Ассистент Макаров С.В., д.т.н., проф. Сапожков С.Б.

Юргинский технологический институт

Национального исследовательского

Томского политехнического университета, Россия

Изготовление электродов с применением нанопорошка сложного состава (Zr, Si, Ni, Ti, Сr)

Начало XXI века ознаменовалось революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине), при производстве керамических и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др.

Поскольку вещество, при переходе от грубодисперсного состояния к состоянию с размером частиц < 100 нм, резко изменяет ряд своих фундаментальных свойств, то для обозначения этого отличия, в середине 70-х годов прошлого века, в СССР был предложен термин ультрадисперсные порошки. В настоящее время, на Западе и в России, для обозначения подобных сред используется термин нанопорошки.

Итак, нанопорошки – это порошки с характерными наноразмерами, при которых скачкообразно меняются какие-либо их свойства.

В сварочном производстве нанопорошки применяют для получения мелкозернистой структуры металла шва, эти добавки, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. Также перспективным является применение наноструктурированных материалов для стабилизации дугового разряда при сварке плавлением.

В последние 3-5 лет на российском рынке, как и на мировом рынке в целом, проявляется тенденция к уменьшению доли сварочных электродов в совокупном объеме использования средств сварки металлов. Наблюдаемая тенденция связана с увеличением доли сварки в защитных газах, контактной сваркой, как более экономичной и качественной. Вместе с тем, за счет увеличения потребности в сварных соединениях, связанного с динамичным развитием строительной отрасли, ВПК, железной дороги, нефтегазового комплекса, в абсолютных показателях потребность в сварочных электродах среди российских потребителей ежегодно увеличивается на 10-20%. Доля, занимаемая сварочными электродами в общем объеме производства сварочных материалов, составляет около 20%.

Основным преимуществом использования сварочных электродов по отношению к другим сварочным материалам и методам, в частности – порошковой проволоке, сварке в защитных газах, выступает низкая стоимость оборудования, возможность применения в труднодоступных местах, при монтаже в полевых условиях и т.д.

В настоящее время актуальной задачей для производителей электродов является изготовление электродов, которые можно применять при низких температурах (- 50ºС - 70ºС), а также повышение механических свойств металла шва.

В данной работе для повышения механических свойств металла шва предлагается применение нанодисперсных материалов (нанопорошков). Существуют различные способы введения нанопорошка в сварочную ванную, но наиболее эффективным представляется введение нанопорошка в состав покрытия сварочных электродов на стадии их изготовления.

Методика исследования заключается в следующем: в жидкое стекло с модулем 3,13, вязкостью 0,604 Па*с и плотностью 1,433 г/см³ добавляют нанопорошок сложного состава (Zr, Si, Ni, Ti, Сr) в количестве 1,0% к массе жидкого стекла. Введение нанопорошка в жидкое стекло производится на кавитационной установке механоактиваторного типа в течение 2 минут, при температуре 30-35ºС.

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями».

Таким образом, во время прохождения жидкого стекла и нанопорошка через кавитационную установку механоактиваторного типа происходит "вбивание" наночастиц в образующиеся кавитационные пузырьки.

Таблица 1 - Показатели качества калиево-натриевого жидкого стекла до и после перемешивания в кавитационной установке

№	Наименование показателя	Серийное	Экспериментальное
1.	Модуль	3,13	3,20
2.	Вязкость, Па*с	0,604	0,292
3.	Плотность, г/см³	1,433	1,43

Как видно из таблицы 1, введение нанопорошка в жидкое стекло, снизило вязкость стекла в 2 раза.

Для определения возможности использования нанопорошков при производстве сварочных электродов (с целью повышения качественных характеристик электродов, в первую очередь сварочно-технологических свойств и механических свойств металла шва), были изготовлены электроды марки МР3 Ø4,0мм. Несмотря на низкую вязкость жидкого стекла, его неизменившиеся когезионные свойства позволили без проблем изготовить обмазочную массу. Следует отметить, что расход жидкого стекла был меньше, чем по стандартной технологии (22 кг стекла на 100 кг сухой шихты против 24,5 кг стекла на 100 кг шихты при серийном производстве, т.е. расход жидкого стекла снизился на 10%).

Далее были изготовлены образцы для определения механических свойств металла шва и химического состава наплавленного металла серийно выпускаемых электродов и электродов опытной партии.

Механические свойства металла шва и химический состав наплавленного металла представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 - Механические свойства металла шва

Электроды марки МР3 Ø4,0мм	σв, Н/мм²	δ5,%	КСU, при 20ºС, Дж/см²
Серийные	460	25	159
Опытные	487	27	192
Требования Н и ТД	не менее
	450	20	80

Таблица 3 - Химический состав наплавленного металла

Электроды марки МР3 Ø4,0мм	Массовая доля элементов, %
	С	Si	Mn	S	P
Серийные	0,07	0,03	0,47	0,025	0,046
Опытные	0,07	0,05	0,61	0,025	0,047
Требования Н и ТД	-	-	-	не более
				0,040	0,045

Как видно из таблиц 2 и 3, механические свойства металла шва и химический состав наплавленного металла соответствуют требованиям Н и ТД.

Было установлено, что структура металла шва, выполненного экспериментальными электродами – более дисперсная и однородная, в отличие от неравномерной структуры металла, наплавленного серийными электродами.

Данный способ введения наноструктурированных материалов в сварочную ванну более эффективен и рационален, т.к. отсутствуют потери нанопорошка при введении его в сварочную ванну, значительно увеличиваются механические свойства металла шва и улучшается микроструктура сварного соединения.

Список использованных источников

1. Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технология получения. – М., 2007. – 125 с.

2. Новое в технологии получения материалов / Ред. Осипьяна Ю.А., Хауффа А. – М.: Машиностроение, 1990. – 448 с.

3. www.spetselectrode.ru Эволюция производства сварочных электродов, материалов, проблемы настоящие и будущие.

4. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. – Москва: Высшая школа, 1988. – 559 с.

5. Макаров С.В. О способах введения стабилизирующих элементов в дуговой разряд. – Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов III Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых: в 2-х т. – ЮТИ ТПУ, Юрга: Изд-во ТПУ, 2012. – Т.1. – с. 56-59.

6. Макаров С.В. Ионизация, как процесс стабилизации дугового разряда. – Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов III Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых: в 2-х т. – ЮТИ ТПУ, Юрга: Изд-во ТПУ, 2012. – Т.1. – с. 54-56.