 RI 1/U.2. 1.62 -1.80 0.70 0.29 0.38 0.44 6.89 6.63 3.60 2.64 ....

3 RI 1/08.3 1.31 -1.50 0.53 0.60 0.38 0.36 7.87 8.15 2.56 2.10 «« tfc

4 RI 1/10.1 1.32 -1.40 0,704 0.537 1.11 0.607 7.93 5.62 2.62 2.28 ....

Примечание: в числителе - расчетный состав, в знаменателе - фактический состав, определенный экспериментально.

Таблица 2. Структура и свойства наплавленного металла,

Обозначение образца Структурные составляющие, %, мае. Твердость, HRC Упрочнение при нагружении, AHRC

мартенсит аустенит карбидная фаза

RI 1/01.7 55.52 основа 33.97 36.00 10.47 12.00 56.16 56-57 + (3-4) - (+4)

RI 1/11.2 44.94 43.00 45,29 47.00 9.74 10.00 46.19 46-50 + (4-5) -(+6)

RI 1/08.3 77.12 основа 13.65 11.00 9.20 8.00 56.39 54-56 + (2-3) ~(+ 3)

RI 1/10.1 81.16 основа 9.76 8.00 9.05 8.00 57.23 55 - 58 + (2-3) ~(+2)

Примечание: в числителе - расчетные структура и свойства, в знаменателе фактические структура и свойства, определенные экспериментально.

Оценка адекватности модели проводилась на основе сравнения результатов проектного решения и полученных в процессе испытаний. Как следует из приведенных данных, расхождения в основном не превышают 20 %, что указывает на высокую адекватность разработанной феноменологической модели реальному процессу неравновесной кристаллизации металлического расплава сварочной ванны.

Практическая реализация концепции создания современных сварочных материалов представлена в последнем разделе главы. Разработанный метод был опробован в практических целях создания реальных сварочных и наплавочных материалов. Первым опытом в этом плане явилось создание электродов для наплавки слоев с антикавитационными свойствами на основе Ni3Al сплавов (supper-alloys). В результате, было создано пять марок наплавочных электродов, успешно

примененных как для сварки сплава супер-аллой, так и для наплавки слоев на колесах гидротурбин ГЭС в КНР на реках Янцзы и Хуанхэ. Впервые были созданы электроды для сварки и наплавки Ni3Al сплавов, исключающие растрескивание сплава, вызванное неравномерным выпадением у' фазы под действием термодеформационного цикла сварки. Затем, на основании договора между "General Motors Corporation" (США) и Академическим колледжем Иудеи и Самарии (Израиль) было спроектировано и изготовлено несколько марок порошковых проволок для сварки гальванизированных тонколистовых сталей AISI 1008/1010. Порошковая проволока марки RI 6/139 обеспечивает скорость сварки вышеуказанной стали до 90 м/час (обычно применяемая на заводах "General Motors Corporation" - 20...40 м/час) без вредного газодымовыделения. Наплавленный металл имеет предел прочности 550 -600 МПа и угол загиба продольного образца со швом равен 180 ° (требование стандарта США ANSI/AWS A5. 18-93 - 120°). Далее, для инструментальной фирмы "Ханита" (Израиль) были спроектированы и изготовлены экономно-легированные порошковые проволоки для восстановления быстрорежущего инструмента. Разработанный ряд проволок обеспечивает получение наплавленного металла (не требующего последующей термообработки) со свойствами на уровне инструментальной стали Р6М5. Все разработанные материалы обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами и показали высокие значения служебных характеристик наплавленного металла.

В заключении сформулированы наиболее существенные результаты данной работы

I Разработка нового подхода к проектированию современных сварочных материалов:

1. Предложен новый подход к разработке сварочных материалов на основе системного анализа требуемых служебных характеристик металла шва

2. Показана эффективность моделирования процессов, протекающих в металле шва на этапах его производства и взаимодействия с окружающей средой при его эксплуатации. Анализ эгих моделей обеспечивает получение комплекса данных для расчета электродной формулы проектируемого сварочного материала, как функции этих процессов

3. Сформулированы основные этапы проектирования сварочных материалов, базирующиеся на индивидуальном и системном подходах к процессу проектирования и его автоматизации.

II Создание феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны на основе проведенного физико-химического анализа:

1. Предложены механизмы первичной кристаллизации металла шва и формирования первичных карбидов на основе сформулированного принципа карбидообразования в железоуглеродистом наплавленном металле.

2. Предложены механизмы распада легированного аустенита и формирования вторичных карбидов в процессе неравновесной вторичной кристаллизации металла шва.

3. Разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации металла шва, позволяющая прогнозировать фазо-структурный состав наплавленного металла широкого диапазона легирования.

4. Предложен новый вариант диаграммы для прогнозирования структуры матрицы наплавленного металла. Новая диаграмма позволяет учитывать процесс карбидообразования в сталях и прогнозировать структуру матрицы наплавленного металла широкого диапазона легирования.

5. Представлено математическое описание новой структурной диаграммы, позволившее компьютеризировать процесс определения структуры твердого раствора наплавленного металла.

III. Практическое использование нового подхода для проектирования промышленных партий специальных сварочных материалов:

Совместное применение методов' прогнозирования карбидообразования и расчета структуры матрицы (твердого раствора) наплавленного металла вместе с математической моделью технологического процесса сварки позволило создать алгоритм и систему автоматизированного проектирования специальных материалов для сварки и наплавки в соответствии с положениями и требованиями базовой концепции. Адекватность модели и работоспособность базирующейся на ней системы автоматизированного проектирования подтверждены экспериментально.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Волченко В.Н., Ямпольский В.М. Винокуров В.А. и др. Теория сварочных процессов / Под ред.проф. Фролова В.В. - М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. / Под ред. акад. Б.Е. Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

3. Рыкалин Н. Н. Расчегы тепловых процессов при сварке. Справочник по сварке, гл. II. - М.: Машгиз, I960. - 556 с.

4. Сварка в машиностроении. Справочник / Под ред. Н. А. Ольшанского. - М.: Машиностроение, 1978. Т. 1.-501 с.

5. Бороненков В., Шанчуров С, Зиниград М. Кинетика взаимодействия многокомпонетгтного металла со шлаком в диффузионном режиме. - М.: Изв. АН СССР. Металлы, № 6,1979, с. 21 - 27.

6. Zinigrad M., Mazurovsky V. Development of new welding materials on the base of mathematical modeling of metallurgical processes. Part 1 and Part 2. Phase Interaction Analysis and Development of the Basic Model. Proceedings of the Bi-National Russia-Israel Workshop, Ekaterinburg, Russia, 2002, pp. 277-291.

7. Космическое материаловедение. Введение в научные основы космической технологии: Пер. с англ. / Под ред. Б. Фойербахера, Г. Хамахера, Р. Й. Наумана. -М.: Мир, 1989.-478с, ил.

8. Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 648с.

9. S.T Oyama in S.T. Oyama (Ed.), The Chemistry of Transition Metal Carbides and Nitrides; Blackie Academic and Professional, London, 1996, p. 1.

10. Hugosson Hakan W. Theoretical studies of phase stabilities and electronic structure in molybdenum carbide. Licentiate Thesis in Physics. Department of Physics Uppsala University. Uppsala, 1999. Chapter 7. pp. 43 -46.

11. Grossman J.C., Mizel A., Cote M., Cohen M.L., and Louie S.G. Transition metals and their carbides and nitrides: Trends in electronic and strectural properties. Physical review B. Vol. 60., No. 9/PRB 60,1999, pp. 6343 - 6347.

12. Shaffler A. L. Constitution of diagram for stainless steel weld metal // Metal Progress. 1949. V. 56. No.5. P. 680-680b.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. M.Zinigrad, V.Mazurovsky, O.Gafri. Development of the new welding materials made of waste products. Welding Conference (Israel), 1994, pp 63-67.

2. M.Zinigrad, V.Mazurovsky. Modeling of metallurgical welding processes for the purpose of creating new welding materials. Proceedings of the International Conference "Modeling and Simulation in Metallurgical Engineering and Materials Science" (MSMM96), Beijing (China), 1996, pp. 669-673.

3. Zinigrad M., Mazurovsky V., Aksyutin O. Creating new welding materials on the basis of metallurgical processes modeling. Proceedings of The Seventh International Conference on Computer Technology in Welding, American Welding Society, USA, 1997, pp 291-297.

4. Zinigrad M., Zalomov N, Mazurovsky V., Aksyutin O. Computer Approach to the Development of Welding Materials. Proceedings of the 8th biennial International Conference: Computer Technology in Welding, Liverpool, (UK), 1998, pp. 185-192.

5. Zinigrad M., Mazurovsky V. Computer Modeling of Metallurgical Technologies. Proceedings of International Conference on Computer Technology in Welding. Michigan, USA, 1999, pp. 164-171.

6. Zinigrad M., Mazurovsky V., Feng Di, Ye Wujun, Zalomov N. Modeling of the Build up Process for Production of Ni-Al based High Temperature Wear Resistant Coatings. Proceedings of ASM Materials Solution*99: International Symposium on Steel for Fabricated Structures. Cincinnati, Ohio, USA, 1999, pp. 230-233.

7. M. Zinigrad, V.Mazurovsky. Computer modeling of the Metallurgical Processes in Welding Technologies. Proceedings of the Ninth International Conference on Computer Technology inWelding, Detroit, USA, 1999, pp. 116-120.

8. Zinigrad M., Mazurovsky V., Shumyakov V., Zinigrad A., Optimization of the Composition of a flux-cored wire for welding galvanized steel based on computer simulation of the welding process., Proceedings of the 10-th International Conference "Computer Technology in Welding", Copenhagen, Denmark, 2000, pp. 40-47.

9. Mazurovsky V., Zinigrad A., Zinigrad M. Predicting weld structure using modified Schaeffler constitution diagram. Proceedings of the International Conference on Mathematical Modeling and /Simulation of Metal Technologies, Ariel, Israel, 2000, pp. 540-545

10. V. Mazurovsky , M.Zinigrad , A. Zinigrad. Novel method of welding materials design. Proceedings of the International Conference Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies, Ariel, Israel, 2000, pp 201-206.

11. Mazurovsky V., Zinigrad M., Zinigrad Л. Novel computer-aided method of welding materials design. Proceedings of the 11th International Conference on Computer Technology in Welding, Columbus, Ohio, USA, 2001, pp. 273-280.

12. M. Zinigrad, V. Mazurovsky. Development of new welding materials on the base of mathematical modeling of metallurgical processes Part 1. Phase Interaction Analysis and Development of the Basic Model. Proceedings of the Bi-National Russia-Israel Workshop, Ekaterinburg, Russia, 2002, pp. 277-291.

13. M. Zinigrad, V. Mazurovsky. Development of new welding materials on the base of mathematical modeling of metallurgical processes. Part 2. Development of Solution Algorithm and Software. Proceedings of the Bi-National Russia-Israel Workshop, Ekaterinburg, Russia, 2002, pp. 292-303.

14. Mazurovsky V., Zinigrad M. and Zinigrad A. Mathematical Model of Weld Microstructure Formation. Proceedings of the 12th International Conference TWI Computer Technology in Welding and Manufacturing Conference, Sydney, Australia, 2002, pp. 79/1-79/9.

15. Zinigrad M., Mazurovsky V., Zinigrad A. The Development of Electrode Coating Compositions Basing on the Mathematical Modeling of Physicochemical Processes on Metal-Slag Boundary. Proceedings of the Mills Symposium, London, UK, 2002, pp. 545-553.

16. Mazurovsky V., Zinigrad M. and Zinigrad A. Development of a computer-aided method for designing welding materials. Proceedings of the Second International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Metal Technologies, Ariel, Israel, 2002, pp. 2/29-2/37.

17. V. Shumjakov, N. Litvak, V. F. Mazurovsky, V. L. Mazurovsky, V. Entis. Development of the special hardfacing materials using computer simulation. Proceedings of the Second International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Metal Technologies, Ariel, Israel, 2002, pp. 2/129- 2/136.

18. Mazurovsky V., Zinigrad M. and Zinigrad A. Mathematical representaiton of a modified Schaeffler diagram. Proceedings of the Second International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Metal Technologies, Ariel, Israel, 2002, pp. 3/129-3/139.

19. Zinigrad M., Mazurovsky V. and Zinigrad A. Mathematical modeling of phase interaction taking place during fusion welding processes. Proceedings of the Yazawa International Symposium, San Diego, USA, 2003, Volume 1, pp. 667-680.

20. V. Mazurovsky, M. Zinigrad, A. Zinigrad, L. Leontiev and V. Lisin. New approach to welding materials design. Proceedings of the Bi-National Israeli - Russian Workshop, Jerusalem, Israel, 2003, pp. 144-154.

21. V. Mazurovsky, M. Zinigrad, A. Zinigrad, L Leontiev and V. Lisin. The phenomenological model of non-equilibrium crystallization and strengthening-phase-formation processes in the weld. Proceedings of the Bi-National Israeli - Russian Workshop, Jerusalem, Israel, 2003, pp. 155-167.

22. Мазуровский В.Л., Зиниград М.И., Леонтьев Л.И. Моделирование превращений в металлическом расплаве сварочной ванны. - М.: "Расплавы", № 3,2003, с. 85 - 94.

»-А720

Мазуровский Владимир Львович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Подписано в печать 04.03.2004. Формат 60x84 1.16 Бумага офсетная. Объем •(Д усл. неч. л. Тираж 100 Заказ № 526.

Размножено с готовых оригинал-макетов типографией УрГУ им. А.М.Горького

620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 Институт металлургии УрО РАН

Екатеринбург, К-83, пр. Ленина, 51 Типолаборатория УрГУ

положения концепции создания современных сварочных материалов р

1.1 Современное состояние н области сотдапия материалов для сварки и наплавки.

1.2 Обоснование необходимости новою подхода. Основные положения рафабап.жаемой коненнип

Выводы глдид 2. создание феноменологической модели i1ерав1 ювес1 юй кристаллита!щи сварочной ванны на ос1юве физико-химического а11ализа протекающих процессов

2.1. 11ро1 полирование химическою состава иаплавленпою металла на основе кинетического анализа процессов втанмодейстиия на границе "металл-шлак"

2.2. Физико-химический апалич процесса неравновесной кристаллизации сварочной ванны и процесса карбидообрачовапия

2.2.1 Ф и' и I к о - х и м и ч с с к и й апалич процесса первичной кристалл и ищи и

2.2.2 Физико-химический aiuuin t процесса вторичной кристаллизации

2.3. Феноменологическая модель процесса неравновесной кристаллизации сварочной шиты и формирования металла шва. Прогнозирование количественного и качественного состава упрочняющих фаз (>

M ы волы

глава 3. прогнозировании фазо-структурного состава матрицы наплавленного металла 7с>

3.1. Разработка новой структурной диаграммы.

11рогнозироваиие фазо-структурпого состава матрицы наплавленного металла

3.2. Математическое описание повои структурной диаграммы матрицы наплавленною металла

3.3. Разработка системы автоматизированного проектирования современных сварочных материалов

Выводы

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. 11роек1ировапие. изготовление и испытание жеперимепталытй партии наплавочных материалов

4.1.1.

4.1.2.

4.1.3.

4.1.4.

ЗАКЛЮЧЕНИИ список

Актуальность темы. Физико-химические процессы, протекающие при сварке плавлением, определяют течение технологического процесса сварки. а следовательно и его результат, то сен, состав, структуру и свойства наплавленного металла. Изучение, анализ и описание 'них процессов должны обеспечить разработку оптимальной технологии сварки и главное - прогрессивных сварочных материалов и. как следствие, получение наплавленного металла с требуемой структурой, составом и свойствами, определяемыми ею служебными характеристиками.

Конечная цель сварочного производства - выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому эксплуатационному назначению и условиям работы, для которых они создаются. Получение необходимых механических и физических свойетв сварных соединений - главная задача, решение которой должны обеспечить технологические процессы сварки и новые сварочные материалы.

Процесс сварки плавлением весьма сложен, что определяется прежде всего образованием сварочной ванны, представляющей собой многокомпонентную, многофазную систему с неравномерным температурным полем и сложными процессами массо- и теплоперепоса. Первую группу явлений составляют физические и химические явления, происходящие при подготовке свариваемого материала к образованию прочных свячен между отдельными частями свариваемой детали. В большинстве случаев это явления, связанные с преобразованием различных видов энергии в тепловую. Металл, будучи нагрет и расплавлен, способен образовывать сварное соединение. Чаще всего при сварке для нагрева металла используют электрическую энергию или энергию, выделяющуюся при горении газов, лучевую энергию, а также их сочетания. Теплота, переданная источниками энергии свариваемому телу, распространяется в нем. подчиняясь чаконам теплопроводности. Г.сли бы металл не изменял своих механических и физических свойств при повышении температуры, го задача и зучения нагрева тел при сварке свелась бы только к определению условий, при которых металл в зоне сварки достигает необходимой температуры. И действительности изучение температурных процессов к металле шва и вблизи него необходимо главным образом но лвум причинам: для количественного описания многочисленных реакции, которые идут между жидким металлом и шлаком или газом. а также при определении условий кристаллизации металла, различных структурных превращений и термодеформациопных процессов в металлах.

Процессы массообмепа на границе металл-шлак и металл-газ определяю! химический состав металла шва. а следовательно, во многом и его механические свойства. Однако формирование свойств сварного шва. а тем более сварного соединения, определяется не только химическим составом металла. Характер кристаллизации шва во многом влияет на его свойства. Свойства околошовной зоны и в определенной мере металла шва существенно зависят от температурного н термомеханического циклов, которые сопровождают процесс сварки |1 -4, 17, 62). Для многих легированных сталей и сплавов эта фаза формирования сварного соединения определяет их механические свойства. При сварке могут создаваться такие скорости нагрева и охлаждения металла вследствие передачи iсила по механизму теплопроводности, которые част невозможно организован» при термической обработке путем поверхностной теплопередачи. Образование сварного соединения сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений, которые также влияют на свойства соединений [ 1,4, 7, 17].

Разработка технологии сварки металлом, новых сварочных материалов и процессов термической обработки сварных соединений должны основываться на ясных научных представлениях о протекании сварочных процессов |1. 2. 5|. Теория призвана дать правильное описание совокупности явлений, которые составляют сущность процесса сварки. Однако, уже более века разработка сварочных п наплавочных материалом осуществляется на основе системы эмпирических знаний и накопленных данных и, в основном, зависит от опыта и квалификации разработчиков. Ile существует эффективного метода, который позволил бы на основе строгих научных положений разрабатывать современные сварочные и наплавочные материалы различного назначения. г)го связано с большим количеством физико-химических и технологических параметров, влияющих па процесс формирования состава, структуры и свойств наплавленною металла. Для описания процессов и явлений, протекающих при различных милах сварки плавлением на нсех се этапах, необходимо привлечение широкого круга фундаментальных и прикладных паук. На современном -папе не представляется возможным создать математическое (формализованное) описание всего комплекса процессов, протекающих при сварке плавлением, и па его основе - систему проектирования сварочно-паплавочных материалов. Такое положение привело к перенасыщению мировою рынка однотипными сварочными материалами с одной стороны, а с другой - к сложности, а иногда и невозможности выбора необходимого материала ;и1Я получения сварного «ива или специализированных слоев с необходимыми служебными свойствами. Н мире участились случаи разрушении сварных металлоконструкции и наплавленных специальных покрытии, работающих в условиях сложного пространственною пагружеиия. воздействия агрессивных сред и высоких температур. Особенно -ж» характерно для металлоконструкций из суперсовременных материалов. Следовательно, создание концепции разработки современных сварочных п наплавочных материалов и методологии их проектировании па основе комплексною физико-химического анализа протекающих при сварке плавлением процессов взаимодейстия жидкого металла и шлака, различных структурных прекращении и термодеформациоппых процессов на этапах первичной и вторичной кристаллизации металла шва является актуальным.

Цель настоящей работы заключается в создании покои концепции разработки современных материалов для сварки и наплавки и методологии их проектирования на основе физико-химического анализа протекающих процессов и в частности процесса неравновесной кристаллизации металла шва.

Научная новизна диссертационной работ ы заключается в следующем: на основе физико-химического анализа предложена новая концепция карбидообразования в наплавленном металле в процессе сю неравновесной кристаллизации. И нелепо понятие карбидообразующей способное!и И-члемепгов и па его основе дан ряд карбидообразоваиия; впервые разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации многокомпонентного металлического расплава сварочной панны, учитывающая использование част легирующих <1-)лемспгов па карбидообразовапие; предложена новая структурная диаграмма матрицы наплавленного металла широкою диапазона легироиания, позволяющая качественно и количественно оценивать не только наличие Й-феррита. марзенента и аустепита. по и продуктов расшит аустснита на лапах первичной и вторичной кристаллизации металлического расплава сварочной ванны.

Научили н практическая значимость диссертационной работы заключаемся в следующем:

Разработанная концепция карбидообразоваиия и поияше карбидообразующая способиосзь иолемептов могут быть использованы ;1ля рачрабозки концепции образований боридов и нитридов 11-)лемензов п быстрокриеталлизующихся многокомпонентных металлических расплавах;

• Природа физико-химических процессов, прозекающпх при кристаллизации малогабаритных стальных отливок, аналогична природе процессов, прозекающпх при неравновесной кристаллизации металлического расплава сварочной панны. Всвязи с чем предложенная феноменологическая модель неравновесной кристаллизации многокомпонентного металлического расплава сварочной ванны может быть применена для прогнозирования состава, структры и свойств металла при кристаллизации малогабаризпых стальных отливок широкого диапазона легирования;

• Комплексное применение методов прогнозирования карбидообразоваиия и расчета структуры матрицы (твердого раствора) наплавленного металла в соединении с математическим моделированием технологического процесса сварки позволило создать алгоритм и систему автоматизированного проектирования специальных материалом для сварки и наплавки.

Лдеквагпоечь модели и работоспособность базирующейся па пси еиечемы автоматизированного проектирования подтверждены 'жеперпмешалыю. ('заработанная система автоматизированного проектирования, ядром кочорой являечея •жеиертная система, позволяет решачь большой комплекс научных и практических задач. как то: о моделирование процессом неравновесной крнеч'аллизации многокомпонентных металлических расплавов широкого диапазона легирования для различных видов сварки плавлением и ироизводсчва малогабаритных отливок; о моделирование процесса выделения упрочняющих фит при неравновесной кристаллизации многокомпонентных металлических расплавов широкою диапазона легирования; о прогнозирование состава структуры и свойств закристаллизовавшегося металла шва и металла малогабаритных отливок; о проекчрование новых сварочных и наплавочных материалом для сварки сталей и сплавов на основе железа и производима специальных ннцитных покрытий.

В результате данной работы: предложена научно-обоснованная концепция разработки современных сварочио-нанлавочных материалом на основе общего структурного анализа их служебных характеристик и сварочпо-техпологических свойств, а чакже физико-химического анализа процессов взаимодействия «внешняя среда -наплавленный металл», процессов неравновесной кристаллизации меч алла шва и карбидообразовапия; разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации металла шва широкого диапазона легирования, учитывающая использование части легирующих элементом на карбидообразовапие; разработан аналитический метод расчета количества карбидных фаз; разработан замкнутый алгоритм проектирования современных сварочных и наплавочных материалов.

Ha taiiuny выносится: основные положения концепции разработки современных сварочных материалов; методика расчета карбидных фат к наплавленном металле; методика расчета фазового состава матрицы ианланленного металла; система автоматизированного проектирования сварочных материалов. * *

В настоящем работе использованы результаты исследований, выполненные совместно с академиком Л.И. Леонтьевым и профессором М.И. Зпниградом.

Э^еримеиталышя чаем» данной работы (производство экспериментальных порошковых проволок и испытание и исследование образцов, наплавленных -и ими проволоками) выполнена совместно с В.И. Шумяковым, A.II. Краспопольским. В.Ф. Мазуровской. В.1>. ')итисом. Г.М. Пипхусовичем, А.М. Зиниградом и U.C. Литвак. Часть исследовании и испытаний выполнена на оригинальных приборах и установках конструкции В.И. Шумякова и Г.М. Пипхусовича.

Автор считает своим долгом сердечно поблагодарить члеп-корр. РАН Пастухова ').А., иро(|)ессоров Фишмаиа А.Я. Шалимова М.П. Шупясва К.Ю. к.т.и. Лисина BJI. к.х.н. Пономарева В.И, км.и. Сокола И.Я. за ценные советы при обсужде! I и и работы.

Выводы

1. Разработан принципиально новый вариант структурной диаграммы матрицы наплавленного металла, учитывающий использование части углерода и легирующих элементов иа карбидообразование и взаимное влияния элементов на образование структурных составляющих.

2. Создана математическая модель для формализованного описания диаграммы. Полученные математические зависимости впервые позволили рассчитывать и прогнозировать фазо-структурный состав наплавленною металла в широком диапазоне легирования.

3. На основе феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны и математического описания предложенной структурной диаграммы разработан замкнутый алгоритм расчета фазо-структурпого состава наплавленного металла и количественною и качественною состава упрочняющих фаз.

4. Впервые разработана эффективная система автоматизированного проектирования (САПР) сварочных материалов, в основе которой лежит экспертная система, оперирующая системой знаний, основанной па феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны. Система автоматизированного проектирования (САПР) сварочных материалов организована как открытая система индивидуального пользования с возможностью постоянного обновления и дополнения баз данных и знаний по мере их накопления и развития.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Проектирование, изготовление и испытание экспериментальной партии наплавочных материалов

Новый подход к проектированию сварочных материалов, феноменологическая модель карбидообразоваиня в железоуглеродистом наплавленном металле, математическое описание новой структурной диаграммы, система автоматизированного проектирования - все эти разработки требуют тщательной проверки на работоспособность и адекватность отражения реальных процессов. Такая проверка была осуществлена путем проведения комплекса экспериментальных работ в условиях лаборатории современных материалов Матсриаловсдчсского центра Академического колледжа Иудеи и Самарии (Израиль).

4.1.1. Постановка экспериментальных работ. Их цели и задачи

Для проведения экспериментальных работ была выбрана важная техническая проблема - ударно-абразивный износ стенок бункера загрузочного устройства, изготовленных из стали типа 20К, под воздействием загружаемого сыпучего многокомпонентного сухого материала со следющими характеристи кам и: грануляция 20-1200 цм; внедренные глыбы грапито-подобпого материала размером от 40 до 500 мм в направлении наибольшей протяженности; средний удельный насыпной вес материала - 5.2 т/м\ средняя удельная твердость -54 11RC,; относительная влажность - не более 30 %; средняя статическая нагрузка па стенки бункера 12 кГ/мм2 (приблизительно 120 МРа); средняя ударная пафузка на стснкн бункера - 90 кГ/мм2 900 МИа) с частотой 25 ударов в минуту на 1 м2.

Таким образом, задача заключается в обеспечении надежной работы стенок бункера загрузочного устройства из стали 20К в условиях ударно-абразивного износа, вызываемого воздействием химически неагрессивною материала. Решение такой задачи видится в создании специального защитного покрытия на сгеиках бункера, способного противостоять воздействию внешней среды. Одним из возможных вариантов такого решения является наплавка специального материала. Целесообразность такого варианта определялась следующими соображениями:

1. скорость изнашивания стали 20К иод воздействием материала с вышеуказанными характеристиками оценивается в 6.2 мг/сек-м2 [10, II] (приблизительно 10 мм толщины листа в год с I м2) - т.е. для обеспечения длительного межремонтного цикла толщина покрытия должна быть не менее 3 мм (при условии, что скорость изнашивания этого металла по крайней мере в 4 раза меньше, чем у стали 20К), что наиболее эффективно осуществить сваркой плавлением (наплавкой), так как бункер имеет значительную площадь (> 5 м2): автоматизированные способы сварки обеспечивают наплавку 1 м2 (толщина наплавки = 3 мм) за 1 - 2 часа, что значительно превышает производительность всех методов термического напыления, включая ЭДМ;

2. электродуговая наплавка обеспечивает наиболее высокое качество наносимого покрытия по таким важным показателям как:

- трещиностойкость; пористость; неметаллические включения;

- плотность.

Исходя из этих соображений и целей экспериментальных работ их задачи сводятся к следующим:

I. Спроектировать специальный сварочный материал па основе предложенного нового подхода с использованием разработанной САПР для целей нанесения чащи того покрытия па стопки бункера загрузочного устройства. Полученный наплавленный металл должен обеспечим, падежную защиту стенок бункера от воздействия ударно-абразивного износа, вызываемою материалом с известными характеристиками и свойствами при определенных условиях нагруженпя. Проектируемый сварочный материал должен обладай, комплексом функций п свойств. определенных результатом проектирования (высокими сварочпо-тсмюлогнчсскими свойствами и пр.). при условии его использования на конвенциональном сварочном оборудовании. Нами выбран широко применяемый в мире сварочный комплекс KIîMPI'l 3500 зииа МИГ -- MAI" с подающим механизмом, снабженным парно-роликовым проводом. ;1ля сварочных проволок диаметром от 1.8 до 3.2 мм.

2. На основе результатов проектирования изготовить специальный сварочный материал в виде партии самозащитных или газозащизпых порошковых проволок диамет ром 2.0 мм.

3. Произвести наплавку изделий-представителей изготовленными порошковыми проволоками на режимах сварки, определенных результатами проектирования. Наплавку произвести на изделия-представители, имитирующие реальное рабочее тело - стенку бункера. Материал образцов - сталь 20К (1051 Gr. 164400, 154-400 US. Великобритания). Из каждого изделия-представителя произвести вырезку "холодным" способом необходимого количества образцов для проведения натурных испытаний, металлографических исследований, рент i ciюет руктурпою и химического анализа.

4. Провести натурные испытания образцов и их мсз'аллографичсскнс исследования, рентгеноетруктурный и химический анализы. Обеспечить системную регистрацию результатов испытаний, исследовании н анализов. Произвести обработку результатов исследований и их анализ.

5. По результатам анализа провести верификацию проектного решения и определить адекватность характеристик полученного наплавленного металла с таковыми, определенными в проект ном решении.

6. При наличии значительных расхождений - произвести соответствующие корректировки в модели карбидообразоваиия и математическою описания новой структурной диаграммы и соответствующие изменения в программном обеспечении САШ* и структуре экспертной системы.

В рамках предложенного подхода было сформулировано техническое задание па проектирование нового сварочного материала, в котором были определены:

- назначение и основные характеристики проектируемого материала;

- ожидаемый (желаемый) комплекс функций и свойств объекта проектирования;

- область применения;

- граничные значения диапазона параметров процесса наплавки:

- характеристики применяемого наплавочного оборудования:

- желаемая относительная износостойкость наплавляемого металла по сравнению с материалом, подвергаемым защите (принят за условную единицу);

- маршруг проектирования;

- комплект выходной технической документации.

Первым этапом проектирования, как определено в новом подходе, является анализ внешней среды и характер пагружсиия рабочего тела. Легализация основных этапов повою подхода и последовательность их реализации изложены в первой главе настоящей работы. Напомним только, что они осуществляются в режиме диалога «оператор - экспертная система» с формированием в итоге каждого этана пакета входных данных для экспертной системы. На втором этане в режиме тою же диалога производится анализ рабочего тела, т.е. сю состав, комплекс свойств, гсомегрическис характеристики, особенности конструкции и прочее. Параллельно формируется пакет входных данных о рабочем теле. Третий этап - наиболее важный - определяет характер взаимодействия рабочего тела и внешней среды на основании пакета входных данных по первым двум этапам и редактирующим воздействиям оператора системы. При этом формируются знания об этом взаимодействии, которые заносятся в БЗ и мо|уг быть использованы системой для последующих проектов и строится модель взаимодействия с описанием протекающих процессов [10, 12). В нашем конкретном случае было определено, что стенки бункера воспринимают абразивное и ударное воздействие от сыпучего грунта, характеризуемое как сухое зрение в случае размера частиц, превышающего 80 микрон а при меньшем размере частиц, как микрорезание. Мри этом внедренные глыбы оказывают ударное воздействие, вызывающее нормальные i i (до 30.50 кГ/мм") и сдвиговые (до 25.40 кГ/мм") напряжения в стенках бункера.

Отделы иле пиковые ударные нагрузки могут превышать предел прочности стенок сосуда (50 кГ/мм2) и вызывать локальное растрескивание. Особую опасность вызывает эффект микрорезания, вызывающий интенсивный износ стенок сосуда

4.5 мг/сск-м:). Остальные виды воздействия вызывают износ не превышающий 2 мг/сск-м" (II]. Па основании анализа полученных представлений о характере взаимодействия «внешняя среда - рабочее тело» и связанных с ним процессов, осуществляем главный этап проектирования - формирование представления о требуемой структуре наплавленного металла. Представление формируется па основе пакета данных, являющихся резул«»татом работы предыдущих этапов, и комплекса знаний, заложенных в базе знаний (1»3) экспертной системы. В разработанной САПР эта база содержит модель знаний, сформированную па основе результатов фундаментальных исследований российских и зарубежных ученых о работоспособности деталей машин и конструкций в условиях воздействия абразивного и ударного изнашивания [7, 9 - 12, 15 - 25] и установления взаимосвязей «структура - износостойкость металла» ]9. 12, 19]. В результате этого этапа было определено, что для зашиты стенок сосуда из стали 20К от интенсивного износа в условиях абразивного изнашивания, вызываемого совместным воздействием сухого трения, микрорезания и ударного воздействия, необходимо произвести защиту внутренней поверхности стенок бункера путем нанесения защитного слоя из металла, способного противостоять такому комплексному воздействию. Нанесение покрытия целесообразно обеспечить методом электродуговой наплавки. Специальный сварочный материал должен обеспечить формирование наплавленного металла, имеющего базовую структуру структура матрицы) мелкоигольчатого или игольчатого мартенсита и метастабилыюю аустспита (30 - 50 %, мае.) с рашюмерно-распределсиными и ней карбидами (5-15 %, мае.).

Мстастабильнмй аустеиит при интенсивном ударном нагружении. поглощая чаем» энергии удара, переходит в мартенсит, упрочняющий наплавленный металл и повышающий его износостойкость. Ныла рассчитана такая система легирования, при которой область мартенситного превращения смещается в диапазон комнатных температур (Ms < 120 °С, Мг < О °С) [122, 124. 126, 128, 130, 132. 134 - 139). Ото позволяет по окончании кристаллизации наплавленною металла сохранит!, значительное количество аустспита, пересыщенного легирующими элеметамн. в т.ч. элементами, образующими твердые растворы внедрения с аустснитом (Ti. С, N), что делает аустеиит неусточивым при пластическом деформировании [137). Таким образом происходит распад аустспита при ударном нагруженпи или микрорезании на мартенсит и карбиды, т.е. дополнительное упрочнение металла наплавки и повышение его износостойкости.

Теперь, когда сформировано представление о требуемой (вторичной) структуре наплавленною металла, можно перейти к расчету первичной структуры (получаемой в результате первичной неравновесной кристаллизации сварочной ванны) и химического состава металла шва. Расчет представляет- собой решение обратной задачи, когда входными параметрами является вторичная структура металла шва и значения параметров термо-деформациоиного цикла сварки. Расчет осуществляется в режиме диалога «эксперт - экспертная система» и основывается на разработанной в рамках данной работы феноменологической модели неравновесной вторичной кристаллизации металла шва, сопугетвуюшим ей процессам выделения вторичных карбидов и математическом описании новой структурной диаграммы. Входные данные но вторичной структуре рассчитываемых сварочных материалов (методика расчета подробно описана в первой главе настоящей работы) представлены в таблице 4.1.

Результаты расчета первичной структуры и хим.состава наплавленного металла 4-х проектируемых сварочных материалов приведены в таблицах 4.2 и 4.3 соответственно:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К наиболее существенным результатам данной работ!,I следует отести следующие:

I. Разработка новою подхода к проектированию современных сварочных материалов:

1. Предложен научный подход к разработке сварочных материалов на основе системною анализа требуемых служебных характеристик металла шва, производимого данными материалами, и физико-химического анализа процессов, протекающих в металле шва в процессе его производства.

2. Показана эффективность моделирования процессов, протекающих в металле шва на этапах его производства и взаимодейст вия с окружающей средой при ею эксплуатации. Анализ этих моделей обеспечивает получение комплекса данных для расчета электродной формулы проектируемого сварочного материала, как функции этих процессов.

3. Сформулированы основные этапы проектирования сварочных материалов, базирующиеся па индивидуальном и системном подходах к процессу проектирования и его автоматизации:

• анализ внешней среды и характер пагружсиия рабочего тела;

• анализ рабочего тела;

• установление характера взаимодейст вия внешняя среда - рабочее тело и связанных с ним процессов;

• формирование представления о требуемой структуре металла шва (специальных наплавленных слоев);

• расчет первичной структуры и химического состава металла шва (наплавленного металла);

• расчет электродной формулы;

• проверочный расчет.

Результатом проектирования в соответствии с вышеприведенными лапами должно быть: определение электродной формулы специального сварочного /наплавочного материала; и определение особенностей технологического маршрута производства данного материала; и технология процесса наплавки; и прогноз химсостава, структуры и свойств наплавленных слоев; и определение длительности рабочего цикла наплавленных слоев.

Определены основные принципы проектирования специальных наплавочных материалов с требуемыми служебными характеристиками:

Индивидуальпыый подход к проектированию, то есть проектирование специального наплавочного материала для конкретного рабочею тела, работающего в конкретных условиях воздействия внешней среды;

Создание системы знаний о рабочем теле, о внешней среде, о процессах взаимодействия рабочего тела с внешней средой, о процессах протекающих в сварочной ванне и при первичной и вторичной кристаллизации;

Математическое и компьютерное моделирование процессов, происходящих при взаимодействии рабочего тела с окружающей средой и непосредственно процессов, приводящих к получению специального покрытия, то есть технологическою процесса наплавки и процессов кристаллизации;

Системный подход к процессу проектирования па основе системного анализа объекта проектирования;

Автоматизация процесса проектирования па базе системы автоматизированного проектирования, ядром которой является экспертная система;

Верификация проектных работ.

II. Создание феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны на основе проведенного физико-химического анализа:

1. Предложены механизмы первичной кристаллизации металла шва и формирования первичных карбидов па основе сформулированного принципа карбидообразования в железо-углеродистом наплавленном металле.

2. Предложены механизмы распада легированного аустеиита и формирования вторичных карбидов в процессе неравновесной вторичной кристаллизации металла шва.

3. Разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации металла шва. позволяющая прогнозировать фазо-етруктуриый состав наплавленного металла широкого диапазона легирования.

4. Предложен новый вариант диаграммы Шсффлера для прогнозирования структуры наплавленною металла. Новая диаграмма позволяет учитывать процесс карбидообразования в сталях и прогнозировать структуру матрицы наплавленного металла широкого диапазона легирования.

5. Представлено математическое описание новой структурной диаграммы Шсффлера, позволившее компьютеризировать процесс определения структуры твердого раствора наплавленного металла.

III. Практическое использование нового подхода для проектирования промышленных партии специальных сварочных материалов:

1. Совместное применение методов прогнозирования карбидообразования и расчета структуры матрицы (твердою раствора) наплавленною металла в соединении с математической моделью технологического процесса сварки позволило создать алгоритм и систему автоматизированного проектирования специальных материалов для сварки и наплавки в соответствии с положениями и требованиями базовой концепции. Адекватность модели и работоспособность базирующейся на ней системы автоматизированного проектирования подтверждены экспериментально.

С использованием предложенной модели и САШ' спроектированы и изготовлены:

- специальные электроды для сварки и наплавки сплавов типа №.чА1, исключающие типичное растрескивание наплавленного металла под действием термо-деформациоипого цикла сварки;

- порошковая проволока для механизированной сварки гальванизированных сталей на сверхвысоких скоростях (до 90 м/час) с гарантированно высокими механическими характеристиками;

- порошковые проволоки для механизированной наплавки быстрорежущего инструмента с гарантией получения наплавленного металла, обладающего свойствами быстрорежущей стали типа Р6М5 без последующей термообработки.

1. Волчснко В.Н. Ямиольский В.М., Винокуров В.Л. и др. Теория сварочных процессов /11од ред.ироф. Фролова B.B. М.: Высшая школа, 1988. - 559 с

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. / Под ред. акад. B.I:. Патопа. М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

3. Рыкалин И. П., Расчеты тепловых процессов при сварке. Справочник по сварке, гл. II. М.: Машгиз, 1960. - 556 с.

4. Сварка в машиностроении. Справочник / Под ред. II. А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. Т. 1.-501 с.

5. Нагон H.H., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М.: Машиностроение, 1966, 359 с.

6. Кох H.A. Основы термодинамики металлургических процессов сварки. JI.: Судостроение, 1975. - 240 с.

7. Ван Флеке JI. Теоретическое и прикладное материаловедение. Пер. с англ. -М.: Атомиздат, 1975.-472 с.

8. Сварочные материалы для дуговой сварки. Т. 2. Сварочные проволоки и электроды / Под общей редакцией И. И. Потапова. М.: Машиностроение. 1993.-767 е.

9. Разиков М. И. Тол сто в И. А. Справочник мастера наплавочного участка. -М.: Машиностроение, 1966. 200 с.

10. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977 - 526с.

11. Ткачев В.П. Работоспособность деталей машин в условиях абразивного износа. М.: Машиностроение. 1995. - 336 е.

12. Рыбакова JI. М„ Кукеепова JI. И. Структура и износостойкость металла. -М.: Машиностроение, 1982. -212 с.

13. Патон B.lï., Уткин В.Ф., Мсдосека А.Я. Хромяк II.Т. О структуре систем технической диагностики сварных конструкций // Автоматическая сварка. 1984. №5.-с. 1-9.1415,16.