Способ получения сплава

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (i ц 7768 I 4

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07.08.78 (21) 2655879/25-27 с присоединением заявки № (23) Приориет (43) Опубликовано 07.11.80. Бюллетень № 41 (51) M. Кл.з

В, 23 К 9/04

Государственный комитет

СССР по делам иэобретеийй и открытий (53) УДК 621,791.75 (088.8) (45) Дата опубликования описания 07.11.80 (72) Авторы изобретения В. В. Рощин, В. Б. Николаев, С. А. Трифонов и Е. Г. Володин (71) Заявитель ептБ

Ф т (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВА

Изобретение относится к способам получения сплавов заданного переменного состава путем расплавления материалов с применением электродугового, плазменного, электронно-лучевого, газового и других локальных источников тепла и может быть использовано в химической, энергетической и других отраслях промышленности.

В болыпинстве случаев при выборе оптимальных вариантов легирования металла шва и присадочных материалов для сварки, а также при поиске новых сталей и сплавов возникает необходимость изготовления и исследования свойств множества плавок металла с различным содержанием легирующих элементов. Это трудоем, кий и дорогостоящий процесс, так как требует выплавки слитков, их ковки и изготовления различного сортамента металла.

Применение сплавов переменного состава позволяет заметно уменьшить объем и стойкость таких разработок, повысить точность определения оптимальных составов.

Известен способ получения сплавов заданного переменного состава по выбранному измерению путем расплавления двух и более подаваемых в зону плавления стержней различного химического состава, при этом в процессе расплавления стержней изменяют скорость подачи каждого из них в соответствии с заданным химическим составом получаемого сплава при одновременном регулировании параметров режима расплавления стержней (1).

Недостатком этого способа является то, что согласование программы изменения режима расплавления стержней и скорости их подачи с заданным законом изменения состава сплава требует проведения слож10 ных расчетов и трудоемких операций, особенно в тех случаях, когда необходимо получить сплав переменного состава с несколькими изменяющимися компонентами его легирования. Другим недостатком яв1 ляется необходимость сложного специального оборудования для получения сплавов переменного состава этим способом. Кроме того, в некоторых случаях по технологическим причинам (ковка, волочение) стерж20 ни необходимого состава не могут быть изготовлены.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ получения сплава заданного переменного состава

25 по выбранному измерению путем расплавления кромок двух пластин с фиксированной границей проплавления, установленных с зазором, в который вводят содержащий регулируемые в сплаве элементы присадоч30 ный материал преимущественно в виде тон10

65 кой фольги, форму верхней кромки которого и ее превышение над границей проплавления пластин устанавливают в соответствии с требуемым законом изменения состава сплава (2).

Недостатком этого способа является малый диапазон изменения химического состава сплава из-за ограниченного участия присадочного материала (фольги) в образовании сплава, так как значительное расширение диапазона изменения состава требует черезмерного увеличения зазора между пластинами из-за необходимого утолщения вводимого в него присадочного материала.

Это приводит к нарушению стабильности границы проплавления, а следовательно, к несоответствию закона изменения состава реально получаемого сплава заданному, что затрудняет исследование свойств интересующих композиций сплава и делает применение известного способа в этом случае нецелесообразным. Другим недостатком известного способа является то, что при его использовании для получения сплавов с узким диапазоном изменения содержания легирующих элементов доля участия основного материала в образовании сплава изменяется незначительно, что затрудняет оценку свойств близких по составу участков сплава и тем самым снимает точность определения зависимости свойств сплава от

его состава.

Это подтверждается следующим анализом. Состав сплава в какой-либо точке можно выразить формулой о (1 . = o) (Coi + Coo + оз ) +

+ D„(1 - 3„) (CÄ, + C„, + C„,...) = 1, (1 где Ро и D — соответственно весовые доли участия основного и присадочного материалов в образовании сплава;

60 и 6> — соответственно суммарные погрешности фиксации и определения Do и Р; Оь Cop 1-юг "— концентрации элементов в основном металле;

C >, C g, C — концентрации элементов в присадочном материале.

Закон изменения Ро по длине образца можно представить в простейшем случае в следующем виде .О, =1 — КХ, (2) где Х вЂ” относительная координата образца, отсчитываемая от точки нача1 ла легирования; Х= —, где L— длина образца, t — расстояние изучаемой точки от точки начала легирования;

К в скорость изменения Dp по длине образца, при этом 0(РО(1 и

0(Х<1.

Минимальное расстояние hM между точками с различными Ро, а следовательно, и составами, при имеющейся погрешности 60, определяется из выражения "й где ! ) =-К, т. е. Ь„„,=3, — . (3) Погрешность бо определяется возможностью колебания режима сварки, точностью механической обработки и образца, теплофизическими свойствами основного и присадочного материалов и поэтому может быть принята постоянной и минимально возможной при данных условиях. Следовательно, для уменьшения hM с целью обеспечения возможности более точного определения экспериментальным путем зависимости свойств сплава от его состава за счет снижения шага изменения состава необходимо увеличить значения К в отношении

Ds . Это означает увеличение изменения

К доли участия основного материала в образовании сплава, а при фиксированной границе проплавления это возможно только за счет увеличения изменения доли участия присадочного материала, что известный способ не позволяет осуществить по указанным причинам.

Цель изобретения — расширение диапазона изменения состава сплава и повышение точности определения зависимостей свойств сплава от его состава при сохранении высокой производительности процесса.

Для этого в способе получения сплава заданного переменного состава по выбранному измерению путем расплавления основного и заложенного в его паз фигурного присадочного листа, содержащего регулируемые в сплаве элементы, закон изменения состава которых задают площадью поперечного сечения указанного листа, паз выполняют переменной ширины, а фигурный лист устанавливают в пазу так, чтобы его конфигурация изменялась в горизонтальной плоскости паза.

Это позволяет расширить диапазон изменения состава сплава и повысить точность определения зависимости свойств сплава от его состава за счет увеличения изменения долей участия присадочного и основного материалов в образовании сплава.

На фиг. 1 приведен график возможного изменения долей участия основного и присадочного металлов в образовании сплава в виде металла шва, которое позволяет осуществить предлагаемый способ. Кривая

1 характеризует изменение D<, кривая II— изменение D„, Диапазон изменения содер776814 жания легирующих элементов в сплаве регулируется за счет содержания их в приса дочном металле; на фиг. 2 — график изменения содержания элементов в сплаве, соответствующего изменению D< и В„как показано на фиг. 1 для случая, когда регулируемые элементы содержатся в основном металле; на фиг. 3 — то же, для случая отсутствия в основном металле регулируемых элементов. Кривые Ш и V характери- 1О зуют содержание в сплаве элементов основного металла, кривые IV u VI — содержание регулируемых элементов; на фиг. 4 изображен образец, обеспечивающий после его сварки заданный закон изменения состава сплава, один из возможных вариантов, общий вид; на фиг. 5 — 7 — различные сечения образца; на фиг. 8 — возможный вариант выполнения паза и присадочного листа, где 1 — пластина основного материала длиной L, шириной В и толщиной Н; 2 — паз переменного сечения, выполненый в пластине 1, размеры паза; общая длина l, длина отдельных участков

4, lq, глубина h>, ширина различных 25 участков Ь,, b3, b4, угол наклона а1, 3— присадочный материал, содержащий регулируемые элементы, размеры присадочного материала: угол наклона а>, остальные размеры равны размерам паза 2; 4 — свар- 50 ной шов шириной b< и глубиной проплавления h>, 5 — кратер сварного шва. Паз 2 на участках l и l> выполняют постоянного сечения шириной b> и b4 соответственно для более точного фиксирования минимального З5 и максимального содержания в сплаве регулируемых элементов, При этом 11 и 1 должны быть не менее длины хвостовой части сварочной ванны для выбранного режима сварки, b4(0,9b1 для обеспечения 40 максимального изменения долей участия

D0 и П и полного сплавления присадочного и основного металлов, b )1 мм для обеспечения удобства изготовления узкой части канавки 2. 45

Размеры и форму участка на длине lz c переменной шириной b3 устанавливают в соответствии с заданным законом изменения состава сплава и возможностью последующей вырезки из него образца для ис- 50 следования свойств его различных участков, Если для исследования необходимо вырезать по несколько образцов одинакового состава, то паз 2 и присадочный материал 3 можно выполнить так, как пока- 55 зано на фиг. 8. Для обеспечения стабильной границы проплавления глубину паза 2 выбирают обычно несколько меньшей глубины проплавления при используемом режиме сварки h (h>. Угол наклона а паза 5О

2 устанавливают из расчета максимального приближения формы поперечного сечения канавки 2 к форме сечения сварного шва 4. Обычно а1-45 . Для удобства из1 1 овлеция и сборки присадочного метддлд 65

3 с основным 1 а — — а1 — (1 — 2 ). Присадочный материал 3 изготавливают из листа, поковки, литья и другого сортамента металла. Использование литья для получения заготовок присадочного материала 3 практически не ограничивает количественного содержания в нем необходимых легирующих элементов, так как для его изготовления из литья достаточно только механической обработки, а операции ковки и прокатки исключаются, Присадочный материал можно изготовить в виде пакета листов, а в некоторых случаях в виде порошка.

Толщину Н пластины 1 основного материала выбирают из условий обеспечения меньшей деформации ее после сварки и удобства механической обработки.

Способ осуществляют следующим образом. Выбирают основной материал и интересующий диапазон изменения содержания в нем легирующих элементов. Затем в соответствии с требуемым объектом исследований и назначенным диапазоном изменения состава определяется закон изменения содержания в сварном шве 4 легирующих компонентов и размеры пластин основного металла а, В, Н. После этого на основании выбранных размеров пластины 1, теплофизических и технологических свойств основного материала и возможности получения необходимых количества и типов образцов для исследования устанавливают режимы сварки, определяют размеры сварочной ванны на эттом режиме. Затем в соответствии с указанными данными расчетным путем определяют размеры паза 2 и присадочного материала 3 и состав последнего, после чего их изготавливают. Обоаботанный по форме паза 2 присадочный материал 3 укладывают в паз 2 и прихватывают ручной аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом без присадочной проволоки так, чтобы при сварке все прихватки полностью переплавились. Собранную пластину устанавливают в сварочной установке и производят сварку шва 4 по выбранному оежиму. Сварку начинают на пластине 1 или специальном выводном платике на васстоянии l4 от начала узкой части паза 2. Длину l4 выбирают из расчета установления стабильного процесса сварки и возможности получения сравнительных характеристик металла шва основного материала относительно получаемого сплава с регулируемыми элементами.

Обычно 14 — — 30 — 80 мм. Заканчивают сварку шва 4 на пластине 1 или выводном платике на расстоянии 4 от конца паза 2 с присадочным материалом. Длину ls выбирают из расчета полного вывода кратера 5 с канавки 2 с присадочным материалом 3.

То, что присадочный материал 3 введен во все сечение расплавляемого паза 2. которое может составлять. от 3 — 50/о до 90, п

776814 от поперечного сечения шва, позволяет изменять доли участия основного и присадочного материалов, а следовательно, и состав шва, в широком диапазоне и дает возможность изучать свойства различных участков сплава с меньшей разницей концентраций легирующих элементов. Замкнутый контур кромок паза 2 позволяет получить сравнительные характеристики основного металла относительно минимального, промежуточных и максимального уровня легирования сплава.

Монолитность соединения паза 2 с присадочным материалом 3 при постоянной глубине паза 2 по длине пластины 1 обеспечивает при сравнительно небольшой глубине проплавления стабильность границы проплавления по всей длине паза 2, что также позволяет с большой точностью фиксировать задаваемый состав сплава и его свойства.

Полученный по предлагаемому способу металл шва переменного состава может быть подвергнут механическим, коррозионным, структурным и другим испытаниям и исследованиям, позволяющим установить непрерывные функциональные зависимости структуры и свойств сплава от его состава.

Пример. В качестве основного металла выбирают сталь 12Х18Н10Т и задаются целью исследовать комплексное влияние содержания хрома от 18 до 36% и доли участия основного металла (железа) от 70 до 28О/о, никеля от 10 до 37О/о в металле сварного шва на его ударную вязкость и коррозионную стойкость. Принимают размеры пластины основного металла:

L=270 мм, B=90 мм, H=14 мм (см. фиг.

4) . Режим автоматической аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом без присадочной проволоки выбирают следующим: сварочный ток 340 А, напряжение дуги

17 В, скорость сварки 2,85 м/ч. При этом на пластине из стали 12Х18Н10Т размеры сварочной ванны составляют: 6 — — 24 мм, hz — — 5,5 мм, длина хвостовой части сварочной ванны 19 мм. Это обеспечивает возможность вырезки из сварного соединения необходимых типов образцов. Затем определяют размеры паза 2, присадочного материала 3 и его состав, соответствующие заданному закону изменения состава металла шва при сварке на указанном режиме: l)=20 мм, lg — — 160 мм, l — — 20 мм, h> — — 35 мм, присадочный материал из бинаоного сплава Х50Н50.

Изгбтовляют на двух пластинах основного металла пазы 2 и присадочный материал 3, укладывают его в пазы и прихватывают к пластине ручной аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом без присадочной проволоки так, чтобы поставленные прихватки при сварке полностью переплавились. Затем производят сварку собранных пластин по указанному режиму.

Начало и окончание сварки производят на выводных пластинах из стали 12Х18Н10Т, при этом l4 и 1 по 60 мм каждая. Содержание хрома, никеля и железа в металле шва определяют спектральным методом.

Контроль качества швов проводят рентгенопросвечиванием и металлографическими исследованиями. Дефектов не обнаружено.

Из двух сварных пластин изготовили образцы для определения ударной вязкости и коррозионной стойкости. Полученные данные показывают, что предлагаемый способ позволяет непрерывно и в достаточно широком диапазоне регулировать состав металла шва, Изменение состава шва приводит к заметному изменению его свойств: ударной вязкости ст 8,5 до 5,5 кг м/см и скорости коррозии в кипящем азотнофторидном растворе от 27 до 16 г/м .ч. На определенном участке кривой коррозионной стойкости наблюдается выравнивание показателей скорости коррозии, что свидетельствует об оптимальности состава этого участка шва с точки зрения обеспечения наиболее высокой коррозионной стойкости.

Предлагаемый способ позволяет по сравнению с известным расширить диапазон изменения состава сплава, повысить точность определения зависимости свойств сплава от его состава, а следовательно, снизить расход металла и трудоемкость исследований до 90o .

Способ может быть широко использован при выборе оптимальных вариантов легирования металла сварного шва и присадочных материалов для сварки, определении влияния доли участия основного и присадочного материалов на свойства металла шва и может быть рекомендован при изыскании составов новых сталей и сплавов.

Формула изобретения

Способ получения сплава переменного химического состава пп выбранному измерению путем расплавления основного и заложенного в его паз фигурного присадочного листа, содержащего регулируемые в сплаве элементы, закон изменения состава которых задают площадью поперечного сечения указанного листа, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона изменения свойств сплава, повышения точности определения зависимости свойств сплава от его химического состава, паз выполняют переменной ширины, а фигурный лист устанавливают в пазу так, чтобы его конфигурация изменялась в горизонтальной плоскости паза.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Уо 507428, кл. В 23 К 9/04, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

М 500930, кл. B 33 K 9/04, 1973. с> 1.

Р, Г

Аг.7 О 1 .>

Ч ь

//ачало

Марки

А-А

3 г (il

Фиг. 5

77681-

/пина вайа

Рог . P

Дла//а ЫЮй г

Д/2. 4

/-Г

/ /