blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-4-292-297blackmet-1074Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEМЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕMETHOD OF DETERMINING THE OPTIMAL CONCENTRATION OF NANOSTRUCTURED POWDERS IN SHIELDING GASБаранниковаС. А.BarannikovaS. A.

д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, профессор кафедры механики деформируемого твердого тела и строительной механики

Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Professor of the Chair “Mechanics of Strained Solids and Construction Mechanics”

bsa@ispms.tsc.ruШляховаГ. В.ShlyakhovaG. V.

к.т.н., научный сотрудник

Cand. Sci. (Eng.), Research Associate

shgv@ispms.tsc.ruЗернинЕ. А.ZerninE. A.

к.т.н., доцент, заведующий кафедрой cварочного производства

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Chair of Welding Production

yuti_sp@bk.ruКузнецовМ. А.KuznetsovM. A.

старший преподаватель кафедры cварочного производства

Senior Lecturer of the Chair of Welding Production

kyznechik_85@mail.ruНациональный исследовательский Томский государственный университет Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Томский государственный архитектурно-строительный университетРоссияNational Research Tomsk State University, Tomsk Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk Tomsk State University of Architecture and Building, TomskRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, TomskRussian FederationЮргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университетаРоссияYurga Technological Institute of National Research Tomsk Polytechnic University, YurgaRussian Federation201727052017604292297Copyright © Баранникова С.А., Шляхова Г.В., Зернин Е.А., Кузнецов М.А., 20172017Баранникова С.А., Шляхова Г.В., Зернин Е.А., Кузнецов М.А.Barannikova S.A., Shlyakhova G.V., Zernin E.A., Kuznetsov M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1074

Проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению оптимальной концентрации наноструктурированных порошков в защитном газе. Задача настоящего исследования – разработка методики по определению оптимальной концентрации наноструктурированных порошков в защитном газе при сварке плавящимся электродом в среде аргона. В экспериментальных исследованиях для подтверждения расчетов использовали нанопорошок молибдена, введение которого в сварочную ванну осуществляли через специальное устройство. Наплавку образцов проводили на экспериментальной установке, в состав которой входили сварочная головка ГСП-2, укомплектованная разработанным устройством, источник питания ВС-300Б. Для наплавки образцов из стали 12Х18Н10Т применяли сварочную проволоку 12Х18Н9Т диам. 1,2 мм. Для обеспечения качественного сварного соединения при сварке размеры дендритов должны стремиться к минимуму. Стабильный процесс сварки обуславливается переходом капель электродного металла с торца сварочной проволоки в сварочную ванну, следовательно, объем капли электродного металла также должен стремиться к минимуму. До начала оптимизации концентрации наноструктурированных порошков в защитном газе было установлено влияние параметров режима сварки плавящимся электродом в среде аргона на микроструктуру наплавленного металла. Результаты исследований показали, что минимальный размер зерен наблюдается при силе тока 240 – 260 А и напряжении дуги 28 – 30 В. При этих режимах были проведены исследования по выбору оптимальной концентрации наноструктурированных порошков в защитном газе. Установлено, что оптимальная концентрация наноструктурированных порошков-модификаторов в защитном газе составляет 20 мг/м сварного шва. Установлено, что применение разной концентрации наноструктурированных порошков в защитном газе позволяет получать различную микроструктуру наплавленного металла. Наиболее слаборазветвленные дендриты и равновесная структура по размеру дендритов достигается при концентрации нано- структурированного порошка в защитном газе 20 мг/м сварного шва. При добавлении наноструктурированных порошков-модификаторов в жидкую сварочную ванну происходит увеличение механических свойств сварных соединений по сравнению с процессом сварки без добавления напорошков-модификаторов при +20 °С на 7,5 %, при +500 °С на 6,5 %.

 

The paper presents the theoretical and experimental studies to determine the optimal concentration of nanostructured powders in the shielding gas. The objective of this study is the development of a defi nition technique for optimal concentration of nanostructured powders in the shielding gas during welding by consumable electrode in the argon medium. Molybdenum nanopowder (NP Mo) was used to confi rm the calculations used in the experimental studies. The injection of the powder into the weld bath was carried out through the special device. The surfacing of samples was carried out in a pilot plant, which consisted of a welding head GSP-2 with the developed device, the power supply had rated current of 300 A. For surfacing of steel samples (austenitic steel with chemical composition: C – 0.12 %, Cr – 18 %, Ni – 10 %, Ti – 1 %) the welding wire with diameter of 1.2 mm was used (chemical composition: C – 0.12 %, Cr – 18 %, Ni – 9 %, Ti – 1 %,). To ensure the quality of the welded joint during welding, the dimension parameters of dendrites should tend to a minimum. A stable welding process is caused by the transition of electrode metal droplets from the end of the welding wire into the weld bath. Therefore, the volume of the electrode metal droplet should also tend to a minimum. Before the start of the optimization of nanostructured powders concentration in the shielding gas, the eff ect of welding mode parameters by consumable electrode in the argon medium on the microstructure of the weld metal was established. The results of the investigations have shown that the minimum grain size is observed at a current strength of 240 – 260 A and arc voltage of 28 – 30 V. In these modes, the studies were conducted to select the optimum concentration of nanostructured powders in the shielding gas. It was found that the optimum concentration of nanostructured powders-modifi ers in the shielding gas is 20 mg/m of the welded joint. It was established that the use of diff erent concentrations of nanostructured powders in the shielding gas makes it possible to obtain a diff erent microstructure of the weld metal. The most lightly branched dendrites and the equilibrium structure according to the dendrites size are achieved at a concentration of nanostructured powder in the shielding gas of 20 mg/m of the weld. When adding nanostructured powders-modifi ers to a liquid weld bath, the mechanical properties of the welded joints increase as compared to the welding process, without the addition of a powder-modifi er at +20 °C by 7.5 %, at +500 °C by 6.5 %.

 

наноструктурированные порошкиоптимальная концентрациязащитный газмногофакторное планированиекристаллизациясварочная ваннаnanostructured powdersoptimal concentrationshielding gasmultifactorial planningcrystallizationweld bathReferencesKivinema E.I., Olson D.L., Maltock D.K Particulate-reinforced metal matrix composite as a weld deposit // Welding J. 1995. No. 3. P. 83 – 92.Kivinema E.I., Olson D.L., Maltock D.K. Particulate-reinforced metal matrix composite as a weld deposit. Welding J. 1995, no. 3, pp. 83–92.Wu P., Du H.M., Chen X.L. etc. Infl uence of WC particle behavior on the wear resistance properties of Ni-WC composite coatings // Wear. 2004. Vol. 257. No. 1-2. P. 142 – 147.Wu P., Du H.M., Chen X.L., Li Z.Q., Bai H.L., Jiang E.Y. Infl uence of WC particle behavior on the wear resistance properties of Ni-WC composite coatings. Wear. 2004, vol. 257, no. 1-2, pp. 142–147.Комшуков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. и др. Исследование модифицирования металла нанопорошковыми инокуляторами в кристаллизаторе сортовой машины непрерывного литья заготовок. Теоретическое обоснование // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 8. С. 10 – 12.Komshukov V.P., Cherepanov A.N., Protopopov E.V., Foigt D.B., Ganzer L.A. Investigation of metal modification by nanopowder inoculators in a mold of a continuous casting machine. Theoretical justification. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, no. 8, pp. 10–12. (In Russ.).Протопопов Е.В., Селезнев Ю.А., Черепанов А.Н. и др. Модифицирование металла нанопорошковыми материалами для повышения качества слябовой непрерывнолитой заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 8 – 11.Protopopov E.V., Seleznev Yu.A., Cherepanov A.N., Foigt D.V., Aizatulov R.S., Ganzer L.A. Metal modification with nanopowder materials for the quality of slab continuous casting improvement. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2013, no. 12, pp. 8–11. (In Russ.).Shariff S.M., Pal T.K., Padmanabham G., Joshi S.V. Sliding wear behaviour of laser surface modified pearlitic rail steel // Surf. Eng. 2010. Vol. 26. P. 199 – 208.Shariff S.M., Pal T.K., Padmanabham G., Joshi S.V. Sliding wear behavior of laser surface modified pearlitic rail steel. Surf. Eng. 2010, vol. 26, pp. 199–208.Kaysser W. Surface modifi cations in aerospace applications // Surf. Eng. 2001. Vol. 17. P. 305 – 312.Kaysser W. Surface modifications in aerospace applications. Surf. Eng. 2001, vol. 17, pp. 305–312.Morks M.F., Fahim N.F., Kobayashi A. Microstructure, corrosion behavior, and microhardness of plasma-sprayed WNi composite coatings // J. Manuf. Process. 2008. Vol. 10. P. 6 – 11.Morks M.F., Fahim N.F., Kobayashi A. Microstructure, corrosion behavior, and microhardness of plasma-sprayed WNi composite coatings. J. Manuf. Process. 2008, vol. 10, pp. 6–11.Vayena O., Doumanidis C., Ranganathan R., Ando T. Welding methods for production of MMC coatings using particulate-cored wire precursors // J. Manuf. Process. 2005. Vol. 7. P. 130 – 139.Vayena O., Doumanidis C., Ranganathan R., Ando T. Welding methods for production of MMC coatings using particulate-cored wire precursors. J. Manuf. Process. 2005. vol. 7, pp. 130–139.Wu Z.H. Empirical modeling for processing parameters’ effects on coating properties in plasma spraying process // J. Manuf. Process. 2015. Vol. 19. P. 1 – 13.Wu Z.H. Empirical modeling for processing parameters’ effects on coating properties in plasma spraying process. J. Manuf. Process. 2015, vol. 19, pp. 1–13.Tong X., Li F.H., Kuang M. etc. Eff ects of WC particle size on the wear resistance of laser surface alloyed medium carbon steel // Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 258. P. 3214 – 3220.Tong X., Li F.H., Kuang M., Ma W.Y., Chen X.C., Liu M. Effects of WC particle size on the wear resistance of laser surface alloyed medium carbon steel. Appl. Surf. Sci. 2012, vol. 258, pp. 3214–3220.Kou S. Welding metallurgy. – New Jersey: John Wiley & Sons. 2003. – 480 p.Kou S. Welding metallurgy. New Jersey: John Wiley & Sons. 2003, 480 p.Sokolov G.N., Lysak I.V., Troshkov A.S. etc. Modifi cation of weld metal structure by WC nanoparticles // Metal Science and Heat Treat ment. 2009. No. 6. P. 41 – 47.Sokolov G.N., Lysak I.V., Troshkov A.S., Zorin I.V., Goremykina S.S., Samokhin A.V., Alekseev N.V., Tsvetkov Yu.V. Modifi cation of weld metal structure by WC nanoparticles. Metal Science and Heat Treatment. 2009, no. 6, pp. 41–47.Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки. В 7 т. Том 1. Математическое моделирование и информационные технологии, модели сварочной дуги и формирования шва. – Челябинск: изд. ЮУрГУ, 2002. – 85 с.Berezovskii B.M. Matematicheskie modeli dugovoi svarki. V 7 t. Tom 1. Matematicheskoe modelirovanie i informatsionnye tekhnologii, modeli svarochnoi dugi i formirovaniya shva [Mathematical models of arc welding. In 7 vols. Vol. 1. Mathematical modeling and information technologies, welding arc models and weld formation]. Chelyabinsk: izd. YuUrGU, 2002, 85 p. (In Russ.).Pavlov N.V., Krukov A.V., Zernin E.A. Determinate-statistical model of weld confi guration // Welding and diagnostics. 2011. No. 6. P. 31 – 35.Pavlov N.V., Krukov A.V., Zernin E.A. Determinate-statistical model of weld confi guration. Welding and diagnostics. 2011, no. 6, pp. 31–35.Статистические методы в инженерных исследованиях / Под ред. Г.К. Круга. – М.: Высшая школа, 1983. – 216 с.Statisticheskie metody v inzhenernykh issledovaniyakh [Statistical methods in engineering research]. Krug G.K. ed. Moscow: Vysshaya shkola, 1983, 216 p. (In Russ.).Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. – М.: Наука, 1965. – 340 с.Nalimov V.V., Chernova N.A. Statisticheskie metody planirovaniya ekstremal’nykh eksperimentov [Statistical methods for planning the extreme experiments]. Moscow: Nauka, 1965, 340 p. (In Russ.).Brunov O.G., Fed'ko V.T., Solodskii S.A. Transfer of electrode metal in welding with the pulsed feed of welding wire // Welding International. 2007. Vol. 21. No. 1. P. 50 – 54.Brunov O.G., Fed’ko V.T., Solodskii S.A. Transfer of electrode metal in welding with the pulsed feed of welding wire. Welding International. 2007, vol. 21, no. 1, pp. 50–54.Kuznetsov M.A., Zhuravkov S.P., Zernin E.A. etc. Influence of nano structured powder modifiers on the structure of a welding bead // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 872. P. 118 – 122.Kuznetsov M.A., Zhuravkov S.P., Zernin E.A., Kolmogorov D.E., Yarovskiy N.A. Infl uence of nanostructured powder modifiers on the structure of a welding bead. Advanced Materials Research, 2014, vol. 872, pp. 118–122.Kuznetsov M.A., Barannikova S.A., Zernin E.A. etc. Methods for defining the concentration of nanostructured powders in protective gas and its effect on the microstructure of deposit metal // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 770. P. 28 – 33.Kuznetsov M.A., Barannikova S.A., Zernin E.A., Filonov A.V., Kartcev D.S. Methods for defining the concentration of nanostructured powders in protective gas and its effect on the microstructure of deposit metal. Applied Mechanics and Materials. 2015, vol. 770, pp. 28–33.Кузнецов М.А., Шляхова Г.В., Лунев А.Г. и др. Влияние на микроструктуру наплавленного металла наноструктурированных порошков Al2O3 в защитном газе // Изв. вуз. Физика. 2015. Т. 58. № 6-2 . С. 163 – 167.Kuznetsov M.A., Shlyakhova G.V., Lunev A.G., Barannikova S.A., Zernin E.A. Effect of nanostructured Al2O3 powders in the shielding gas on the microstructure of the weld metal of. Izv. vuz. Fizika. 2015, vol. 58, no. 6-2, pp. 163–167. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.