Рафинирование металлов при сварке

Обновлено: 18.05.2024

Вы здесь: Главная

Main Menu

Классификация способов сварки - Рафинирование и легирование сварного шва

Рафинирование (очистка) - это удаление из металла вредных примесей: газов, серы, фосфора и др. Рафинируют металл с помощью окислительно-восстановительных реакций, вакуумным отжигом, замедленным охлаждением сваренных деталей. Хорошие результаты дает введение через электродную обмазку или флюс веществ (например, рутила ТЮ2 или плавикового шпата CaF2), растворяющих вредные примеси или образующих с ними нерастворимые в металле легкоплавкие соединения, переходящие из сварочной ванны в шлак или в атмосферу. Наиболее опасными для сталей считаются сера и фосфор, попадающие в сварочную ванну в виде примесей из шлака, из основного и присадочного металла. Уже при содержании в металле 0,01 % серы в процессе кристаллизации металла шва из раствора по границам зерен выпадает легкоплавкий сульфид железа FeS. От растягивающих напряжений при усадке металла в процессе его охлаждения прослойки, заполненные FeS, разрушаются, образуются горячие трещины. Таким образом, сера вызывает красноломкость стали - снижение ее прочности при высокой температуре. Процессы удаления серы из металла называют обессериванием (десульфурацией). Серу связывают в сульфиды, плохо растворимые в металле и хорошо - в шлаке (AI2S3, MnS), вводя в шлак чистые элементы (А1, Мп, Са) или их окислы (МпО, СаО). При этом хорошо идут в шлаке одновременно с раскислением следующие реакции: [FeS] + (Мп) = (MnS) + [Fe]; [FeS] + (СаО) = (CaS) + [FeO]. Можно также окислять серу, вводя в защитный газ кислород: [S] + (02) = (SO2). Сернистый газ S02 улетучивается в атмосферу. Фосфор образует с железом легкоплавкие фосфиды Fe2P и РезР, которые, так же как и сульфиды, располагаются в межзеренных прослойках металла шва. В результате снижается пластичность металла при низких температурах, увеличивается хладноломкость углеродистых сталей и склонность к трещинам высоколегированных аустенитных сталей. В металле шва фосфиды преобразуются в оксид фосфора с одновременным восстановлением железа из закиси: Окончательно обесфосфоривание (дефосфорацию) производят с помощью окислов МпО, MgO, СаО, которые образуют с оксидом фосфора комплексные соединения, переходящие из металла в шлак: [Р2О5] + (ЗСаО) = ((СаО)з • Р203). Для получения нужных свойств сварного соединения в металл шва можно добавлять элементы, обеспечивающие эти свойства. Этот процесс называют легированием. Легирующие элементы вводят через присадочный металл, флюс или обмазку электрода в виде порошков или ферросплавов. Кроме того, легирующие элементы поступают в шов из основного металла при его плавлении. Необходимо, чтобы легирующие элементы имели меньшее сродство к кислороду, чем свариваемый металл. В противном случае вместе с ними нужно вводить более активный элемент, который свяжет кислород и уменьшит окисление легирующих элементов. Окислы легирующих элементов должны растворяться в шлаке, а не в металле шва. При расчете легирования учитывают долю основного металла в металле шва, а также потери легирующих элементов на разбрызгивание, испарение, образование химических соединений. Эти потери зависят от химической активности легирующих элементов, способа, режимов и особенностей условий сварки и учитываются коэффициентами перехода. Например, при ручной дуговой сварке коэффициент перехода марганца из электрода с качественной обмазкой может быть 0,45. 0,55. Кристаллизация - это процесс образования зерен (кристаллитов) металла при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Возникновение и рост кристаллитов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллитов при охлаждении затвердевшего металла, структурные превращения в нем, называют вторичной кристаллизацией.

Сварочная ванна Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Рассмотрим подробнее сварочную ванну первого типа, поскольку она встречается чаще (рис. 14). Рис. 14. Схема образования шва при дуговой сварке: 1 - линия (зона) сплавления; 2 - частично оплавленные зерна основного металла; 3 - столбчатые кристаллиты; 4 - кристаллизационные слои; 5 - автономные неориентированные кристаллиты; S - толщина свариваемой кромки; h - глубина проплавления; е - ширина шва; q - высота усиления шва. В головной части ванны на линии АБВ (на фронте плавления) происходит плавление основного металла. Под действием давления дуги, в) потоков газа, реакции паров металла, конвекции, возникающей из-за неравномерного нагрева, жидкий металл под источником тепла (под сварочной дугой) оттесняется, постоянно перемещаясь в хвостовую часть ванны. В нем образуется углубление-кратер, которым определяется глубина проплавления h. В хвостовой части ванны металл охлаждается и на задней границе ванны (на линии АГВ), которую называют фронтом затвердевания, кристаллизуется. Электродный или присадочный металл, расплавляясь, перемешивается в сварочной ванне с основным металлом и обеспечивает усиление q сварного шва. Между металлом шва и основным металлом свариваемой детали образуется четкая граница 7, которую называют зоной сплавления, или, при малой ее ширине, линией сплавления. Размеры и параметры сварочной ванны зависят от тепловой мощности источника тепла, скорости сварки и теплофизических свойств свариваемого и электродного материалов. Длину ванны при дуговой сварке можно определить по формуле L = к (С//)2 / (FCB52), где к = 2,8. 3,6 мм/(кВ-А); U - напряжение на дуге, В; /- сила сварочного тока, А; 5 - толщина свариваемых кромок, мм. Длительность пребывания сварочной ванны в жидком состоянии рассчитывают как отношение длины сварочной ванны L к скорости сварки VCB: t-к - LI Ксв. Ширина сварочной ванны определяет ширину шва е, которая характеризует форму шва. Коэффициент формы шва \|/ приближенно находят как отношение ширины шва к глубине проплавления: \|/ = e/h.

РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Важной металлургической операцией является рафинирование металла, т. е. очистка от вредных примесей, в частности для спла­вов на железной основе от серы и фосфора.

Источниками поступления серы и фосфора в металл при сварке являются: расплавляющиеся основной и добавочный металлы; шлаки (флюсу, покрытия).

Сера является вредной примесью, вызывающей красноломкость сталей и значительно усиливающей склонность их к образованию горячих трещин при литье и сварке. Такое влияние серы на свой­ства металла при высоких температурах определяется тем, что она образует соединения с железом и легкоплавкие эвтектики, ослабляю­щие в широком диапазоне температур связи между отдельными кри­сталлитами, зернами.- Так, сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1195° С. Эвтектика этого сульфида с железом плавится при 985° С. Низкую температуру имеет и эвтектика 2Fe0*Si02+FeS.

Чем больше в металле серы, тем больше появляется легкоплав­ких эвтектик, тем сильнее красноломкость стали. Поэтому содержа­ние серы обычно ограничивают некоторым количеством, которое считают еще допустимым в стали вообще и в металле швов в част­ности.

Вредным оказывается также наличие серы в легированных ста­лях, особенно при повышенных концентрациях в них никеля, так как при этом могут образовываться еще более легкоплавкие эвтек­тики на базе сульфида NiS с температурой плавления 644° С. Уси­ливать вредное влияние серы могут и другие элементы, в частности в нелегированных сталях — углерод.

В связи с этим для улучшения свойств сталей и металла свар­ных швов стремятся содержание серы свести к допустимому, мини­мальному. Для этого при сварке ограничивают верхний предел содержания серы в присаючных металлах, а также во флюсах, покрытиях, газах (например, при газовой сварке — в ацетилене). Кроме того, применяют различные методы перевода серы из металла в шлак или связывание ее в соединения, не дающие легкоплавких составляющих в металле. Для этого при сварке сталей применяют!

связывание серы в сульфид марганца MnS (ГОЛ=1610°С), не образующий с железом легкоплавких эвтектик;

удаление серы в шлак посредством воздействия МпО и СаО.

Связывание серы в MnS происходит согласно реакции

с константой равновесия

iC=(MnS) [Fe]/[FeS] [Mn], (V.71)

t. e. концентрация FeS e металле уменьшается при увеличении в нем концентрации Мп.

Однако реакция (V.70) в направлении связывания серы в MnS развивается только при понижении температуры металла, когда реакции идут более вяло. В связи с этим даже при достаточно большем количестве Мп в металле значительная часть серы может оставаться связанной в виде сульфида FeS.

Уменьшение FeS в жидком металле достигается воздействием шлаков, содержащих МпО и СаО. При этом происходят реакции:

FeS+(MnO)^ (MnS) f FeO (V.73)

FeS-Ь (СаО) ^ (CaS)-fFeO (V.74)

Кг=( MnS) [FeO]/[FeS] (МпО), (V.75)

/C2=(CaS) [FeO]/[FeS] (СаО). (V.76)

Анализ этих констант показывает, что уменьшению концентра­ции FeS в металле способствует лучшая раскисленность металла (уменьшение [FeO]) и увеличение МпО и СаО в шлаках. В связи с этим основные шлаки значительно более благоприятны по их влия­нию на уменьшение концентрации серы в металле.

В ряде случаев для десульфурации оказывается полезным свя­зывание серы в летучие соединения (например, A12S3 и SiS с темпе­ратурами кипения соответственно 1550 и 940° С).

Фосфор в железных сплавах также является весьма вредной примесью. Он ухудшает механические свойства сталей, вызывая хладноломкость у низколегированных и углеродистых сталей и по­вышенную склонность к образованию горячих трещин в сталях аустенитного класса.

Уменьшения количества фосфора в металле шва добиваются, ограничивая его содержание в- основном и добавочном металлах, а также в покрытиях, флюсах-шлаках и газовой фазе, взаимодейст­вующей с металлом.

Удаление фосфора из металла основано на его окислении и свя­зывании фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соеди­нения. Окисление фосфора, образующего с железом фосфиды Fe2P и Fe3P, осуществляется по реакциям

2Fe2P+5FeO ^ RA+9Fe (V.77a)

2FesPf5FeO ^ Р. А+1 IFe (V.776)

Кислый окисел РА образует комплексные соединения с основ­ными окислами. По возрастающей силе сродства к нему основные скислы могут быть расположены в следующий ряд: FeO, МпО,

MgO, СаО. Наиболее активно происходит связывание фосфорного ангидрида посредством реакций:

3Ca0+P205 ^ (Ca0)3*P205 (V.78a)

4CaO+P2Os ^ (СаО)4 — Р2Оь (V.786)

Менее активно происходит связывание Р206 посредством МпО. Реакции при этом подобны реакциям (V.78).

Если представить процесс обесфосфориванкя металла в общем виде, скомбинировав, например, реакции (V.776) и (V.786), получим

2FeJ4-5FeO-J-3CaO ^ (СаО)3 • P2Ofi-F9Fe (V.79)

Константа этой реакции

К=[(СаО)3 • Р205] [Fe]Y[Fe, P]2 [FeOf [СаО]3 (V.80)

IFeBP>=[(СаО)3 ■ Р2Об]/К [FeO]5 [СаО]3. (V.81)

Анализ этого выражения показывает, что уменьшению содержа­ния фосфора в металле способствует увеличение содержания в шла­ке свободных FeO и СаО и уменьшение количества СаО, связанного с Р205 (т. е. Са3Р208).

В кислых шлаках FeO и СаО связаны в комплексные соедине­ния с Si02 и ТЮ2, поэтому их свободные концентрации меньше и удаление фосфора из металла в шлак затрудняется. Основные шлаки более благоприятны для процессов обесфосфоривания. В основных шлаках концентрация Са3Р208 уменьшается путем разбавления шлака соответствующими нейтральными добавками, обычно плавиковым шпатом. Такая добавка часто применяется и для улучшения ряда физических свойств шлаков, увеличивая их жидкоподвижность, а следовательно, и возможность участия большего его относительного объема в реакциях с металлом.

Константа реакции (V.79) с повышением температуры умень­шается, что указывает на смещение равновесия в сторону усиления перехода фосфора в металл. Поэтому более активно процесс обес­фосфоривания металла при обработке его шлаком происходит при понижении температуры.

Аналогичными, но влияющими в меньшей степени на процесс обесфосфоривания, являются реакции Р205 с МпО. При этом сле­дует учитывать, что фосфор-сопутствующая примесь марганца и уве­личение марганцевых соединений в покрытиях и флюсах сопровож­дается увеличением содержания фосфора в шлаке, а следовательно, возможно и в металле.

Интенсификация процессов взаимодействия металл — флюс при повышении температуры приводит к тому, что применение тонкой электродной проволоки и больших плотностей тока (например, при полуавтоматической сварке в сравнении с автоматической) увеличи­вает содержание фосфора в металле при том же его содержании в добавочном металле и флюсе.

Рафинирование металла шва при сварке алюминия закрытой дугой

Неметаллические включения, нарушая сплошность и однородность металла, приводят к ухудшению всех его наиболее ценных свойств — прочности, пластичности, электропроводности, коррозионной стойкости и др. Обладая высокой адсорбционной способностью к газам и парам воды, включения A12Oj являются также одной из основных причин газонасыщения металла, приводящего к возникновению пор [7]. Поэтому для получения качественного металла шва при электродуговой сварке алюминия необходимо прежде всего:

а) принять все меры для предупреждения внесения Al2Oj в реакционную зону с основным металлом и свариваемыми материалами;

б) защитить расплавленный металл от окисления;

в) активно очищать металл шва от неметаллических включений, т. е. производить его рафинирование.

Указанные требования проще и полнее всего выполняются при сварке алюминия под флюсом закрытой дугой. В этом случае расплавленный металл надежно изолирован от контакта с кислородом атмосферы, количество Alfij, поступающее в сварочную ванну, резко снижается, что существенно облегчает выполнение последующего рафинирования.

Интенсивное и достаточно полное удаление оксидных частиц и пленок из сварочной ванны может происходить только лишь с использованием флюсов. При сварке в среде инертных газов в процессе катодного распыления происходит лишь частичное разрушение оксидной пленки с поверхности свариваемого стыка и оттеснение ее к краям ванны, тогда как значительная часть оксидов остается в металле шва. Поэтому при сварке в среде инертных газов предъявляются повышенные требования к качеству подготовки кромок свариваемых деталей и поверхности электродной проволоки [32].

Рафинирующее влияние флюса при сварке можно оценить по содержанию А120> в металле шва путем сравнения полученных значений с концентрацией А1203 в исходном

основном металле. Определение концентрации оксида алюминия в алюминии производилось бромметеноловым методом, который обеспечивает наиболее точные и стабильные результаты [36]. Так, например, при сварке пластин из алюминия АДОО под хорошо прокаленным флюсом ЖА-64А электродной проволокой, прошедшей травление в щелочной среде с последующим осветлением в растворе азотной кислоты, содержание А12Оу в металле шва составило 0,007 %. Полученное значение концентрации А1203 в металле шва почти в 4 раза меньше, чем в свариваемом металле (рис. 2.36), что свидетельствует о высокой рафинирующей способности флюса ЖА-64 при сварке

Рис. 2.36. Влияние подготовки электродной проволоки и флюса на концентрацию оксидов алюминия в металле шва: 1 — флюс прокален, проволока протравлена; 2 — флюс после 1 месяца хранения, проволока протравлена; 3 — флюс прокален, проволока после 1 месяца хранения; 4 — флюс прокален, проволока нетравленая

алюминия закрытой дугой [126].

Чтобы определить влияние способа сварки на рафинирование металла шва, производилась сварка пластин встык по слою плавленого флюса АН-А1. При этом

сохранялись условия сварки, аналогичные предыдущему опыту. Полученные результаты определения концентрации Al2Oj в металле шва показывают (рис. 2.37), что при сварке по слою флюса АН-А1 концентрация А120> возросла до 0,036 %. Сравнение результатов проведенных опытов свидетельствует о надежной защите сварочной ванны от контакта с окружающей средой при сварке закрытой дугой, что позволяет получать стабильную газовую фазу в реакционном пространстве и осуществлять глубокое

рафинирование металла шва при сварке.

Чтобы оценить влияние длительности хранения флюса на его рафинирующую способность, производилась сварка пластин встык под флюсом ЖА-64А после хранения его в открытой таре в течение одного месяца. Флюс перед сваркой не прокаливался и содержал 0,16 — 0,18 г Н20 на 100 г флюса. Обработка поверхности электродной проволоки производилась по обычной технологии непосредственно перед сваркой. В процессе сварки под увлажненным флюсом
происходит взаимодействие адсорбированной флюсом влаги с алюминием, в результате которого образуется оксид алюминия и водорода:

Н20 +А1 =А120j + 6Н

Таким образом, за счет внесенной флюсом в реакционное пространство влаги следует ожидать увеличения количества неметаллических включений в металле шва. По результатам анализа, содержание А120> в шве при этом составило 0,0090 %, что несколько больше, чем при сварке под прокаленным флюсом, однако значительно меньше, чем в основном металле (0,024 %) (см. рис. 2.36).

Аналогичным образом оценивалось влияние различных элементов технологии сварки на загрязненность металла шва неметаллическими включениями. Так, например, при сварке алюминия количество А1203 внесенного в сварочную ванну, будет различным в зависимости от способа обработки поверхности прово’локи и последующей длительности ее хранения. Поэтому, например, при сварке алюминия в среде защитных газо^ длительность хранения электродной проволоки ограничивается в зависимости от способа ее подготовки и условий ее хранения.

Для определения влияния длительности хранения электродной проволоки на содержание А120> в металле шва производилась сварка пластин встык электродной проволокой, хранившейся на воздухе в течение месяца после ее обработки в растворе щелочи с последующим осветлением в растворе азотной кислоты. При сварке использовался флюс непосредственно после прокалки. Согласно полученным результатам, содержание А120> в шве составило 0,010 %, что превышает концентрацию А130> в металле шва при сварке электродной проволокой непосредственно после ее обработки.

При сварке обезжиренной от смазки электродной проволокой, подвергшейся травлению, содержание А1203 в шве возрастает и составляет 0,013 %. Однако во всех проведенных опытах содержание А120> в шве остается значительно ниже, чем в сварочном металле.

Принципиально важно оценить влияние Si02, входящего в состав флюса ЖА-64 для сварки алюминия закрытой дугой, на загрязненность металла шва неметаллическими включениями. Можно было ожидать, что введение во флюс 3 % Si02 для снижения его

электропроводности вызовет ряд нежелательных побочных явлений, например легирование металла шва кремнием, засорение металла неметаллическими включениями и т. д. с учетом возможной реакции:

3 Si02 + 4 А1 — 2 А120> + 3 Si.

Восстановление Si из Si02 флюса и переход его в металл шва подтверждается данными химического анализа. Однако существенного увеличения количества включений А120> в металл шва не наблюдается, что, вероятно, является результатом рафинирующего действия флюса (см. рис. 42).

Для выяснения роли криолита в процессе рафинирования металла при сварке под флюсом ЖА-64 он был полностью выведен из состава флюса. Сварка образцов производилась под опытным флюсом ЖА-01, содержавшим КС1 — 68 %, NaCl — 27 %, CaF2 — 5 %. При этом включения А120> в металле шва составили 0,041 %, что почти в два раза больше, чем в исходном основном металле (см. рис. 42).

Таким образом, высокая рафинирующая способность керамического флюса ЖА-64А определяется, прежде всего, наличием в его составе криолита. Однако состав технического криолита, поставляемого заводами согласно ГОСТу 10561-80, существенно изменяется в зависимости от его модуля [20]. Проведенные ранее исследования некоторых физико­химических свойств флюса ЖА-64 в зависимости от модуля криолита показали, что температура плавления, электропроводность, плотность и жидкотекучесть флюса при этом существенно изменяются [98]. Для определения влияния

модуля технического криолита на рафинирующую способность флюса при сварке алюминия закрытой дугой производилась сварка пластин под флюсом ЖА-64А с использованием криолита с модулем М “ 1,62 и М ”2,13. По результатам определения Л120> в металле шва (см. рис. 2.37), большей рафинирующей способностью обладает флюс, в состав которого входит криолит с модулем М = 1,62. При сварке под флюсом с модулем криолита М — 2,13 концентрация Л120> в металле шва увеличивалась до 0,012 %. Повышенное рафинирующее действие флюса с меньшим модулем криолита объясняется избыточным содержанием во флюсе фторида алюминия, при взаимодействии которого с металлом образуется значительное количество газообразного субфторида алюминия [25], что способствует более эффективной очистке жидкого алюминия от А12Ог Однако, и в этом случае независимо от модуля криолита содержание А120> в металле шва остается ниже, чем в свариваемом металле, что свидетельствует о высокой рафинирующей способности процесса сварки алюминия закрытой дугой. !

Рафинирование металла при сварке.

Рафинирование протекает одновременно с раскислением и легированием.

Рафинирование – очищение Ме шва от вредных примесей. Для сплавов на основе железа это удаление S и P.

Источники поступления S и P в Ме:

1. Расплавляющийся основной и присадочный Ме;

Сера вызывает красноломкость стали, а значит повышает склонность к образованию к горячим трещинам. Такое влияние серы на свариваемый Ме при высоких температурах объясняется следующим. Сера образует с Fe легкоплавкие эвтектики. На первой стадии образуется FeS (Тпл = 1195°С). Этот сульфид почти не растворяется в твёрдом железе, а выделяется в нём в виде эвтектики или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектика FeS + Fe имеет Тпл = 985°С. Низкую Тпл имеет эвтектика типа 2FeO × SiO2 + FeS (Tпл < 980°С). Чем больше серы, тем больше появляется легкоплавкой эвтектики, тем сильнее красноломкость стали, т.е. содержание серы ограничивают. Особенно вредным оказывается наличие серы в легированных сталях, особенно в сплавах, содержащих Ni, т.к. образуется эвтектика NiS (Тпл = 644°С). Усиливать вредное влияние серы могут и другие элементы. В низколегированной стали это углерод. Аналогичное воздействие может оказать и Si.

Вывод: Для более полного удаления серы из Ме или для более благоприятного распределения оставшейся её части в сварочную ванну нужно вводить элементы, которые исеют большее сродство к сере, чем к железу. По степени возрастания прочности образующихся сульфидов эти элементы можно расположить в следующий ряд:

Al, Ca, Na, Mg, Mo, Mn, Fe, Ni.

Однако использовать в сварочной практике первые 4 неудобно, т.к. все они имеют высокое сродства к O2; т.е. связываются в оксиды, а потом в сульфиды.

Наибольший интерес представляет Mn, т.к.

§ имеет высокое сродство к серк;

§ всегда присутствует в стали в достаточно больших количествах;

§ образует тугоплавкий сульфид, который равносерно распределяется по всему объёму Ме шва;

§ При концентрации в стали > 0,5 – 0,6% способствует переходу серы в шлак.

При сварке сталей применяют связывание серы в MnS (Тпл = 1610°С).

Удаление серы в шлак посредством воздействия оксидов Mn и Ca.

Связывание серы происходит следующим образом:

Концентрация FeS в Ме уменьшается, при увеличении в нём концентрации Mn. Однако реакция (1) в направлении связывания серы в MnS развивается только при понижении температуры Ме. Следовательно при большом количестве марганца в Ме значительная часть серы остаётся в шве, связанной в FeS. Уменьшить содержание FeS в жидком Ме можно воздействием шлака, содержащего оксиды Mn и Ca. При этом происходят реакции:

Уменьшению FeS в шве способствует лучшая раскисляемость Ме и увеличение содержания оксидов Mn и Ca в шлаках.

В ряде случаев для десульфурации серу связывают в летучие соединения типа Al2S3, SnS с Ткип = 1550°С и Т­кип = 940°С .

Фосфор в сплавах на основе Fe является очень вредной примесью. Он ухудшает механические свойства низколегированных и углеродистых сталей, вызывая хладноломкость. В сталях аустенитного класса повышается склонность к образованию горячих трещин.

Уменьшение количества фосфора добиваются за счёт ограничения его содержания в основном и присадочном Ме, в покрытиях, флюсах, шлаках, газовой фазе. Удаление фосфора из Ме шва основывается на его окислении и последующем связывании фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соединения. Окисление фосфора осуществляется по следующим реакциям:

P2O5 – кислый окисел, следовательно он должен образовывать комплексное соединение с основными окислами (FeO, MnO, MgO, CaO).

Наиболее активно связывание происходит по следующим реакциям:

Если представить в общем виде, то получится:

Анализ выражения (7) показывает:

Уменьшение содержания фосфора в Ме шва будет возрастать с увеличением содержания в шлаке свободных окислов Fe и Ca и с уменьшением количества CaO связанного с P2O5 в комплексные соединения с SiO2 и TiO2. Отсюда следует, что их свободные концентрации будут гораздо меньшими и удаление фосфора из Ме в шлак будет затруднено.

Основные шлаки более благоприятны для процесса обесфосфоривания. В основных шлаках концентрация комплексных соединений (3CaO P2O5) уменьшается путём разбавления шлака нейтральными добавками (плавиковый шпат CaF2). Такая добавка улучшает ряд физических свойств шлака увеличивая его жидкотекучесть, а это приводит к большёму участию её относительно объёма в реакциях с Ме. Константа реакции (7) с повышением температуры возрастает, а это указывает на смещение равновесия в сторону усиления перехода фосфора в Ме. Следовательно, более активно процесс обесфосфоривания Ме при сварке при обработке его шлаком будет происходить при понижении температуры. Аналогично, но слабее, происходит процесс обесфосфоривания, если вместо CaO применить MnO. Однако, всегда следует учитывать, что фосфор является спутником примесях Mn, следовательно увеличение марганца в покрытиях и флюсах будет сопровождаться увеличением фосфора в шлаке. При сварке фосфор будет переходить в Ме. Широкое применение MnO при сварке не получил.

Интенсификация процесса взаимодействия Ме – флюс при повышении температуры приводит к тому, что применение тонкой электродной проволоки и больших плотностей тока увеличивает содержание P в Ме шва по сравнению с более толстой сварочной проволокой. Даже если P в добавочном Ме и флюсе содержится одинаковое количество.


Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.


Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.


© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

Раскисление, легирование, рафинирование и модифицирование металла при сварке.

Раскисление – процесс удаления из жидкого Ме кислорода, как растворённого в основе сплава, так и диспергированного в виде химических соединений с другими элементами. Удалить кислород из Ме можно воздействием раскислителей или шлака. Раскислители в результате взаимодействия с окислами Ме могут образовывать продукты реакции, либо газообразные, либо конденсированные (жидкие и твёрдые).

Раскисление с получением газообразных продуктов реакции.

Существуют две типичные реакции этого вида раскисления Ме.

Раскисление углеродом.

Раскисление углеродом происходит в 2 этапа:

Наблюдается одновременное присутствие железа, его закиси, углерода, окиси углерода, двуокиси углерода. Где и при каких условиях будут протекать эти реакции? В условиях равновесия Fe, FeO, C, CO, CO2. Диапазон температур DТ = 400…1200°С.

Область I – область устойчивого существования восстановленного Fe. Эта область уменьшается с ростом температуры. Ей отвечает наличие преимущественно восстановительной среды в виде CO.

Область II – устойчивое существование FeO. Она появляется при температуре » 600°С и увеличивается с ростом температуры. В отличие от первой области ей отвечает наличие окислительной среды, заметное количество CO2. В результате начинает развиваться процесс окисления железа по реакции

Или процесс окисления железа с образованием окиси

Если имеется магнетит (Fe3O4), восстановление происходит по реакции

Область III – область устойчивого существования магнетита. При температуре свыше 600°С эта область уменьшается. Ей характерна более сильная окислительная среда, из-за наличия значительного количества CO2. Поэтому в этой области окислительный процесс продолжается

Реальный сварочный процесс протекает при ещё более высоких температурах и можно предположить следующее: При окислении Ме устойчивой формой оксида железа будет FeO. Раскисление Ме углеродом идёт только по реакции образования окиси углерода. Т.к. при высокой температуре этот продукт очень устойчив

Отсюда определяют равновесную концентрацию закиси Fe в Ме считая, что содержание Fe в стали » 1 и выразив концентрацию окисла углерода через парциальное давление получим

Если полагать, что в процессе сварки в области высоких температур парциальное давление углерода » 1, то

Рассмотрим зависимость содержания растворённой в Ме закиси железа от содержания в нём углерода.

С увеличением содержания углерода в Ме в нём интенсивно уменьшается количество закиси железа. С ростом температуры процесс раскисления углерода убыстряется и раскисление идёт значительно полнее, чем при более низких температурах. Однако, несмотря на очень хорошую раскислительную способность углерод, как раскислитель, находит ограниченное применение. Это объясняется двумя обстоятельствами:

1. Возможность образования пор в Ме шва, особенно на участках, кристаллизующихся в последнюю очередь, сильно насыщенных углеродом. При сварке будут идти реакции выгорания углерода.

2. Возможность повышения содержания углерода в Ме шва, а это не всегда допустимо.

Раскисление водородом.

В общем виде идёт реакция:

Недостатки водорода, как раскислителя:

1. Высокая растворимость в Ме.

2. Опасность образования пор и холодных трещин.

Вывод: Говоря об эффективности раскисления на основе обменных реакций следует иметь в виду, что даже когда процесс протекает длительно не достигается равновесия реакции. Поэтому при сварке отклонение от равновесия будет в сторону более высокого содержания закиси железа. В связи с этим на практике часто применяется несколько раскислителей.

Диффузионное раскисление.

Оно основано на частичном переходе закиси железа из жидкого Ме в шлак, т.к. её распределение между шлаком и Ме подчиняется закону распределения Нернста.

Для развития этого вида раскисления важно, чтобы концентрация свободной закиси Ме уменьшалась, тогда новые порции закиси Ме будут переходить из Ме в шлак. Уменьшение содержания свободной закиси железа в шлаке достигается следующими путями:

1. Связыванием её в комплексное соединение – кислотный оксид (с образованием силикатов или титанитов).

2. Дополнительное применение раскисления на основе обменных реакций.

3. Разбавление шлаков нейтральными, в химическом смысле, добавками.

Константа распределения, определяющая степень перехода закиси железа из Ме в шлак, с увеличением температуры уменьшается.

При высоких температурах меньшее количество закиси Ме может перейти в шлак, нежели при низких.

При диффузионном раскислении закись железа удаляется из Ме в шлак путём диффузии, следовательно все химические процессы протекают на границе Ме – шлак, или в самом шлаке.

Недостатки: Само раскисление протекает медленно, поэтому, хотя при температурах близких к температуре плавления Ме L высока, скорость диффузии замедляется и общий процесс оказывается не очень высоким.

Процесс диффузионного раскисления наиболее заметен при образовании капли на торце электрода и при переносе её через дугу. Этому способствует очень высокая температура. Ме в капле энергично перемешивается и непрерывно контактирует со свежими порциями шлака. В сварочной ванне процесс диффузионного раскисления протекает лишь в верхнем тонком слое Ме, прилегающем к шлаку. В результате диффузионное раскисление не играет значительной роли при дуговой сварке и наиболее заметно при ЭШС.


Читайте также: