Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Об этом свидетельствуют представленные на рис. 9.12 зависимости растворимости водорода в металле от температуры среды при разном его парциапьном давлении (рн ) в газовой среде. г Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по реакциям: 50 40 ~ 30 б 20 И !о 1900 2100 2300 2500 Т,К 0 0,02 0,04 0,06 0,08 О, % (мас.) Рис.
9.13. Зависимость растворимости водорода в жидких металлах от концентрации в нем кислорода при температуре, близкой к температуре плавления металла трацию в нем водорода. На рис. 9.13 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидких металлах: железе, меди и никеле. Как следует из рисунка, даже при незначительной окисленности жидкого металла резко снижается содержание в нем водорода. Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказывается на его свойствах. При достаточно быстром охламсдении металла сварочной ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться.
Особенно много водорода задерживается при снижении температуры превращения у — а. Оставшийся в металле атомарный водород задерживается в ветвях зарождающихся и растущих дендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в микронесплошностях — скоплениях дислокаций и других дефектах кристаллического строения. В этих местах атомы водорода соединяются в молекулы. Поэтому парпиапьное давление атомарного водорода в районе дефектов резко снижается, вследствие чего он продолжает диффундировать в том же направлении. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не диффундирует через металл и практически не растворим в нем. Кроме того, водород может окисляться и образовывать 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 его пластических свойств, а иногда — к хрупкому разрушению и закапочно-водородным трещинам. Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва со единений, отрицательно влияющих на прочность сталей, он усиливает вредное влияние макро- и микронесплошностей, способствует резкому снижению пластических свойств и хрупкому разрушению закаленных сталей.
9.2.4. Влияние СОг, СО и паров НгО на свойства стали 2[Н]+ [О) ~.-2 Н20; [Н) + [О) ~~ ОН (9.22) 406 (квадратными скобками обозначены газы, растворенные в металле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концен- Оксиды углерода СОг и СО в тех или иных количествах всегда есть в газовой среде. Степень диссоциации и окислительная способность СОг при температурах дугового разряда весьма значительны (см.
рис. 9.1). В отличие от СОг окись углерода СО не диссоциирует в дуговом разряде. Кроме того, СО не растворяется в жидком металле и поэтому непосредственной опасности для него не представляет. В то же время СО может создавать защитную ат- 407 мосферу у поверхности жидкого металла, связывая кислород по реакции 1 СО+ — 02 =СОз. 2 Окись углерода может непосредственно образовываться и при сварке угольным электродом, создавая достаточную газовую защиту. 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: [ЕеО]+ [С]~:2 СОТ + [Ре]. (9.23) 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, Я, Мп), способных подавить реакцию дальнейшего образования окиси углерода, то кипение металла сварочной ванны может продолжаться до окончания кристаллизации и привести к нежелательному снижению содержания углерода, а также к образованию пор в металле шва. Пары воды диссоциируют в зоне столба дуги полностью на водород и кислород. Их влияние на свойства стали при сварке описано в разд.
9.2.3 и 9.2.1. Итак, состав газовой среды в зоне столба дуги и степень активности ее компонентов при сварке плавлением позволяет сделать общий вывод о необходимости защиты жидкой фазы сварочной ванны (стали) от контакта с воздухом и тщательной металлургической обработки ее для получения качественного сварного соединения. 9.2.5. Влияние атмосферных газов иа свойства цветных металлов Медь при взаимодействии с кислородом дает стабильный оксид Си20, растворимый в жидкой меди: 4Си + Оз — — 2[СпзО].
(9.24) В расплаве оксид меди СцзО весьма устойчив, но при кристаллизации вследствие ликвации образуется эвтектика Сп — Сп2О и 408 фаза Сц20 теряет свою устойчивость, вызывая под воздействием О2 и Нз так называемую «водородную болезнь» меди, которая водит к разрушению металла и является результатом последо- . 4,а нательного взаимодействия меди с кислородом по реакции (9.2 ), а затем с водородом по следующей реакции: 2[Н]+ [Сп20] = 2Сц+НзОп~р1. (9.25) Иными словами, водород, растворенный в окисленном металле, взаимодействует с оксидом Си20, находящимся в эвтектике и восстанавливает его до Си, но образующиеся при этом пары воды не иффундируют через металл и разрушают его по границам зерен.
диф Равновесная диаграмма плавкости Сп — О приведена на рис. 9. о 14 Как следует из диаграммы, в области температур ниже 1065 ОС (1338 К) существует раствор Си + Сп20, но растворимость СизО в твердой фазе ничтожно мала. Таким образом, при сварке меди и ее сплавов необходимо принимать все меры для снижения степени ее окисления 1420 Ж или вводить раскислители. Аналогичная ситуация имеет 1380 место при сварке деталей из никеля Ж+ СпзО и его сплавов.
Никель с 02 образует 1340 1338 К два соединения: %203 н %0. Пер- ,3 О, 9 Сп+ СозО вый из них неустойчив, является С„025 050 075 сильным окислителем (он применя- О, % (мас.) етсЯ в щелочных аккУмУлютоРах). Рис. 9,14. Диаграмма плавкосВторой — Х(Π— устойчивый оксид, и Са Он хорошо растворим в жидком никеле, но не растворим в твердом никеле. Диаграмма плавкости, приведенная на рис. 9.15, показывает, что содержащиеся в металле оксиды никеля при нагревании выше 1700 К легко диссоциируют, выделяя кислород, который образует поры с водородом, находящимся в жидком металле, при его кристаллизации.
Никель, в отличие от железа, не взаимодействует с азотом, который может служить для него так же, как и для Си, защитной средой. Титан является особо активным химическим элементом по отношению к кислороду, с которым он образует ряд устойчивых оксидов, обладающих различной степенью окисления. Кроме того, кислород растворяется в твердом металле. Оксиды, особенно 409 Т,К Т,К 2500 1900 2300 1723 1700 2100 1900 1500 1700 1300 1500 1100 1300 !100 900 900 О, % (мас.) 10 20 30 40 О, % (мас.) Рис.
9.15. Диаграмма плавкостп Рис. 9.16. Диаграмма ллапкостп Х1 — О Т1 — О (атомиые доли) для мапых концентраций кислорода имеющие низкую степень окисления: ТЮ, Т1203, ТЮ2, обладают большим температурным интервалом гомогенности, т. е. существуют в однофазном твердом растворе при охлаждении до нормальной температуры (рис. 9.16). При температурах этого интервала наиболее устойчив оксид ТЮ. Для оксидов титана характерна ступенчатая диссоциация, которая идет по двум вариантам: Т1305 Т102 (9.26) Т~203 — ТЮ вЂ” Т1 Из оксидов титана наименьшую температуру диссоциации имеет Т102 (ЛО = 0 при 3500 К), диссоциация которого происходит согласно уравнению 4Т|02 ~22Т1203+027 (Л6~ =718400 — 159,96Т), (9.27) 410 Титан также активно взаимодействует с азотом и водородом (см.
рис. 9.7), образуя ингриды и гидриды, поэтому требуется особо тщательная защита его сплавов от атмосферы при сварке. Алюминий соединяется с кислородом в устойчивый амфотерный оксид А!203 (корунд), образующий соли как в кислой, так и в щелочной среде. Оксид А1203 не растворим в алюминии и образует плотную оксидную пленку, имеющую весьма высокие температуру плавления (Т > 2500 К) и плотность (выше, чем у металла). При сварке с окислением в шве образуются включения А1203, т. е.
шлаки, которые приводят к охрупчиванию металла шва. Кроме того, поверхностные пленки из А!203 склонны к адсорбции Н20, т. е. к гидратации во влажной среде. Гидратная вода, входящая в А1203 и Н20, при сварке диссоциирует и это приводит к повышению парциального давления водорода в столбе дуги.
При охлаждении до температуры кристаллизации растворимость водорода резко снижается практически до нулевых значений (см. рис. 9.6, а) и при кристаллизации часть выделяющегося газа создает поры в шве. Второй продукт диссоциации — кислород — окисляет основу сплава ипи его главный легируюший компонент (Мп, 1 1) и тем самым увеличивает долю шлака в шве в виде легкоплавкой эвтектики. Таким образом, попадание атмосферных газов в большей или меньшей степени в зону столба дуги вследствие несовершенства газовой защиты или в виде примесей в защитных газах оказывает вредное воздействие на конструкционные металлы и сплавы в шве ц в зоне термического влияния, так как приводит к образованию в ннх горячих либо холодных трешин и пор, а также к снижению прочности и пластичности сварных соединений.
9.3. Взаимодействие металла с защитными флюсами нри сварке 9.3Д. Строение и свойства сварочных флюсов Сварочные флюсы представляют собой сплавы различных оксидов, солей или сплавы солей и оксидов. Они имеют пониженные (по сравнению с соответствующим жидким металлом) температуру плавления и плотность. При взаимодействии сварочных флюсов с жидким металлом изменяется их химический состав н они превращаются в шлак, который располагается в основном на поверхности сварочной ванны и защищает ее от непосредственного кои- 411 такта с атмосферой.
Однако при высоких температурах, развиваюшихся во время сварки, флюсы-шлаки переходят в реакционно-способное состояние и вступают в обменные реакции с металлом, что может снижать качество швов. Для управления этим процессом необходимо иметь сведения о строении шлаков и условиях, в которых возможно взаимодействие шлаков с металлами. В соответствии с ионной теорией, имеющей широкую экспериментальную основу, шлаки обладают кристаллической структурой ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион — катионами. Ионное строение шлаков подтверждается нх заметной электропроводностью (того же порядка, что и электропроводность расплавов типичных электролитов), которая возрастает с повышением температуры, что также характерно для электролитов.
Схема кристаллического строения флюсов, состоящих из оксидов и солей, представлена на рис. 9.17. Структурными единицами кристаллического строения оксидов и солей являются катионы (металлов 24 2— Ме ) и анионы (кислорода О, фтора Р, хлора С1 и др.), которые чередуются в узлах кристаллических решеток. Рнс. 9.17. Схема строения жидких кислых н основных флюсов (о — анионы кислорода; Э вЂ” катионы металлов основных оксидов; ° — катионы кремния); и — чистый кремнезем; б — раствор небольшого количества основных оксидов в 6- !!-, кремнеземе (поквзвпы хреывекислородпые вппопы: ! — %,04; 2 — %40п 1 3— %40!г ); в — РаствоР небольшого количества кРемнезема в огповпоы окгиде 4- 1поквзвпы изолированные тетраэдры 4 — %04 ); г — сплав основных оксидов 412 С ой единицей оксида кремния (кремнезема) является труктурн " аннон 1 4 ' н %04 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
