СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Взаимодействие металла с газами

При дуговой сварке плавлением расплавленный металл, вза­имодействуя с окружающей атмосферой, поглощает кислород, азот и водород, что существенно сказывается на свойствах ме­талла шва.

Растворение двухатомного газа в металле описывается уравнением

откуда следует известное правило квадратного корня (закон Сивертса)

[% Г] = (V/r) рт 5-

где аг и —активность и коэффициент активности газа, за­висящие от состава расплава [1].

Равновесие металл — газ зависит от температуры. Эта за­висимость обычно выражается эмпирическими уравнениями вида

lg Кг = ЛІТ + В,

где А и В —-постоянные, определяемые из опыта.

При температурах, приближающихся к точке кипения ме­талла, нужно учитывать встречное давление паров металла, вызывающее снижение реальной растворимости газа.

Окисление металла шва

Кислород в металле шва может находиться в зависимости от концентрации других присутствующих в нем элементов в не­скольких формах: в виде оксида железа в твердом растворе и выделяющегося в самостоятельную фазу; в виде оксидных включений; в виде твердых растворов и эвтектик, образован­ных оксидными и сульфидными включениями, а также в виде самостоятельной фазы О.

Растворимость кислорода в железе в форме FeO невелика н может быть описана при контактировании жидкого железа со шлаками, состоящими практически только из оксида же­леза, уравнением

lg [О] = — 6320/Г + 2,734. <3.22)

где [О] — концентрация кислорода в жидком железе, % (по массе).

Последним представлениям на основе исследования хими­ческих равновесий типа МеО+Н2 = Ме +Н20, больше соответ­ствует гипотеза о том, что кислород находится в железе в виде

TOC o "1-5" h z т <£ о 4

* хГ • ^

с 6 8 г

Рис. 3.4. Характерные типы включений в металле швов, выполненных сваркой плав­лением: а — силикатные (изотроп­ные); 6 — силикаты железа (анизотропные); в — силика­ты с преобладанием марган­ца (изотропные, внутри све­тящийся крест); г — суль­фиды, оксиды н пр. (изо­тропные)

самостоятельной фазы О. Существенно меньшая электроотри­цательность железа по сравнению с кислородом позволяет предположить, что кислород может существовать в железе в анионной форме 0~z. Значительные размеры названных анио­нов обусловливают ничтожную их подвижность при пропуска­нии через железо постоянного тока.

Вместе с тем практически все металлургические расчеты основаны на предположении о растворении кислорода в железе в форме FeO, и независимо от формы присутствия кислорода с большой достоверностью установлено, что растворимость его в твердом a-железе составляет 0,03%, а в у-железе ~ 0,003 %.

Результаты расчетов по уравнению приведены в табл. 3.4. При снижении температуры происходит перераспределение FeO между шлаком и металлом в соответствии с константой распределения

L = [FeO]/(FeO),

где [FeO] и (FeO) —концентрации оксидов в металле и шлаке соответственно.

Константа распределения изменяется в зависимости от тем­пературы по формуле

lg [FeO]/(FeO) = — 6300/Г + 1,386.

Выделяющийся из раствора FeO может не только перехо­дить в шлак, но и вступать во взаимодействие с элементами - раскислителями Мп, Si, Ті, А1 и др. при наличии таковых в жидкой сварочной ванне. И поскольку сродство к кислороду у названных элементов растет при снижении температуры, про­дукты раскисления реакций вида

п [FeO] + т [X] = п [FeO] 4 ХтОп (3.23)

частично переходят в шлаковую фазу, но остаются и в закри­сталлизовавшемся металле в виде неметаллических включений, повышая общую концентрацию в нем кислорода (рис. 3.4). Оксидные включения часто имеют неоднородный минералоги­ческий состав, а также могут образовывать сложные кисло­родосодержащие включения, например, оксисульфиды или кислородофторсодержащие включения.

Взаимодействие наплавляемого металла с азотом

Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. В зависимости от температуры азот может находиться в газо­вой фазе в различных состояниях: молекулярном, атомарном и ионизированном. Растворимость атомарного азота при постоян­ной температуре определяется соотношением

1% N] = KPn.

При наличии азота в газовой фазе в молекулярной форме его растворимость определяется уравнением

[% Щ =

Последняя зависимость косвенно указывает на то, что про­цессу растворения азота предшествует диссоциация молеку­лярного азота на атомы.

Азот образует с железом химические соединения — нит­риды: Fe2N (11,15 % N) и Fe4N (5,9 % N). Считается, что воз­можно и образование нитрида Fe8N [3].

Теплота образования Fe2N и Fe4N соответственно равна [4]:

2Fe -[- 0,5N2 = Fe2N 4 16,5 кДж/моль;

4Fe 4- 0,5N2 = Fe4N 4 18673,1 кДж/моль.

Fe2N начинает разлагаться в атмосфере чистого азота при температуре —550 °С. Дальнейшее повышение температуры
вызывает диссоциацию нитрида Fe4N. При относительно не­больших концентрациях азота в металле нитрид железа до­вольно устойчив даже при высоких температурах.

Растворимость азота в железе при его парциальном давлении Pn, = 105 Па приведена на рис. 3.5. Изменение растворимости азота при кристаллизации железа проис­ходит скачкообразно. Вместе с этим из диаграммы состояния же­лезо— азот следует, что раствори­мость азота в твердом железе зна­чительно превышает значения, при­веденные на рис. 3.5. Поэтому кри­вую предельной растворимости азота в железе на рис. 3.5 следует рассматривать как растворимость азота, находящегося в равновесии с нитридами железа.

Взаимодействие наплавляемого металла с водородом

Источниками водорода в газовой фазе зоны сварки могут слу­жить атмосферная влага, влага покрытия электрода или флюса, конституционная влага ржавчины на свариваемых кромках и т. д. Образующиеся вслед­ствие этого водяные пары диссоциируют и повышают концентрацию водорода в газовой фазе.

В зависимости от температуры газо­вой фазы водород может находиться в ней в различных состояниях: молекуляр­ном, атомарном и ионизированном. При высоких температурах происходит ча­стичная диссоциация молекулярного во­дорода на атомарный:

Н2 = 2Н — 434,6 кДж/моль,

а также на атомарный и ионизиро­ванный:

Н2 = Н + Н+ + е — 1747,9 кДж/моль,

Степень диссоциации молекулярного водорода на атомарный в зависимости от температуры пока­зана на рис. 3.6. Из приведенных данных следует, что в столбе сварочной дуги (7 = 5000—6000 К) подавляющее количество водорода находится в атомарном состоянии. Практически пол­ное разложение водяного пара с образованием свободного
водорода или гидроксида происходит при его взаимодействии с железом, ферросплавами и расплавленным шлаком по ре­акциям:

Me 4- Н20 МеО 4 н2;

2FeO 4 Н20 ^ Fe203 + Н2;

Me 4 2Н20 МеО 4 ОН 4 ЗН;

СО 4 Н20 С02 + Н2.

Концентрация водорода в металле швов зависит от темпе­ратуры, до которой нагревается в дуге металл, химического состава металла и парциального давления водорода в атмо­сфере дуги.

Значительное влияние на содержание водорода в швах ока­зывает парциальное давление его в атмосфере дуги. По дан­ным работы [5], введение в зону сварки ржавчины и последую­щее увеличение ее количества приводят к возрастанию общего объема выделившихся газов. При этом количество выделив­шегося водорода растет значительно быстрее, чем объемы СО и СОг, в результате резко возрастает количество водорода в металле шва.

Если водород находится в атомарном состоянии, раствори­мость его в металле при постоянной температуре в состоянии равновесия подчиняется линейной зависимости

т = крн,

где [Н]—растворимость водорода, % (по массе); рн—парци­альное давление атомарного водорода в газовой фазе; К — константа равновесия, зависимая от температуры и фазового (а также агрегатного) состояния металла.

Растворимость водорода, находящегося в газовой фазе в молекулярной форме, подчиняется закону квадратного корня из его парциального давления:

[Н] = К Vph2 ,

где рнз—парциальное давление молекулярного водорода в га­зовой фазе.

Зависимость (3.24) косвенно указывает на то, что процессу растворения молекулярного водорода предшествует его дис­социация на атомы. Если в газовой фазе водород находится в атомарном и молекулярном состояниях, то его растворимость при постоянной температуре может быть выражена зависи­мостью

(3.25)

где рн2н — общее парциальное давление атомарного и молеку­лярного водорода; % — степень диссоциации водорода при дан­ной температуре.

Константа растворимости водорода К зависит от темпера­туры и состава металла, которая может быть определена урав­нением

174е*

lg К= -------------------------- 1,72. (3.26)

Растворимость водорода в железе при парциальном давле­нии рн. =0,1 МПа в зависимости от температуры показана на рис. 3.7.

Для приближенной оценки растворимости водорода в рас­плавленном железе при абсолютной температуре Т и парци-

альном давлении рНг в интервале температур до 2570 К можно пользоваться уравнением

lg V = 0,5 lg РН3— -^ + 0,888. см3/100. (3.27)

На основании расчетов по приведенному уравнению по­строены кривые (рис. 3.8).