Окисление и раскисление металла шва
Обновлено: 05.07.2024
Для обеспечения высокого качества и эксплуатационных свойств в ряде случаев металл шва отличается от основного металла, в частности по содержанию различных легирующих элементов. Легирование наплавленного металла проводится при соблюдении двух важных требований: в качестве раскислений необходимо применять элементы, сродство которых к кислороду больше, чем у легирующего элемента; вместе с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его окисел, который сохраняет легирующий элемент от выгорания.
Легирование наплавленного металла осуществляют как через металлическую, так и через шлаковую фазу. В этом случае предусматривается несколько вариантов:
легирование через проволоку сплошного сечения является основным способом при сварке в среде защитных газов и при электрошлаковом процессе; этот способ применяют также при сварке высоколегированных сталей и сплавов под слоем плавленых флюсов и толстопокрытыми стержневыми электродами;
введение легирующих элементов в виде порошков чистых металлов или ферросплавов в электродные покрытия вида «Б», «Р», «Ц», керамические флюсы и во флюсы порошковых проволок;
одновременное легирование через проволоку сплошного сечения и флюс;
легирование на основе восстановления элементов от окислов, находящихся в шлаке, металлом - основой сплава; этот способ применяют при автоматической сварке под флюсом углеродистых и низколегированных сталей для обогащения сварочной ванны Мn и Si; восстановителем является железо [см. уравнения (13), (14)]; для дополнительного легирования наплавленного металла марганцем в количестве 0,4 % и кремнием в количестве 0,2 % при сварке проволокой Св-08 флюс должен иметь около 40 % МnО и подобное количество Si02, являясь высококремнистым и высокомарганцовистым.
Легирование возможно провести через газовую фазу, но этот процесс мало изучен. Легирование наплавленного металла протекает во всех участках зоны сварки, но особенно энергично и полно в процессе каплеобразования.
Раскисление и рафинирование металла при сварке плавлением
Процесс раскисления ванны при сварке позволяет проводить удаление растворенного кислорода из металла. При рафинировании происходит очищение металла от серы, фосфора, неметаллических включений и газов. Раскисление можно проводить двумя способами: диффузией растворенного в металле кислорода в шлак и химическим взаимодействием кислорода с раскислителем, при котором образуются нерастворимые в металле окислы. Раскислители обладают большим сродством к кислороду, чем металл - основа сплава. В качестве раскислителей при сварке используют углерод, водород, кремний, марганец и др. Обычно реакции раскисления протекают в следующем порядке:
В результате раскисления ванны углеродом (17) происходит снижение его концентрации, что является благоприятным фактором, хотя осуществление этой реакции в области кристаллизации металла может привести к образованию пор. В зоне кристаллизации металла при температуре ниже 1600°С проходит активно реакция (18), которая при легировании шва кремнием в количестве более 0,15% предотвращает образование пор. Образование нерастворимых в металле окислов (Si02, МnО, ТiO2 и др.) происходит с большой скоростью, но приводит к загрязнению шва неметаллическими включениями, которые снижают пластичность и вязкость сварных соединений.
Для уменьшения загрязнения шва неметаллическими включениями процесс проводят таким образом, чтобы продукты раскисления образовывали легкоплавкие эвтектики - шлаки, которые легко удаляются из ванны кристаллизующимся металлом на поверхность шва. Этого можно достичь при комплексном легировании шва марганцем и кремнием (соотношение 2,5:1).
Серу и фосфор из ванны удаляют шлаком в соответствии со следующими реакциями:
В процессе, сварки отмечается, что, чем сильнее в шлаке активность окислов кальция, тем больше происходит смещение реакции вправо и полнее удаляются из металла сера и фосфор. Наилучшими рафинирующими свойствами обладают высокоосновные шлаки, богатые СаО. Подобные шлаки образуются при плавлении покрытия вида «Б». Серу из сварочной ванны можно удалить частично в шлак при легировании металла марганцем, который образует с серой тугоплавкое соединение MnS (температура плавления 1620°С). Этот металлургический способ борьбы с серой является основным, когда шлаки не содержат СаО и имеют малую основность (флюс марки АН-348А, покрытия вида «А»). Сера и фосфор относятся к вредным примесям, которые снижают стойкость швов против образования горячих и холодных трещин, вязкость и хладостойкость металла шва.
Автор: Администрация
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
№83 Окисление и раскисление металла при сварке
При сварке на воздухе расплавленный металл окисляется атомарным и ионным свободным или связанным кислородом.
Просмотр содержимого документа
«№83 Окисление и раскисление металла при сварке»
Окисление и раскисление металла при сварке.
При сварке на воздухе расплавленный металл окисляется атомарным и ионным свободным или связанным кислородом. Свободным называют кислород, который получается в зоне дуги из атмосферы воздуха; связанным — кислород, находящийся в оксиде, например SiО2.
При сварке стали в значительном количестве окисляется железо, например
[Fe] + ( 1 ⁄2 О2) → [FeO], где квадратными скобками (как принято в теории металлургических процессов) обозначены вещества в металлическом, а круглыми — в шлаковом расплаве. В результате реакции получается низший оксид железа — закись железа FeO.
В сварочном расплаве закись железа растворяется в железе меньше, чем в сталеплавильной печи, что объясняется, прежде всего, малым промежутком времени, в течение которого происходит окисление и растворение компонентов при сварке.
При охлаждении сварочной ванны происходит обратное явление: закись железа (или отрицательные ионы кислорода) выпадают из раствора, так как их растворимость уменьшается со снижением температуры. Скорость охлаждения металла в сварочной ванне влияет на количество выпавшей закиси железа из раствора. При относительно низких скоростях охлаждения закись железа полностью выпадает из раствора и располагается по границам зерен как более легкоплавкий компонент, затем при дальнейшем охлаждении ниже 570°С свободная закись железа преобразуется в более высший оксид железа Fe2О4(4FeО → Fe3О4 + Fe) в виде глобулей (шлаковых шариков), которые нарушают прочную связь между зернами и вызывают красноломкость металла, а при комнатной температуре — хрупкость.
Кроме оксида железа металл шва засорен и другими оксидами, образующимися от окисления других элементов, например Mn, Si, С.
Окисление марганца, кремния и углерода свободным кислородом протекает по формулам:
Улучшение прочностных свойств стали достигается восстановительным процессом, называемым раскислением.
Различают осаждающее и диффузионное раскисление.
Сущность осаждающего раскисления сводится к тому, что железо восстанавливается из растворенной закиси железа металлом, обладающим более высоким химическим сродством к кислороду и дающим оксид с очень малой растворимостью в железе. Химическая реакция осаждающего раскисления
[FeO] + (Ме) → [Fe] + (МеО).
Оксид МеО выпадает при охлаждении из раствора в виде отдельной фазы (шлаковой частицы), всплывает на поверхность сварного шва и образует совместно с другими оксидами сварочный шлак.
В качестве осаждающих раскислителей при сварке применяют чистые материалы (С, Аl), ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.), комплексные раскислители (сплавы, содержащие два раскисляющих элемента и более одновременно).
При подборе раскислителя учитывают его раскислительную способность. Например, при раскислении большим количеством углерода в процессе затвердевания расплава в шве могут от раскисления оставаться газы СО и СО2, образуя в швах поры:
Чтобы этого не было, нужно иметь остаточного кислорода такое количество, которое обеспечивало бы кристаллизацию без излишнего количества газовыделений.
Стремятся также к тому, чтобы продукты раскисления равномерно распределялись в металле шва.
Содержание азота или его вредное влияние в металле шва можно снизить при раскислении и введением в металл химических элементов, образующих с азотом нерастворимые в жидком металле нитриды, которые в лучшем случае поднимаются из металла шва в сварочный шлак, а в худшем случае — остаются в металле шва с незначительным ухудшением механических свойств. Например, алюминий, применяемый для раскисления железа, соединяется со свободным азотом, образуется нитрид алюминия Аl + N → A1N, который из сварочной ванны удаляется в шлаковую фазу.
При пользовании несколькими раскислителями подбирают их так, чтобы продуктами раскисления являлись бы основные, кислотные и амфотерные оксиды. Эти оксиды, соединяясь между собой, быстрее поднимаются вверх (в сварочный шлак) и не оказывают вредного влияния.
Сущность диффузионного раскисления состоит в том, что для удаления закиси железа из металлического расплава пользуются такими сварочными материалами (покрытием, флюсом, порошком), при плавлении которых образуются сложной структуры шлаки, восстановительные шлаки. Принципиальная химическая реакция диффузионного раскисления [FeO] + (SiО2) → (SiО2 · FeO).
В качестве минералов для диффузионного раскисления пользуются такими, в которых содержится малое количество оксидов основного металла.
При сварке сталей раскисление железа и других химических элементов стали обязательно, так как при существующей технологии в металле шва кислорода может оказаться больше, чем в свариваемом металле.
.Особенности металлургических процессов при сварке
При сварке плавлением под воздействием теплоты электрической дуги происходит образование сварочной ванны.
Сварочная ванна – это небольшой объем перегретого выше температуры плавления расплавленного металла, находящегося в контакте:
- сверху – с газовой атмосферой дуги;
- снизу – с твердым холодным основным металлом.
Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания основного и электродного (или присадочного) металлов.
Химический состав сварочной ванны определяется химическим составом основного металла и химическим составом электродной проволоки.
Конечный состав шва формируется после протекания металлургических процессов в сварочной ванне в результате ее контакта с выделяющимися газами, шлаком и воздухом.
Металлургические процессы в сварочной ванне соответствуют закономерностям металлургии, но имеют свои особенности:
1 Высокая температура процесса (температура столба дуги составляет около 6000 ⁰С), которая обуславливает:
- Высокую скорость протекания физико-химических процессов, происходящих при расплавлении металла. Оно вызывает также диссоциацию (распад молекул кислорода, азота и паров воды в объеме дуги). В атомарном состоянии распавшиеся молекулы обладают высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей, тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.
- Высокую скорость протекания физико-химических процессов, происходящих при расплавлении металла.
- Оно вызывает также диссоциацию (распад молекул кислорода, азота и паров воды в объеме дуги). В атомарном состоянии распавшиеся молекулы обладают высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва.
- Высокая температура способствует выгоранию примесей, тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.
2 Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке – 0,5…1,5 см3) не дает полностью завершиться реакции взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком
3 Большие скорости нагрева и охлаждения. Они значительно ускоряют процесс кристаллизации шва, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов.
4 Отвод теплоты из сварочной ванны в основной металл. В околошовном металле происходит изменение структуры металла, которое приводит к ослаблению шва.
5 Взаимодействие расплавленного металла с газами (кислород, азот, водород) и шлаками в зоне дуги.
При неправильном ведении процесса сварки водород образует пары в шве, кислород и азот ухудшают механические свойства металла. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги кромок свариваемого металла, из влаги флюсов, обмазки электродов, а также из самих материалов обмазки и флюсов (в них кислород находится в связанном состоянии в виде оксидов марганца и кремния).
Дополнительный источник кислорода и водорода – это ржавчина , загрязнения и конденсирования влаги на поверхностях проволоки и свариваемого металла.
Основные реакции в зоне сварки
Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла с газовой средой, и взаимодействие металла и шлака.
1 Взаимодействие расплавленного металла с кислородом, азотом, водородом
Взаимодействие металла с кислородом – это окисление.
Процесс нежелательный, но неизбежный.
Окисление может идти по двум направлениям:
- окисление основы сплава,
- окисление примесей содержащихся в стали.
1.1 Окисление основы сплава.
В случае со сталями – это окисление железа с образованием его оксидов.
В зоне дуги молекулярный кислород распадается с образованием атомарного кислорода. Диоксид диссоциирует с образованием углерода (образуется при распаде в дуге покрытий и флюса).
Кислород образует с железом три оксида:
- FeO – закись железа (оксид двухвалентного железа);
- Fe2O3 – оксид трехвалентного железа;
- Fe3O4 , FeO∙Fe2O3 – оксид железа со слабыми кислотными свойствами.
При охлаждении стали оксиды выпадают из раствора в шлак, но при высоких скоростях охлаждения часть оксидов застревает в растворе, образую шлаковые прослойки между зернами металла.
1.2 Окисление полезных примесей содержащихся в стали.
Это кремний, марганец, титан, хром, углерод и д.р.
Образуются оксиды этих металлов, которые не растворяются в железе. Они как бы «вынимаются» из состава стали и переходят в шлак.
Оксид углерода СО2 выделяется в атмосферу.
Взаимодействие расплавленного металла с азотом.
Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха. В зоне сварки находится в молекулярном (N2) и атомарном (N) состояниях и растворяется в металле шва.
При содержании азота свыше предела растворимости образуются химические соединения – нитриды.
Это нитриты: железа – Fe2N, Fe4N;
В легированных сталях – это нитриды легирующих элементов.
Азот является вредной примесью стали, т.к. снижает ее пластичность и вязкость (хотя и повышает твердость и прочность).
Взаимодействие металла с водородом.
Водород в процессе сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высокой температуре дуги.Водяные пары находятся во влаге покрытия электрода, во флюсе, в ржавчине и окружающем воздухе.
Водород (в молекулярном и атомарном состоянии) растворяется в железе. Растворимость зависит от температуры металла. При температуре 2400 ⁰С насыщение металла водородом достигает максимума (43 см3 на 100 г металла).
При высоких скоростях охлаждения водород не успевает полностью выделится из металла и образует пористость металла шва и мелкие трещины в структуре металла, что редко снижает пластичность металла.
Кроме этого водород может образовать гидриды с некоторыми элементами из структуры металла: Ti, V, Nb.
Для получения сварного шва высокого качества расплавленный металл сварочной ванны необходимо защищать.
Способы защиты сварочной ванны:
В результате взаимодействия со шлаком происходит:
- Раскисление металла сварочной ванны.
- Удаление вредных примесей, путем связывания их в нерастворимые соединения и вывода их в шлак.
- Легирование шва для восполнения выгоревших при сварке элементов металла или придания шву специальных свойств.
Легирующие элементы это: Si, Mn, Cr, Mo, W, Ti вводят в состав электродных материалов, покрытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений.
Во флюсе – это ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий и т.д.). Все три процесса носят положительный характер.
Жидкий металл сварочной ванны раскисляют вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: Al, Ti, Si, C, Mn.
Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде электродной проволоки (или присадочного металла) либо электродного покрытия, либо флюса.
Раскисление протекает по реакции:
Где Al2O3 – тугоплавкий оксид, придающий стали склонность к образованию трещин. Поэтому алюминий как раскислитель применяется редко.
Раскисление титаном протекает по реакции:
Титан является активным раскислителем, т.к. кроме оксида TiO2 образует нитриды TiN, снижая содержание азота в металле.
Раскисление кремнием происходит по реакции:
Кроме того, протекает реакция образования силикатов:
где FeO∙SiO2 силикат оксида железа.
Силикаты не растворяются в железе и выходят в шлак.
Раскисление углеродом происходит по реакции:
где СО – оксид углерода (моноокись улерода) не растворяется в стали и выделяется в виде пузырьков
При больших скоростях охлаждения СО не успевает выделится из металла шва и образует в нем газовые поры.
Для предупреждения пористости в сварочную ванну вводят кремний в большом количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.
Самый распространенный раскислитель. Раскисление проходит по реакции:
Оксид марганца взаимодействует с оксидом кремния и образует нерастворимый в стали силикат марганца.
Кроме этого марганец способствует удалению серы из стали по реакции:
где МnS – сернистый марганец. Не растворяется в стали и выходит в шлак.
Вывод: металлургический процесс при сварке характеризуется тремя отрицательными процессами:
Металлургические процессы и основные реакции при сварке
При ручной дуговой сварке электродами с толстым слоем покрытия химические реакции между металлом, шлаком и газами дуги протекают в момент перехода капель расплавленного металла электрода и покрытия через дуговой промежуток при температуре 2100—2300° С. Дальнейшие химические и физические процессы протекают в сварочной ванне. При сварке под флюсом основные химические реакции происходят только в сварочной ванне под слоем расплавленного флюса.
Рассмотрим основные реакции в зоне сварки для стали, как наиболее распространенного металла, подвергаемого сварке.
Окисление. Кислород является наиболее вредной примесью в зоне сварки, так как окисляет элементы, входящие в состав металла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соединения — окислы. Окисление элементов в основном происходит за счет кислорода, содержащегося в газах и шлаках сварочной зоны. В меньшей степени окисление может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (окалины, ржавчины). При случайном увеличении длины дуги капли электродного металла могут окисляться кислородом окружающего воздуха.
С железом кислород образует три окисла:
При окислении сперва образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношение кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись железа. При окислении железа в процессе сварки основное значение имеет закись железа, так как только она способна растворяться в жидком металле.
Когда содержание кислорода в стали достигнет 0,035%, избыточный кислород будет выделяться из раствора в виде закиси-окиси железа и располагаться между зернами металла.
В общем виде реакцию между элементом металла и кислородом можно выразить следующей формулой
где Me — масса элемента металла;
О2 — масса кислорода; m и n — численные коэффициенты формулы химической реакции.
Стрелки указывают направление реакции: направо — окисление, налево — восстановление металла из его окисла (раскисление) .
Химические реакции в зоне сварки протекают не до конца, а до некоторого равновесного состояния между исходными веществами и продуктами реакции. Равновесное состояние характеризуется одновременным присутствием в зоне реакции как свободного металла, так и его окисла в определенных соотношениях. Состояние равновесия зависит в первую очередь от количеств (концентрации) реагирующих веществ, температуры и давления в зоне реакции.
Равновесное состояние определяется величиной константы равновесия, вычисляемой по формуле
где Me и О — содержание в % массы элемента (Me) и кислорода (О) в зоне реакции; m ип — численные коэффициенты формулы реакции.
Величина константы равновесия позволяет определить направление реакции. Чем больше произведение концентраций вступающих в реакцию веществ (т. е. числитель в формуле константы равновесия) по сравнению с равновесной и чем меньше концентрация продуктов реакции (т. е. знаменатель в формуле константы) по сравнению с равновесной, тем энергичнее будет протекать реакция вправо в сторону окисления. При обратном соотношении, когда подсчитанная константа будет меньше равновесной, реакция пойдет влево и будет происходить восстановление металла из его окислов. Кроме соотношения концентраций реагирующих веществ на направление реакции сильно влияет ее температура, поэтому сравнение производят для одинаковых температур в зоне реакции.
Концентрации реагирующих веществ определяют только направление реакции. Возможность же данной реакции обусловлена химическим сродством участвующих в ней веществ, в данном случае сродством к кислороду.
При наличии в свариваемом металле нескольких элементов они начинают окисляться все одновременно, но те элементы, у которых сродство к кислороду при данной температуре больше, будут окисляться интенсивнее и полнее.
При сварке стали в первую очередь окисляется железо, являющееся основным элементом. Другие элементы окисляются тем быстрее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом. По степени уменьшения химического сродства с кислородом элементы могут быть поставлены в следующий ряд: алюминий, титан, кремний, марганец, хром, молибден, железо, никель, медь. Углерод при повышении температуры увеличивает активность к кислороду и при 1700° С превышает своей активностью титан, а при 2100° С — алюминий.
По мере уменьшения в зоне реакции концентрации элементов, обладающих большим сродством к кислороду, скорость их окисления падает. Соответственно возрастает скорость окисления других элементов, обладающих меньшим сродством с кислородом, которые начинают выгорать более интенсивно до тех пор, пока их концентрация не уменьшится до равновесной и не прекратится реакция окисления. Такой процесс последовательного увеличения скорости окисления отдельных элементов продолжается до тех пор, пока концентрации всех элементов не будут соответствовать равновесным, после чего процессы окисления металла в сварочной ванне прекратятся.
При сварке стали окисление железа может происходить также под действием кислорода газов: СО, С02 и паров воды Н20 по реакциям:
Марганец и кремний, обладающие высоким сродством к кислороду, могут интенсивно выгорать при сварке стали. Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:
При нагреве ржавого металла присутствующая в ржавчине влага испаряется, а содержащийся в ней кислород окисляет свариваемый металл. Если кромки покрыты окалиной, то последняя при плавлении переходит в закись железа (FeO) с выделением кислорода. Кислород закиси железа и выделившийся из окалины свободный кислород также окисляют металл шва.
Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь, сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород снижает стойкость металла против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.
Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков, а также раскислением металла шва.
Раскисление. Процесс удаления кислорода из наплавленного металла с целью повышения его качества называется раскислением. Реакции раскисления выражаются тем же уравнением, что и окисления, но протекают в обратном порядке, т. е. справа налево.
Раскисление осуществляется или взаимодействием между наплавленным металлом и шлаком, или путем введения в сварочную ванну элементов — раскислителей, обладающих большим сродством с кислородом, чем железо. Благодаря защите расплавленного металла газами, шлаками и раскислению содержание кислорода в наплавленном металле при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом очень невелико и практически составляет 0,005—0,060%. При сварке же электродами с тонким (меловым) покрытием содержание кислорода в металле шва много выше и может достигать 0,25%. Для сравнения укажем, что содержание кислорода в электродной проволоке не превышает 0,018%. Раскислители вводят в состав сварочной проволоки или электродных покрытий и флюсов, откуда они поступают в сварочную ванну.
Рассмотрим некоторые наиболее типичные реакции раскисления.
Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:
Образующиеся при этом двуокись кремния (Si02) и закись марганца (МпО) плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Закись марганца способна растворять в себе до 60% закиси железа, выводя таким образом основное количество FeO в шлак.
Закись железа, закись марганца и двуокись кремния по химическим свойствам являются основаниями и могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2Fe0-Si02, 2Mn0•Si02 (силикаты) и 2FeO • Ti02 (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в шлаке, что способствует очистке металла от указанных окислов.
Окислы по химическим свойствам могут быть кислые и основные. К кислым относятся: двуокись кремния (Si02) и двуокись титана (Ti02). К основным — окись кальция (СаО), закись железа (FeO), закись марганца (МпО), окись натрия (Na20), окись калия (К20) и окись магния (MgO).
Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы, то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флюсы, называются кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов, наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными.
При использовании кислых покрытий и флюсов для сварки сталей с повышенным содержанием кремния, хрома и марганца окислы этих элементов могут оставаться в металле шва, увеличивая содержание в нем кислорода, что приводит к снижению ударной вязкости. Поэтому для сварки таких сталей лучше использовать основные покрытия и флюсы. Основные покрытия и флюсы дают основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (СаО), которая не может отнимать кислород от окислов металла. Поэтому для раскисления наплавленного металла в основные покрытия и флюсы вводят ферросплавы: ферросилиций и ферротитан. В этом случае главными реакциями раскисления при основных покрытиях и флюсах будут — раскисление кремнием:
2Fe0 + Si=2Fe + Si02
и раскисление титаном:
2FeO + Ti = 2Fe + TiO2
Эти реакции протекают без газообразования, и сварочная ванна остается спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высокими механическими свойствами.
Раскисление углеродом. С кислородом окислов углерод взаимодействует главным образом в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны.
Раскисление углеродом происходит по реакции FeOMeT +Смет = FeMеT + СОатм
Образовавшаяся газообразная окись углерода (СО) выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия иногда называют кипящими.
Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление будет происходить преимущественно за счет углерода с образованием СО, избыточное количество которой не успевает выделиться из твердеющего металла и остается в нем, образуя газовые поры. Для получения плотного беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания кремния до 0,2—0,3% в металле сварочной ванны. При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.
Раскисление алюминием. Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (А1203) не растворима в жидком металле и медленно переходит в шлак. Кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает пористость шва. Поэтому алюминий как раскислитель при сварке стали применяется редко и вводится в металл шва только тогда, когда нужно уменьшить (подавить) реакции окисления других легкоокисляемых элементов, например титана, но имеющих меньшее сродство с кислородом, чем алюминий.
Влияние азота. Азот поглощается расплавленным металлом из окружающего воздуха. Под действием высоких температур сварочной дуги азот частично переходит в атомарное состояние и растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения сварочной ванны азот выделяется из раствора и, взаимодействуя с металлом и его окислами, образует химические соединения, называемые нитридами: Fe2N, Fe4N, MnN, SiN. Нитриды в стали повышают ее прочность и твердость, но сильно уменьшают пластичность. Поэтому азот является вредной примесью в наплавленном металле.
Наибольшее насыщение металла азотом дает дуговая сварка длинной дугой и голыми электродами (до 0,2% N2), наименьшее — сварка под флюсом (0,002% N2). При сварке покрытыми электродами содержание азота в металле шва может достигать 0,02— 0,05%. С увеличением тока содержание азота в наплавленном Металле уменьшается. Увеличение содержания углерода и особенно марганца в присадочной проволоке или покрытии электрода значительно снижает содержание азота в наплавленном металле. При газовой сварке содержание азота в металле незначительно и составляет 0,015—0,02%.
Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. Она образует сернистое железо (сульфид железа FeS), которое имеет температуру плавления 1193° С, т. е. более низкую, чем сталь. Поэтому при кристаллизации стали сернистое железо остается еще в жидком виде в прослойках между кристаллами сплава и является одной из причин образования горячих трещин при сварке. Серу удаляют введением марганца, который образует с ней химическое соединение — сернистый марганец (MnS) по реакциям:
FeS + Mn = MnS + Fe FeS + МпО = MnS + FeO
Сернистый марганец не растворяется в жидком металле и полностью переходит в шлак.
Удалению серы способствует также окись кальция; при этом происходит реакция
FeS + СаО = FeO + CaS
Влияние фосфора. Присутствие фосфора вызывает неоднородность металла шва, рост зерен и снижение пластичности, особенно при низких температурах (хладноломкость). Он присутствует в металле шва в виде фосфидов железа Fe3P и Fе2Р. Удаление фосфора происходит при реакциях:
Получаемые соединения фосфора переходят в шлак. Основные шлаки лучше удаляют фосфор из металла, чем кислые.
Влияние водорода. Водород является вредной примесью в стали. При температуре дуги молекулы водорода распадаются (диссоциируют) на атомы, а атомы водорода способны хорошо растворяться в наплавленном металле.
При остывании и затвердевании металла атомы водорода вновь соединяются в молекулы, которые собираются в отдельных местах шва, образуя газовые пузырьки. Водород не всегда успевает полностью выделиться из металла и вызывает появление в нем пористости, мелких трещин и флокенов. Сталь с флокенами является хрупкой, в изломе флокены имеют вид светлых пятен и не выявляются обычными методами контроля сварных швов без разрушения.
Источником насыщения металла водородом является влага, содержащаяся в электродном покрытии, флюсах и окружающем воздухе или находящаяся на поверхности свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Кроме того, водород содержится в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках металла.
Атомы водорода несут в себе отрицательный заряд и поэтому при сварке на постоянном токе прямой полярности стремятся к аноду, которым в данном случае является свариваемый металл. При такой сварке металл насыщается водородом больше, чем при сварке постоянным током обратной полярности, когда свариваемый металл является катодом, и отталкивает атомы водорода. При сварке на переменном токе металл в большей степени насыщается водородом, чем при сварке постоянным током обратной полярности, Это обусловлено тем, что при сварке на переменном токе в момент перехода тока через нулевое значение жидкий металл не защищен действием электрического поля дуги и доступен для растворения в нем атомов водорода.
Читайте также: