СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Термодинамический метод оценки протекания реакций при сварке

Термодинамическое равновесие основано на законе сохранения содержания всех веществ, участвующих в реакции, как угодно долго при постоянных температуре и давлении. Поэтому, если подходить строго, то понятие термодинамического равновесия в целом неприменимо к зоне плавления при сварке, поскольку металл в сварочной ванне и контактирующие с ним фазы непрерывно изменяют свою температуру, а сварочная ванна непрерывно разбавляется новыми порциями еще непрореагиро­вавших веществ — защитной среды, основного металла и сва­рочной проволоки. Тем не менее это понятие, а также расчет­ные и опытные данные о константах равновесия отдельных реакций оказываются весьма полезными для анализа металлур­гических реакций при сварке плавлением по двум причинам:

1. В каждом элементарном объеме сварочной ванны реак­ции стремятся к состоянию равновесия и, следовательно, ис­пользование термодинамических данных позволяет в большин­стве случаев предсказать наиболее вероятное их направление.

2. В сварочной ванне (зоне плавления) при сварке реакции взаимодействия протекают с большими скоростями, и поэтому можно ожидать состояния, близкого к равновесному.

Неравномерность температурного поля в зоне плавления весьма затрудняет выбор значения температуры, к которому следует относить расчеты равновесия. Поэтому термодинами­ческие расчеты можно вести лишь условно, разбив зону плав­ления на участки и принимая для каждого участка какую-либо одну температуру за равновесную. Практически удобно вести расчеты для двух стадии: стадии капли и стадии ванны, вы­бирая за равновесную для каждой из них, например, среднюю температуру металла. Исходные концентрации реагентов при этом, естественно, будут различными для каждой из назван­ных стадий. Такого рода расчеты позволяют приближенно оце­нить возможность протекания той или иной реакции и ее ве­роятное направление по величине стандартного изменения свободной энергии. При этом немалые трудности вызывает не­достаточность термодинамических данных (активностей, темпе­ратурных функций констант равновесия и др.) для многих сва­рочных систем.

В качестве примера можно привести попытку теоретически доказать возможность восстановления титана из (ТЮг)ф при сварке под флюсом системы СаО—AI2O3—ТІО2—CaF2 в ра­

боте [2]. Константа равновесия реакции:

(ТЮ2) + 2 [Fe] 2 (FeO) + [Ті],

TOC o "1-5" h z Л „2

ь - - ГеО.. кг FeO

ЛТЮ2 ~ Ті — VTt‘ Ті •

аТі02 аТЮ2

Откуда

», v 1 °Ті02

Ті — ЛТІ02 2 '

vTi aFeO

При пересчете мольных долей в проценты:

NTi =------------------ ^ (.% ТіЗ------------ » 0,0116 [%Ті],

Ti x/se [% Fe] - f - [1]•/« [Ті]

[% Ті] = 86 Кті0- . °ТІ°і ■. (3.2)

VTi ^FeO

Величину Ктюг можно найти по известной стандартной сво­бодной энергии AZ298° для реакций:

ТЮг«Ті + 02 AZ° = 217500 — 41,4Г;

2Fe + 02 « 2FeO AZ°= — 111250+ 21,67Г

Активности Ті02 и FeO для каждого состава флюса были определены на основе теории регулярных растворов по фор­муле [2]

<7-1 k ft-l k

RT lg Vij = ^ XiQiq + ^ XiQqt—Л ^ XjXjQij, (3.5)

i=1 £=<7+1 1=1 /=<+1

где k — количество оксидов в шлаке; q— коэффициент актив­

ности компонента; Qiq, Qqj, Q,/ — энергии смешения соответст­вующих пар компонентов (і и у, q и і; і н /); Хі — мольная доля оксида:

v<"> .

2 vw

1=1

щ — число молей оксида в шлаке; v,- — число катионов в хи­мической формуле оксида.

Поскольку данных об энергиях смешения рассматриваемых оксидов нет, их определяли по разности энергий образования комплексных соединений и соответствующих оксидов из эле­ментов.

При подстановке в формулу (3.2) данных, рассчитанных по уравнениям (3.3) — (3.5), можно найти равновесные концентра­ции титана.