Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Присущее всем металлам негативное влияние водорода заключается в том, что при кристаллизации образуется пористость по реакции 2[Н] = Н2. Возникновение при охлаждении молекулярного волорода, не растворимого в металле, является главным фактором появления пор в шве. Закономерности образования межфазной поверхности газ — металл н рост пор, описанные в гл. 8, подтверждают, что скорость роста пузырьков определяется степенью пересыщения сварочной ванны газами и диффузией атомов газов в зародыш из прилегающих микрообъемов.
При локальном пересыщении жидкости у фронта кристаллизации зарождение и развитие пузырьков наиболее вероятны при остановке роста кристаллов, имеющей место в условиях периодической кристаллизации. Для обычных условий охлаждения сварочной ванны наиболее вероятно образование мельчайших пор у линии сплавления, где средняя скорость роста кристаллитов минимальна. Это чаще всего наблюдается при сварке алюминия, меди и их сплавов. При сварке с флюсовой зашитой металла, включая комбинированную газошлаковую защиту, существенное снижение главно~о фактора — парциального давления водорода в зоне столба дуги достигается путем его связывания в нерастворимые соединения с фтором (НГ) в результате выделения фтора из флюорита СаГ2, входящего в состав флюсов, по реакции (9.42) СаГ2+ 2Н-+Са+ 2НГ.
Таким образом, тщательная прокалка флюсов, их хранение в герметичной таре, очистка поверхности металла и электродной проволоки от ржавчины и масла способствуют уменьшению водородного насыщения швов, а также предотвращению пористости. 9.7. Окисление металла шва флюсом Присутствие кислорода в газовой фазе флюсовой полости обусловлено в основном тем, что: — на поверхности металла свариваемых кромок имеются оксиды (окалина Гез04 и ржавчина Ге2О3.2Н20), диссоциируюшие при дуговом нагреве (с выделением свободного кислорода) или вступающие с жидким железом в реакции: Гез04+ Ге = 4ГеО, Ге203 + Ге = ЗГеО; (9.43а) (9.436) — во флюсе есть воздух и влага, диссоциирующая при сварке и взаимодействующая с жидким железом по реакции Н20 + Ге ~ э [ГеО] + Н2, (9.44а) — при дуговой сварке происходит выделение на аноде кислорода по реакции 2(ОН) +[Ге] ~ ~(Ге )+(О )+2[Н], (9.446) а на катоде — водорода по реакции Н + е ~ ~[Н].
(9.45) Кроме того, кислород попадает в жидкий металл ванны при прямом взаимодействии Геж с химически активными оксидами жидких шлаков в результате обменных реакций, например (9.46) (8102)+ 2Ге р2 2 (ГеО)+ [81]. (Мео) [МеО] (9.47) В результате реакции (9.46) жидкий металл одновременно окисляется и легируется (обычно кремнием или марганцем). Термоди- Таким образом, в шлаке возникает закись железа ГеО, которая растворима в жидком железе. Если оксид, растворимый в металле, образуется во флюсе-шлаке, то между концентрациями этого оксида согласно закону распределения Нернста устанавливается определенное соотношение 432 433 15 — 24!Х намический расчет, подтверждающий ход этих реакций в указанных направлениях дан в гл.
8 (пример 8.3). Таким образом, кремнемарганцевые шлаки, имеющие большее количество кислотных оксидов (",а ЯОз > а4 МпО), окисляют капли электродного металла при высоких температурах (т. е. осуществляется первая стадия кремнемарганцевого процесса). Поэтому они считаются активными. Наряду с окислением капли кремнемарганцевые шлаки обогащают металл кремнием и марганцем, которые, попадая в более холодный металл сварочной ванны, вызывают процессы раскисления. Если в электродном металле содержатся легирующие элементы с ббльшим сродством к кислороду, чем у железа, то происходит их необратимое окисление при взаимодействии с %02 и МпО.
Поэтому при сварке легированных н высоколегированных сталей недопустимо применение кремнемарганцевых флюсов, которые хотя и имеют хорошие сварочно-технологические свойства, но весьма активны, так как содержат термически малопрочные оксиды %02 и МпО, выделяющие кислород в обменных реакциях. Ввод термически более стойких кислотных оксидов А!203 и ТЮз позволяет несколько снизить активность флюсов, но вызывает другие реакции окисления (с участием углерода и кремния) и восстановление алюминия и титана, переходящих в металл шва из флюсов.
Однако окисление А!з03 и ТЮ2 происходит при более высоких температурах и по более сложной схеме: — восстановление алюминия и титана из А1303 и ТЮз кремнием; — окисление легирующих элементов (С, %, Мп, Сг) кислородом, выделяющимся при частичной диссоциации А1303 и ТЮ3, — образование в наплавленном металле остаточного кислорода (входившего в состав А1203 и ТЮ2), т. е. создаются включения. Такой же результат имеет место при вводе кислотного оксида УлОг.
Итак, с увеличением количества кислотных термостойких оксидов в составе флюса (А1203, Хз02, ТЮ2) усиливаются процессы окисления легирующих элементов (Сг, %, Мп, )з(Ь) и восстанавливаются металлы Уг, А1, Т1 из нх оксидов. При этом растет общее содержание кислорода, а содержание других ферритизаторов и ферритной фазы уменьшается. Термодинамические расчеты, выполненные Н.Н. Потаповым, показали, что окисление хрома Сг и наиболее эффективного ферритизатора и стабилизатора ферритной фазы в аустените — ниобия ХЬ происходит с участием диоксида кремния %03, а также его монооксида %0 по следующим реакциям; 4 2 — (Сг)-~ 2(%03) ~ ~(Сгз03)шл+ 28Югаз' 3 3 4 2 — (ЫЬ) > 2(%02) ~~ — (ХЬ205)шл " 2%0газ. 5 5 (9.48) 9.8. Переход вредных примесей из флюса в металл гцва Под воздействием шлака в шве изменяется как количество вредных примесей — серы и фосфора, так и геометрическая форма их соединений — сульфидов и фосфидов (Ре8, Мпб и др.).
Источниками серы во флюсе являются шихтовые минералы типа пиролюзита МпОз, содержащего до 0,25;4 Б, а также магнезит и флюорит. Главным источником фосфора в металле шва является также МпОз, содержащий до 0,35 а4 Р. В высокомарганцовистых плавленых флюсах содержание серы (и фосфора) обычно составляет 0,1...0,15 а4. В плавленых и керамических флюсах, не содержащих Мп02, концентрация серы не превышает 0,05 'У.
Наибольшее количество серы переходит в металл шва, когда она находится в соединении Ре% хорошо растворимом в жидком железе. Сера и фосфор могут переходить из шлака в металл шва, и наоборот, в зависимости от состава флюса и технологии сварки согласно уравнениям: М= г)з(Б)ф; (Р) = з)г(Р)ф, (9.49) где г)з и г1г- коэффициенты распределения серы Б и фосфора Р между шлаком и металлом. Присутствие неметаллических включений снижает сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин, коррозионную стойкость швов и пластичность сварных соединений высоколегированных сталей. В отличие от кислотных оксидов основные оксиды (СаО, М80) обладают достаточной химической стойкостью во всем диапазоне сварочных температур, но не обеспечивают необходимые технологические свойства.
Из работ Б.Н. Бадьянова следует, что составы флюсов для высоколегированных сталей должны создаваться на основе компромисса, причем рекомендуется, чтобы содержание главного окислителя %02 составляло не более 10;4, что позволит полностью связать его основными оксидами в комплексы %02 СаО и т. п. 434 15* 435 А, Дж 230 240 200 160 120 80 40 При многопроходной сварке с увеличением высоты шва, концеи трация серы„фосфора и кислорода значительно повышается по сравнению с их содержанием в электродной проволоке. В мепиле шва сера образует сульфид железа РеЯ (Тнл --- 1468 К), Его эвтектика с железом плавится при 1258 К. Еше 004 008 0»2 бОлее низкую температяъу плавления имеет его звтектнка с комплексом 2реΠ— %02.
В сталях с Рис. 9.25. Зависимость работы излома металла щва от содер- образуются сульфиды никеля Х18 жанни в нем оксидов: с еше более легкоплавкими эвтек» - изменеиие нино»иль«ой Работы»з ~ми (У вЂ” 917 К) В излома; 2 - изменение работы излома нри наличии микротрещин а влияние серы мз»туг усиливать " образнах другие легируюшне элементы, например углерод.
Присутствие в металле шва как серы, так и фосфора усиливает склонность металла шва к образованию горячих трещин вследствце резко~о увеличения температурного интервала хрупкости швов в твердожидком состоянии„а также к охрупчнванию швов, т. е. соответственно к горячеломкостп и хладноломкости. Нижняя граница температурного интервала хрупкости несколько ниже неравновесного солидуса, определяемого температурой затвердевания лнкватов, которые состоят из эвтектик и оксидов железа. Совместное влияние серы, фосфора и кислорода оценивают по эквиваленту вредных примесей (ВП)„которые определяют по формуле [ВИ~ = [О) + 0,8[8) + 0,7[Р), (950) где [О), [Б], [Р) — концентрации кислорода, серы и фосфора в талле шва; 0,8 и 0,7 — коэффициенты влияния.
Эквивалент ВП помюляет соизмерить отдельное влияние примесей Я, Р и О2 в виде неметаллическнх оксидных включений, а коэффициенты влияния также показывают, что наибольшее влияние на ударную вязкость оказывает кислород. На рис. 9.25 приведена зависимость работы ударного излома металла шва от содер- 436 жанна в нем эквивалента вредных примесей прн отсутствии горячих микротрещин (1) и с горячимн микротрещинами (2).
Из рис. 9,25 следует, что главнейший фактор работоспособности сварных соединений — отсутствие горячих трещин. Учитывая неизбежное воздеЙствие фосфо(за и кисло)»ода, можно сдел~ть вывод, что наиболее перспективными являются способы сварки с эффективной зашитой, т. е, сварка с газовой защитой и смешанной газошлаковой зашитой. 9.9.
Растсислеиие металла при саар»те При всех способах сварки весьма вероятным (в большей или меньшей степени) является окисление основы илп составляющих сплава. Возможны следующие три основные вида окисления составляющих сплава шлаком: прямое окисление, окисление низших оксидов до высших, окисление на основе обменных реакций (9.46). Прямое окисление в общем виде может быть представлено реакцией О2 е МеО 1 2 в которой происходит непосредственное окисление элемента свободным кислородом с образованием оксида. Такие процессы за редким исключением сопровождаются выделением теплоты, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
