Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Ме+ СОз -э МеО+ СО. При обратном соотношении упругостей диссоциации мо со, оз оз На рис. 9.4 дан график зависимости содержания СО от температуры в присутствии паров твердого углерода. Уже при температуре 1100 К содержание СО в газовой смеси приближается к 100 'А. Следовательно, создается восстановительная для металла среда и становится возможной, например, реакция восстановления оксидов железа: ЕеО+СО ~~ Ее+ С02. Поэтому при сварке сталей угольным электродом не требуется дополнительной защиты газом или флюсом.
90 В 80 70 О 50 й 30 О 20 1О 0 700 900 1100 1300 Т К Рис. 9.4. Изменение содержания СО в присутствии твердого углерода при повышении температуры та же среда проявляет восстановительные свойства: МеО+ СО -+ Ме+ С02. Парциальное давление кислорода в реакции (9.10) зависит от температуры, давления и соотношения концентраций СО2 и СО, т. е. (9.12) Это значит, что с увеличением температуры Т и отношения Рсо, , а также согласно выражению (9.6) при уменьшении давле- Рсо ния р в системе растет окислительная способность диссоциирую- шего углекислого газа.
Лишь при дуговой сварке неплавящимся, но испаряющимся угольным электродом наличие паров твердого углерода весьма существенно снижает эту способность, так как энергично развивается реакция СО2+ Саар+ 0 ~ ~2СО ©= 142,6 кДж/моль), (9 13) 394 9.1.2. Образование соединений между компонентами газовой смеси Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов для высоких температур сварки плавлением характерно образование молекул газа в эндотермических реакциях при взаимодействии кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором.
Например, азот Х2 и кислород 02 при Т = 3500 К взаимодействуют с образованием оксида азота ХО по реакции, которая сопровождается поглощением тепла: Х2 + 02 д2 2НО ( — 181,4 кДж/моль). (9.14) Образующийся оксид азота может существовать в нераспавшемся виде при пониженных температурах (Т < 3500 К). В контакте с металлом ванны при температурах 1800...1900 К он распадается и играет существенную роль как окислитель; он передает атомы кислорода и азота на поверхность жидкого металла.
По мнению многих исследователей, оксид азота одновременно передает азот и кислород расплавленному металлу. Подтверждением этому служит тот факт (рис 9.5), что с увеличением кислорода в газовой среде растет и насыщение металла азотом, хотя степень его диссоциации невелика (см. рис. 8.9). 395 )Ч, % (мас.) Рис. 9.5. Зависимость содержания азота в металле шва от парциального давления азота для разного состава защитной атмосфры (Н2 и 1Ч2' )Ч2,' 02 н Х2) при гР=!О МПа 0,15 О,!О 0,05 0,3 0,5 0,7 0,9 Рн„МПа [С), = Аехр — — ~, Е1 )гТ, (9.
15) 397 В низкотемпе а н " ванна сое р тур ой зоне также происходят реакц б динении ОН и фтористого водорода НР, не а ии о разов металле. Эти еак ии ода, не растворимых ав ти реакции используют для снижения парц д пения водорода над сварочной ванной. арциального 9.1.3. Насыщение асп р лавлеиного металла газами в капле и сварной ванне В жидком металле капель и свароч нои ванны происходят и о- цессы растворения газов столба д ги.
В Р уги. сварочной ванне эти и о- цессы протекают менее интенсивно, чем в капля р- причинам: ивно, чем в каплях, по следующим 1) темиерат а жи 1 р ур дкого металла в сварочной ванне ниже, в каплях, где она п иближа не ниже, чем р ается к температуре кипения металла; об 2) для сварочной ванны отношение п ъему значительно меньше, чем для капель. поверхности реакции к ле также зависит от его Растворимость газа в жидком металле парциального давления и состояния.
Е спи газ находится в атомар- ном состоянии, то его растворимость в металле [Г3 при Т = сопл! согласно закону Ген и п ямо п р рямо пропорциональна его давлению ([Г1 = К ), а ас 2Р,), р творимость двухатомных газов, ов, находящихся в молекулярном состоянии, подчиняется закону С ([Г ивертса ([ 2) = =К2 Рг ), т. е. прямо п оио 2 р рциональна корню квадратному из давления газа. Количество растворяющегося в металле газа [С", я б ства металлов вели Сл для ольшин- зависимости: ов увеличивается с ростом температуры ио о следуюшеи где А и /г — константы; Е— — теплота растворения газа в металле.
396 Из уравнения (9.!5) следует, что с увеличением температуры металла повышается и содержание растворенного в нем газа, причем в каплях оно может быть значительным. Однако нельзя забывать, что при температурах, близких к температуре кипения металла, имеет место и обратный процесс: содержание газа в металле заметно падает и в момент кипения становится равным нулю, поскольку образуется много паров металла, а парциальное давление газа при этом снижается.
Процесс растворения газов в жидком металле состоит из отдельных, протекающих последовательно стадий (подробно рассмотренных в гл. 8): — адсорбции атомов газа поверхностью металла капли и сварочной ванны; — взаимодействия адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом, т. е.
образования растворов и химических соединений (этот процесс называется хемосорбцией); — отвода продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла. Адсорбция и хемосорбция протекают с очень большими скоростями — практически мгновенно. Отвод продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла происходит с меньшей скоростью. На этой стадии процесса растворения газов в жидком металла большую роль играет механическое перемешивание.
При сварке оно проявляется довольно значительно вследствие интенсивного турбулентного движения расплава (из головной части сварочной ванны в хвостовую, см. рис, 9.2), обусловленного давлением дуги на жидкий металл. Наиболыиее насыщение металла газом происходит в каплях. Оно зависит от длительности пребывания капли на торце электрода и времени ее пролета через столб дуги, а также от температуры капли. Температура, максимальная при коротком замыкании столба дуги каплей, зависит от состава газовой среды. По данным А.Я.
Ищенко, в условиях сварки в аргоне при 1, = 400 А алюминиевого сплава АМгб, плавящегося при - 970 К, температура капель достигает 2100 К, а при сварке в гелии — значительно меньшего значения: 1900 К. Рассмотренная схема растворения атомарных газов в металле, в основе которой лежит закон Генри, получила название химического поглоа!ения газов металлом. Максимальное насыщение газов в твердом или жидком металле достигается в равновесном состоянии. Его зависимости при нормальном давлении от температуры и фазового состояния для Ре, А!, Сп, Н1 и Т1 представлены на рис.
9.6 и 9.7. Из рис. 9.6 следует, что равновесная растворимость атмосферных газов при [Нг]в, смз/!00 г [Нг] []чз] смз/100 г 40 30 30 20 20 9.2. Влияние атмосферных газов ня свойства стали и сплавов при сварке 1О 10 9.2.1. Влияние кислорода на свойства стали це еитрации приводит к их перемещению в объем металла диффузион иным путем вследствие выравнивания разности концентраций (по механизму концентрационной диффузии). Поэтому при сварке иа обратной полярности («+» иа электроде) в капле растворяется меньше водорода. Это снизит концентрацию Н2 и в ванне. Степень развития электрического поглощения газов металлом зависит также от значения катодного падения потенциала, состава газовой среды, силы тока и других факторов.
0 0 500 Тм 1500 Т, К 500 1500 2500 Т, К и б Рис. 9.6. Равновесная растворимость атмосферных газов в металлах А1, Сп, Гб (а) и водорода и азота в железе (б) а зависимости от температуры и фазового состояния железа при нормальном давлении (при температуре кристаллизации растворимость Нг в А! падает от 0,69 до 0,036 см'/100 г) [Н], смз/100 г 300 100 398 нормальном давлении в алюминии А1, меди Сп, никеле % существенно зависит от температуры и агрегатного состояния металла (при температуре кристаллизации растворимость Н2 в А[ падает от 0,69 3 до 0,036 см !100 г), а их растворимость в железе — и от фазовой мо- 0 дифнкации: Геи, Ге„Геь.
1400 1800 2200 2600 3000 Т, К При электродуговой сварке на- личие электрического поля создаст Рис. 9.7. Снижение равновесной растворимости водорода в та- возможность электРического ионе при высоких температурах глои!ения газов металлом.
Оно на- блюдается только у поверхности катода д области активного пятна, куда внедряются положительные ионы газов, переносящие заряды столба дуги. Наличие у поверхности катода слоя положительных ионов повышенной кон- Кислород растворяется во многих металлах, в том числе и в железе. Изучение особенностей растворения кислорода в железе позволяет сделать выводы относительно взаимодействия кислорода со сталью, основой которой является железо. Железо с кислородом образует три оксида в результате следующих реакций: 2Ге+ 02 ~~ 2ГеО (закись, содержащую 22,7% Ог); 6ГеО + 02 ~ ~2Ге304 (закись-окись, содержащую 27,64 % 02); 4Ге304 + 02 ~2 6Ге203 (окись, содержащую 30,06 % 02). Из этих трех оксидов только закись железа ГеО растворима в железе и поэтому наиболее сильно влияет на его свойства в составе свариваемого металла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
