Наномодифицирование - эффективный способ формирования мелкозернистой структуры металла шва. Часть II. Повышение эффективности наноинокуляторов в сварочной ванне

Кратковременность существования расплава в сварочной ванне и его перегрев, большой градиент температуры вблизи межфазной границы и двухмерные центры кристаллизации в виде оплавленных зерен на границе сварочной ванны уменьшают вероятность и скорость образования центров кристаллизации в жидкой фазе. Это обусловливает формирование крупнозернистой столбчатой структуры металла шва, которая в сочетании с дефектами, возникающими в процессе кристаллизации, менее пластична, чем свариваемый мелкозернистый металлопрокат, и часто является причиной хрупкого разрушения конструкции. Поэтому получение мелкозернистой структуры металла шва является постоянной проблемой сварочного производства. В настоящее время общепризнано, что наиболее эффективным способом получения мелкозернистой структуры металла шва является модифицирование сварочной ванны. При этом в сварочную ванну извне, в качестве готовых центров кристаллизации, вводят микро- или наночастицы тугоплавких металлов или их химических соединений (инокуляторы). В перегретом расплаве скорость образования центров кристаллизации, из-за дезактивации частиц, снижается. Увеличить ее можно двумя способами: торможением процесса дезактивации и увеличением числа модифицирующих частиц, вводимых в сварочную ванну. В работе дан анализ факторов, определяющих модифицирующую активность инокуляторов и способов сохранения этой активности в сварочной ванне. Для обеспечения высокой активности инокулятора необходимо сокращать время его пребывания в высокотемпературной зоне сварочной ванны, материал инокулятора должен иметь высокие значения температуры и теплоты плавления, но более низкие значения тепло- и температуропроводности. Уменьшение скорости нагрева и плавления частиц инокулятора достигается введением их в сварочную ванну, минуя столб дуги и высокотемпературную зону ванны, в комплексе с металлическими макрочастицами, выполняющими роль микрохолодильников и средств транспортировки инокулятора в хвостовую часть ванны. Инокуляторы наноразмерного порядка обладают высоким термодинамическим потенциалом и связанной с этим высокой зародышеобразующей активностью. Включения оксидов, карбидов и нитридов, на базе которых формируются центры кристаллизации, в затвердевшем металле имеют прочные межатомные связи с матрицей, а в силу того, что коэффициенты их термического расширения на порядок меньше, чем матрицы, после охлаждения металла испытывают всестороннее сжатие. Поэтому такие включения не опасны, не являются концентраторами растягивающих напряжений и очагами зарождения трещин. В работе экспериментально показано, что введение в сварочную ванну углеродных нанотрубок с удельной поверхностью более 270 м2/г способствует получению мелкозернистой структуры металла шва.