Диссертация (Разработка технологических приемов модифицирования металла шва наноразмерными частицами с применением порошковых проволок при сварке под флюсом), страница 8

Термодинамический расчет возможных реакций WC с элементамисварочной ванныРасчет, проведенный в программе «Terra» для первого этапа моделированияпри нагреве карбида вольфрама при атмосферном давлении в среде аргонапоказал падение концентрации конденсированной фазы WC(с) при температуреблизкой к 2800 К (Рис. 2.3.), что свидетельствует о начале распада WC(с).Согласнолитературнымданнымтемпературапереходаα-WCвмодификацию β-WC и свободный углерод (С) составляет 2798 К. Таким образомпадение концентрации свидетельствует о начале протекания реакции:α-WC → β-WC + С.(2.7)Дальнейший нагрев соединения приводит к его полному распаду на W и C притемпературах около 4000 К по реакции:β-WC → W + С.(2.8)Рис. 2.3.Расчет нагрева WC в среде Ar при помощи комплекса «Terra»Согласнолитературнымданнымкарбидвольфрама(WC)имееттемпературу плавления свыше 3143 К, а температуру кипения свыше 6000 К.Однако моделирование нагрева соединения в инертной среде показывает полныйраспад WC при 4500 К.

Такое несоответствие расчетных и экспериментальныхданных по-видимому вызвано принятыми при моделировании упрощениями в53том числе неограниченностью времени нагрева и протеканием реакций до конца.Темнеменее,расчеттемпературыначалараспадаWCблизоккэкспериментальным данным.Второй этап моделирования проводили с учетом условий характерных длясварочной ванны, а именно присутствие Si, Mn, Ni и O, а также Fe в свободномвиде согласно Таблице 3. Содержание WC в расчетах варьировалось от0,003масс.% до 0,01масс.% .Расчет равновесного состава расплава сварочной ванны (Рис.

2.4.)показывает температуру при которой уменьшается концентрация WC равной3150 К при этом такие элементы как кремний, марганец и никель, входящие всостав сварочной ванны не оказывают влияния на его стойкость. Увеличениесодержания кислорода свыше 0,5масс.% приводит к уменьшению температурыпри которой уменьшается концентрация WC до 2450 К, что свидетельствует обокисляющемвоздействиикислорода.Негативномувлияниюкислородапрепятствует увеличение содержания кремния, так при увеличении кремния до1масс.% окисление WC начинается при 0,9масс.% кислорода. Таким образом взависимости от содержания кремния и кислорода в расплаве, температура началараспада WC составит от 2100К до 3150К (Рис. 2.5.).Рис. 2.4.Моделирование поведения соединения WC в сварочной ванне54T распада WC в3500 К300025002000Si=0,5%1500Si=1%100050000,111,822,43Содержание кислорода в %4Рис.

2.5.Зависимость склонности WC к окислению от содержания кремния итемпературыПри окислении WC, может вступать в реакцию с элементами, входящими всостав расплава сварочной ванны с образованием окисла вольфрама (WO3) исоединений кислорода с углеродом (CO). Кроме того, освободившийся углеродможет связываться с свободным кремнием и образовывать тугоплавкоесоединение карбида кремния SiC с температурой плавления порядка 3000 К.Таким образом, моделирование фазово-химического равновесия нагревакарбида вольфрама в среде сварочной ванны показывает склонность соединенияк окислению свободным кислородом, которому препятствует свободныйкремний. Соединение сохраняется до температуры 2100 К.

При окислении WCспособно образовывать окислы вольфрама (WO3) угарный газ (CO) и карбидкремния (SiC).2.4. Термодинамический расчет возможных реакций TiN с элементамисварочной ванныНитрид титана (TiN) так же обладает температурой плавления порядка 3203К, что позволяет ему выступать в роли тугоплавкого модификатора, однако привысоких температурах разъедается окислами железа (Fe2O3), кремния (SiO2) имарганца (MnO).55Расчет, проведенный при нагреве нитрида титана при атмосферномдавлении в среде аргона показал (Рис.

2.6.), что расчетная температура началадиссоциации азота из соединения составляет 2000 К, об этом свидетельствуетуменьшение концентрации конденсированной фазы нитрида титана TiN(c).Полный распад соединения происходит при достижении температуры порядка3250 К.Рис. 2.6.Расчет нагрева TiN в среде Ar при помощи комплекса «Terra»Входемоделированияфазово-химическогоравновесиясистемы,включающей в себя элементы сварочной ванны и нитрид титана (TiN) (Рис. 2.7.),определена температура начала диссоциации соединения TiN.

Соединениесохраняется вплоть до 2450 К.Анализ результатов моделирования показал, что наличие таких элементовкак кремний, марганец углерод и железо не сказывается на устойчивостинитрида титана.Продукты распада нитрида титана могут входить во взаимодействие сэлементами расплава сварочной ванны. Взаимодействие начинается притемпературе нагрева расплава около 2050 К. Так, высвободившийся титан можетобразовывать рутил TiO2 и силицид титана TiSi.

Высвободившийся азот в то жевремя способен образовывать тугоплавкое соединение нитрида кремния (Si3N4),56а также частично растворяться в расплаве сварочной ванны, оставшийся азотбудет приводить к образованию пор.Рис. 2.7.Моделирование поведения соединения TiN в сварочной ваннеСоединение силицида титана TiSi обладает температурой плавления 2193 К,а нитрида кремния (Si3N4) – 2173 К.Моделирование фазово-химического равновесия нагрева нитрида титана всреде сварочной ванны показывает стабильность соединения TiN дотемпературы 2050 К. Однако при температуре расплава свыше 2050 К возможнообразование новых тугоплавких соединений, таких как силицид титана (TiSi) инитрид кремния (Si3N4), кроме того освободившийся азот (N) может приводитьк образованию пор.2.5.ТермодинамическийрасчетвозможныхреакцийAl2O3сэлементами сварочной ванныТемпература плавления оксида алюминия (Al2O3) по литературным даннымсоставляет 2323 К.

При этом отмечается, что устойчивая модификация алюминия(γ-Al2O3) необратимо переходит в модификацию α-Al2O3 при нагреве дотемпературы 1373-1473 К. А модификация β-Al2O3 разлагается до α-Al2O3 при57нагреве до температуры 1873-1973 К. При Переходе к модификации α-Al2O3происходит выделение кислорода. При моделировании не учитываласьмодификация оксида алюминия.В результате расчета нагрева оксида алюминия в среде инертного газа (Рис.2.8.) видно, что конденсированная фаза оксида алюминия начинает уменьшатьсвою концентрацию при температуре 2450 К.

Это свидетельствует о началедиссоциации соединения с образованием низших окислов алюминия (AlO, Al2O),а также свободного кислорода. Температура конца распада соединениясоставляет 3350 К.Расчет, проведенный для определения взаимодействия оксида алюминия(Al2O3) с элементами, входящими в состав сварочной ванны (Рис. 2.9.) принагреве показал, что данное соединение стабильно до температуры 2200 К.Превышение этой температуры приводит к диссоциации соединения, полныйраспад соединения происходит при достижении температуры свыше 3100 К.Продукты диссоциации оксида алюминия способны вступать в реакцию сэлементами сварочной ванны.

Так освободившийся кислород может приводитьк интенсивному формированию шлаковой фазы, состоящей из оксидов кремния(SiO2) и марганца (MnO), а также формированию газовой фазы на основекислорода.Рис. 2.8.Расчет нагрева Al2O3 в среде Ar при помощи комплекса «Terra»58Рис. 2.9.Моделирование поведения соединения Al2O3 в сварочной ваннеПри наличии активных раскислителей, таких как кремний, освободившийсяалюминий может образовывать соединения с никелем (никелид алюминияNi3Al). Никелид алюминия стабилен до температур около 2800 К. Однако егостабильность зависит в свою очередь от количества свободного кислорода икремния в расплаве сварочной ванны.

Так избыток кислорода (0,1масс.% ) принедостатке кремния (0,5масс.% ) препятствует протеканию этой реакции, исоединение не образуется.Таким образом, показана стабильность оксида алюминия до 2200К.превышение этой температуры способно привести к формированию шлаковой игазовой фазы на основе кислорода и образованию тугоплавкого соединенияникелида алюминия.2.6. Выводы по главе 21. Установлено, что тугоплавкие соединения, такие как: карбид вольфраманитрид титана и оксид алюминия могут выступать в роли центровкристаллизации, так как они сохраняются в сварочной ванне до температур59свыше 2000 К и обладают сходством кристаллической решетки с решеткойвысокотемпературного феррита.2.

Диссоциация нитрида титана и оксида алюминия в сварочной ванненачинается при температурах, незначительно превышающих температуруплавления стали 2050 К и 2200 К соответственно.3. Карбид вольфрама проявляет наибольшую стабильность в условияхсварочной ванны, при этом температура начала распада соединения составляетот 2100К до 3150 К.