Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 45
Текст из файла (страница 45)
9.27). При этом раскисляющая способность кремния заметно увелпчивается с повышением температуры. Так как оксиды кремния увеличивают кислотность шлака, а вместе с тем и его вязкость, введение кремния в сварочную ванну ограничивают, Марганец Мп (Так = 1517 К; Ткиа = 2300 К; р =- 7,46 г!см ) при окислении преврап!естся в закись МПΠ— относительно сильный основный окспд, не раствори- Р О %(, мый в металле. Закись марпища образует с закисью же- 1785 К леза непрерывный ряд растворов как в жидком, так и а О,О8 1868 твердом состоянии. Их взаимное физическое растворение !923 приводит к уменьшению содержания в шлаке свободной закиси железа, и поэтому созда!отса условия для соответ- 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ствуюшего перехода нз ме- Я„% (мас.) телла в шлак новых поРпий Рис.
9.27. Зависимости содержания РеО. Как н для кремния, с РеО от концентрации Я в стали (равувеличением содержания мар- новесиые концентрации) ганца в меилле уменьшается концентРациа в нем закиси РеО %(ма ) Мп Сг железа (рис. 9.28). Однако влияние кремния сказывается О 05 С сильнее. С увеличением тем- О,О2 Я первгуры действие марганца О„О1 0,005 как восстановителя слабеет. Титан Т1 (Тпя = 1933 К; Ткал = 3533 К; р = 4,54 г/см ) з Т1 относится к числу сильных раскислителей, более силь- А1 ных, чем кремний и марганец.
Образующийся кислотный оксид Т(О2 не растворим в ме- 0,001 0,01 0,05 0,2 1,0 талле, легко вступает в ком- 0,02 0,10 0,5 плексы, переходящие в шлак. Элемент-раскислитель, % (мас.) С увеличением содержания Рис. 9.28. Раскисляюшая способность титана и стали количество за- некоторых элементов при темперакиси железа также умеиьша- туре !873 К ется. Титан активно реагирует с азотом, образуя прочные иитриды, не растворимые в металле. Вместе с тем он сильный моляфнкатор, т. е. элемент, способствующий измельчению зерна в металле.
Алюминий А! (Тзя = 931 К; Т„„л 2773 К; р = 2,7 г/смз) является наиболее сильным раскнслителем в этой группе (ем. рис. 928). Он образует амфотерный оксид А1зОз. Рзскисленпе жидкого металла алюминием сопровождается значительным выделением теплоты, обеспечивающим дополнительный подогрев металла сварочной ванны, что способствует более интенсивному протеканию сварочных процессов.
Однако не все количество оксида алюминия всплывает на поверхность сварочной ванны, частично он остасгся в металле пшв в виде включений. Это одна из причин ограниченного применения алюминия кзк раскнслителя при сварке сталей. Кроме того, как н титан, алюминий склонен образовывать с азотом стойкие ингриды, снижающие пластичность швов. Большой недостаток процесса раскисления осаждением - образование в металле неметаллнческпх (шлаковых) включений, т. е.
оксидов раскислителя. Они являются концентраторами напряжений и снижают как прочность, так и пластичность (см. рис. 9.25). Поэтому вводят одновременно два нлн трн раскнслителя, чтобы пх оксиды понижали температуру плавления (см. рнс. 9.19) п включения имели ие игольчатую, а глобуляриую форму.
Рвскпслеиие стали с излучением газообразных продуктов реакции может быть описано двумя типичнымн реакцпямп. 1. Реалция раекнелензя углеродом может протекать в два этапа: [Г О)+ [С) — СОТ+ [Ге); [ГеО) + СО Г-З СС~ 1' + [Ге). (9.58) При этом наблюдается одновременное присутствие железа, закиси железа„углерода, окиси углерода и углекислого газа. Где н при каких условиях будут протекать зти реакцин7 Условия равновесия между житом, оксндами железа. окисью углерода и углекислым газом для интервала температур 673...1273 К следуют из рис.
9,29. Штриховая линия соответствует образованию СО и СОз в присутствии твердого углерода (см. рис, 9.4). На рис. 9.29 можно отметить три характерные области. Область 1 (устойчивое существование восстановленного железа) уменьшается с ростом температуры.
Длл этой области характерно наличие преимущественно восстановительной среды в виде СО. СО,%( Область П (устойчивое существование за кис и железа ГеО) появляется прн температурах, близких к 873 К, и увеличивается с дальнейшим ростом температуры. Для этой области характерно наличие окислителыюй среды, т. е. заметного количества углекислого газа. Присутствие СОз способствует развитию процесса окисления железа по реакции рис.
9.29. Условна равновесия железа, оксидов железа, СО и СО~ Ге+ СОз -+ ГеО+ СО. Область П1 (устойчивое существование Гез04) уменьшается с ростом температуры (Т > 873 К). Для этой области характерна еше более сильная окислительная среда, содержащая значительное количество СОз. Окислительные процессы развиваются по реакции 3ГеО+ СОз -+ ГезО4+ СО. (9.б1) Учитывая, что сварочный процесс протекает при более высоких температурах, чем рассмотренные процессы, можно предположить следующее: — при окислении металла устойчивой формой оксида железа будет ГеО; — раскисленне металла углеродом идет только до образования СО, т. е.
по реакции (9.57), так как при высоких температурах оксид углерода СО очень устойчив. Константа равновесия для первой реакции (9.57) равна СО [Ге1 К,. = — —, [Г О)[С)' Отсюда определим равновесную концентрацию закиси железз в металле, считая, что содержание железа в стали близко к единице 443 Прп наличии магнетита Гез04 железо восстанавливается окспдом углерода СО до закиси железа, т. е. Гез04+ СО -+ 3ГеО+ СОз. (9.б()) (Е О) = РС0"-.
(С) (геО) + (Нз) дй (Н2О) + (гс), !Н2О8Рс! А;= — —. 1гсОЯН ) = (. = ~(т)„ (геО) (геО) ~ЕсО) РН,О~с Рн, (1ге) = 1), н выражая концентрацию оксида углерода через его парцнальное давление Роз: Итак, чем больше углерода в стали, тем меньше геО образуется при ее окислении. С ростом температуры процесса раскисляющая спосОбность углсрода повышается и раскислснис идет значительно полнее, чем при низких температурах. Однако, несмотря на высокую раскисляющую способность, углерод как раскислитель находит ограниченное примененне.
Это объясняется следующими обстоятельствами: -- возможно образование пор в металле шва, особенно на участках, кристаллнзующнхся в последнюю очередь н сильно насыщенных углеродом. Естественно, что здесь наиболее бурно может протекать реакция окисления углерода н выделение СО, СОэ! — повышение содержания углерода в металле шва не всегда допустимо. 2.
Р сакцил Раскислемте водоРОдом представляется следукяцнм уравнением: для которого константа реакции равна Рассуждая, как при выводе формулы (9.63), получаем Восстановление металла водородом имеет много общего с восстановлением его окисью углерода.
Однако водород раскисляет металл слабее, чем СО. Прн этом получаются следующие тепловые эффекты: ! СО -: — Оэ = СОз (* 286 440 Да/моль); Н+ -Оэ = НэО(+242 760ДЫмоль). 1 2 Недостатком водорода как раскислнтеля является его высокая растворимость в металлах, которая может привести к образованию пор н трещин. Оценивая эффективность раскнслсния на основе обменных реакций, слсдуст иметь В Виду, что даже В услоВиях, кОгда про11ссс плавки стали протекает достаточно долго„ состояние равновесия в реакциях раскнсления не достигается. При сварке отклонения концентраций от равновесных будут еще большимн (в сторону более высокого содержания закиси железа), Поэтому в сварочной практике часто применяют одновременно несколько раскислителсй. Ддя сравнения раскислительной способиостн некоторых элементов с углеродом на рис.
9.28 приведены кривые зависимости равновесной концентрации закиси железа от концентраций различных элементов — раскислителей прн температуре 1873 К. Наибольшей раскисляющсй способностью обладает А1 (затем %, далее 81, С н, наконец, Мп н Сг). Под раскнсляющей способностью понимается концентрация кислорода в процентах по массе в сплаве, соответствующая концентрации легирующего элемента в растворе в состоянии тсрмодинамического равновесна. Диффузионное раскнсление основано на частичном переходе закисн железа в шлак, так как ее распределение между этими двумя фазами подчиняется закону распределения Нериста: где 1.
— константа распределения. Для развития процесса диффузионного раскислення важно, чтобы концентрация свободной закиси железа в шлаке уменьшалась, тогда новые порции закнсн железа будут переходить из металла в шлак. Это достигается различными способамн: — связыванием ЕеО в комплексные соединения кислотными оксндами (образованием снликатов, тнтанатов); — проведением раскислительных обменных реакций; — разбавлением шлаков нейтральнымн в химическом отношении добавками.
Константа распределения 1. (рис. 9.30), определяющая степень перехода закнси железа из металла в шлак, с увеличением темпе- (Р О)+(ЯО2) 1=1(Р О ЯО,) с константой равновесия реакции, равной (Р О.81О ) К (РеО)(ЯО ) (9,67) Связывание закисн РеО в силикаты вызовет дополнительный переход ее нз металла в шлак. Из выражения (9.65) следует, что 446 А ратуры умеиьпшстся. Это зна- чит, что прн высоких температуз рах закись железа может перейти нз металла в шлак в меньшем 2 количестве, чем при низких. Прн диффузионном раскис- лении закпсь железа удаляется 1800 !850 1900 1950 2000 Т, 1Г из металла в шлак путем днффуРнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
