Глава 9испр1 (Вырезки в виде лекций), страница 3

Нитриды азота весьма сильно влияют на свойства стали. Из рис. 9.11 видно, что с увеличением содер­жания азота повышаются пределы прочности и текучести металла. Этим азот сильно отличается от кислорода. Вместе с тем снижаются пластические свойства и особенно резко — ударная вязкость стали. Наряду с этим появляется склонность металла к старению, повышается склонность к хладноломкости и синеломкости, увеличивается способность к закалке, понижается магнитная проницаемость, увеличивается электрическое сопротивле­ние металла.

Для углеродистых и низколегированных сталей азот – нежелательная примесь, в металле шва, особенно при действии на такой металл динамиче­ской нагрузки. При сварке легированных сталей осуществляют микролегирование азотом с целью частичной замены углерода и увеличения прочности сталей. Азот, как и углерод, образует твердый раствор внедрения, а также нитриды.

При сварке высоколегированных сталей аустенитного класса азот повышает устойчивость аустенита и выступает как легирующая добавка, способная заменить некото­рое количество углерода и никеля. В таких сталях азот устраняет явление транскристаллизации и улучшает механические свойства; может выз­вать и эффект упрочнения чу­гуна.

Однако в условиях сварки меди азот является инертным защитным газом.

1. Влияние водорода на свойства стали

Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с од­ной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление, связы­вая кислород, восстанавливает при известных условиях металл из ок­сидов, препятствует образованию нитридов железа; с другой - рас­творяется в металле и становится причиной появления существенных дефектов в шве - пористости и тре­щин.

Металлы, растворяющие водо­род, делятся на две группы:

1) не образующие химических соединений с водородом— Fe, Ni, A1, Со, Сu, Mo, и др.;

2) образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды) — Zr, Ti, V, Та, Th и др.

Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе. Как видно из рис. 9.6, растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений. При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание рас­творимости водорода, достигающее максимальной величины при температуре ~ 2700 К. Таким образом, наиболее значительное на­сыщение металла водородом происходит в процессе переноса капель.

Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от нали­чия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, нерастворимые в жидком металле и тем самым, снижающие парциальное давление его в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений OH и HF, нерастворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.

На рис. 9.12 представлены зависимости между растворимостью водорода в ме­талле, температурой среды и парциальным давлением р_Н2 его в га­зовой среде. Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодей­ствует с кислородом по уравнениям

2[H] + [O] → H₂O (9.21)

и [H] + [O] → OH

(в квадратные скобки взяты газы, растворен­ные в металле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концентрацию в нем водорода. На рис 9.13 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидком железе. Как видим, даже незначительная окисленность жидкого металла резко снижает содержание в нем водорода.

Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказыва­ется на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении металла ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться. Оставшийся в металле атомарный водород задерживается в ветвях зарождающихся и растущих дендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также дефектов кристаллической структуры. Здесь атомы водорода воссоединяются в молекулы, а парциальное давление атомарного водорода резко снижается, вследствие чего он продолжает сюда диффундировать. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значи­тельные давления, так как сам он не в состоянии диффундировать через металл и практически нерастворим в нем. Кроме того, водо­род может окисляться в водяной пар, который в металле не раство­ряется. В связи с тем что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению пластических свойств его, а иногда — и к хрупкому разрушению.

Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва со­единений, отрицательно влияющих на прочность этого металла, он усиливает вредное влияние макро- и микронесплошностей, спо­собствует резкому снижению пластических свойств металла и его хрупкому разрушению.

1. Влияние двуокиси углерода и паров Н₂О на свойства стали.

Двуокись углерода в тех или иных количествах всегда есть в газовой среде, однако степень диссоциации ее при температурах дугового разряда незначительна. Кроме того, будучи не­растворимой в жидком металле, она непосредственной опасности для него не представляет. Наоборот, СО может создавать защитную атмосферу у поверхности жидкого металла, связывая кислород по реакции:

.

Иную роль играет окись углерода, образующаяся в самом ме­талле при взаимодействии углерода с кислородом или углерода с оксидами металлов. В этом отношении наиболее характерна реакция между углеродом и закисью железа:

FeO +C ↔ CO + Fe (9.22)

Наблюдающееся «кипение» металла (выделение пузырей образую­щейся окиси углерода) способствует удалению посторонних включений. Однако если в металле шва в момент его кристаллизации нет нужных раскислителей (например, Si, Mn), способных подавить реакцию дальнейшего образования окиси углерода, то «кипение» сварочной ванны может продолжаться и привести к нежелатель­ному снижению содержания углерода, а также к образованию пор в металле шва.

Итак, состав газовой среды в зоне дуги и степень активности ее компонентов при сварке плавлением позволяет сделать общий вывод о необходимости защиты жидкой фазы ванны стали от кон­такта с воздухом и тщательной металлургической обработки его для получения качественного сварного соединения.

9.25. Влияние атмосферных газов на свойства цветных металлов.

Медь при взаимодействии с кислородом дает стабильный оксид Cu₂O, растворимый в жидкой меди:

(9.23)

В расплаве оксид меди Сu₂O весьма устойчив, но при кристаллизации вследствие ликвации образуется эвтектика Cu- Сu₂O и фаза Сu₂O теряет свою устойчивость, вызывая так называемую «водородную болезнь» меди. Она приводит к разрушению металла и вызывается последовательным взаимодействием меди с кислородом (9.23), а затем с водородом:

2[H]+[Cu₂O]=2Cu+H₂O пар (9.24)

Иными словами, водород, растворенный в окисленном металле, взаимодействует с Сu₂O, находящийся в эвтектике и восстанавливает ее до Сu, но образующиеся при этом пары воды не могут диффундировать в металл и разрушают его по границам зерен.

Диаграмма плавкости Cu-O приведена на рис. 9.14. На диаграмме область подтверждает образование раствора Сu₂O-Cu, на растворимость Сu₂O в твердой фазе ничтожно мала. Таким образом, при сварке меди и ее сплавов необходимо принимать все меры для снижения степени ее окисления или вводить раскислители.

Аналогичная ситуация имеет место при сварке никеля и его сплавов. Никель с О₂ дает устойчивый оксид NiO. Он обладает основными свойствами, хорошо растворим в жидком никеле, но не растворим в твердом. Диаграмма плавкости, приведенная на рис. 9.15, показывает, что оксиды никеля легко диссоциируют, выделяя кислород, который образует с водородом, находящемся в жидком металле поры при кристаллизации.

Никель, в отличие от железа, не взаимодействует с азотом, который можем служить для него защитной средой.

Титан обладает особой химической активностью по отношению к кислороду. Он образует с кислородом ряд устойчивых оксидов с различной степенью окисления. Креме того, кислород может растворяться в твердом металле. Оксиды, особенно низкой степени окисления обладают, большим температурным интервалом гомогенности, т.е. существуют в однофазном твердом растворе (рис. 9.16). Наиболее устойчив низший оксид TiO₂; его ступенчатая диссоциация ищет по 2 вариантам.

Ti₃O₅

T iO₂

Ti₂O₃ – TiO – Ti (9.26)

Из них наименьшую температуру диссоциации имеет TiO₂ ( при 3500 К) по уравнению:

4TiO₂ 2Ti₂O₃+O₂ (9.27)

Титан также активно взаимодействует с водородом и азотом, образуя гидриды и нитриды, что требует особо тщательной защиты его сплавов при сварке.

Алюминий с кислородом образует устойчивый амфотерный оксид , нерастворимых в металле и образующих плотную пленку окислов, имеющих весьма высокую температуру плавления (Т>2500 К) и плотность выше, чем у металла. При сварке с окислением в шве образуются включения Al₂O₃, т.е. шлаки, которые охрупчивают металл шва. Кроме того, гидратная вода, входящая в при сварке диссоциирует, создавая повышенное парциальные давление водорода в дуге. Это вызывает пористость при кристаллизации, поскольку растворимость водорода при этом снижается практически до нулевых значений (рис. 9.6) Второй продукт диссоциации – кислород – окисляя основу сплава или его главный легирующий компонент (Mg, Li) увеличивает долю шлака в шве в виде легкоплавкой эвтектики. Таким образом, атмосферные газы в большей или меньшей степени попадая в зону дуги из-за несовершенства газовой защиты либо в виде примесей в защитные газы, негативно влияют на все основные конструкционные металлы и сплавы, приводя к образованию горячих либо холодных трещин и пористости, а также к снижению прочности и пластичности сварных соединений.

9.3 Взаимодействие металла с защитными флюсами при сварке

9.3.1 Строение и свойства сварочных флюсов. Сварочные флюсы представляют собой сплав различных оксидов и солей, который имеет пониженный по сравнению с жидким металлом температуру плавления и плотность. Взаимодействуя с металлом, они изменяют свой химический состав и превращаются в шлак, который располагается в основном на поверхности металлической ванны и защищает ее от непосредственного контакта с атмосферой. Однако высокие температуры, развивающиеся при сварке приводят флюсы-шлаки в реакционно-способное состояние, которое вызывает обменные реакции с металлом, что может снижать качество швов. Для управления эти процессом необходимо иметь сведения о строении шлаков и условиях, в которых возможно взаимодействие с металлами.

В соответствии с ионной теорией, имеющей более широкую экспериментальную основу, шлаки обладают структурой ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион — катионами. Ионное строение шлаков подтверждается их заметной электропро­водностью (того же порядка, что и расплавов типичных электро­литов) и возрастанием электропроводности с температурой, также характерным для электролитов. Схема кристаллического строения окислов и солей представлена на рис. 9.17. Структурной единицей кристаллического строения оксидов и солей являются катионы металлов Ме²⁺ и анионы кислорода О^2-, фтора F^-, хлора Cl^- и др., которые чередуются в узлах кристаллических решеток. Структурной единицей кремнезема является анион SiO₄^4-. Эти анионы обладают возможностью соединяться между собой через атомы кислорода с образованием разнообразных по структуре силикатных комплексов . При расплавлении окислов и солей ионы сохраняются, но нарушается дальний порядок; ионы и комплексы ионов получают значительную подвижность. При добавлении к кремнезему основных окислов происходит дробление силикатных комплексов (рис. 9.17) с образованием ионов в следующей последовательности: , , , . В пределе дробление силикатных комплексов доходит до образования изолированных тетраэдров (рис. 8.17). При определенной концентрации кислотных и основных окислов образуются комплексы – силикаты (ортосиликат 2MeOSiO₂, метасиликат MeOSiO₂). При добавлении к основным окислам амфотерных окислов образуются алюминаты nMeOAl₂O₃, фосфаты nMeOP₄O₁₀, ферриты nMeOFe₂O₃.