Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Физико- химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварных соединений. Важнейшими из этих процессов являются диссоциация н ионизация газов, растворение газов в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с металлом.
389 9.1.1. Степень днссоцнацпн атмосферных газов в дуге Высокав температура газов в зоне аварки создает условна для распада газовых молекул — днссоцнапин газов, Эти процессы сопровождаются поглощением теплоты Ц диссоциация, т. е. являются эндотермнческнмн, быстроразвивающимися при высокнх температурах. Днссопнацню простых двухатомных газов — водорода, кисло. рола н азота -- можно описать слелующими уравнениями: Н2 ь )е21 — + 2Н (()! = 436 кДж/моль); (9.
1] Оз+ ((2 + 2О (02 = 496 кДж/моль); (9.2) Нг+(22 -+ 2Н (!',)з = 715 кДж)моль). (93) Кр а= К, !р' (9.6) где р — внешнее давление. Для определения зависимости Кр и и от температуры используют ют типовые реакции, номограммы и формулы диссоцнации газов, приведенные в табл. 8,4, а значения Кр рассчитывают по формуле Вант-Гоффа (8,42): , Оа 18 К ЯТ где 66 =ЬНЬ -ТАЯ~ — АСрМаТ (см. (8.146)). ентов, т. е. 2 К рн Р РН2 (9.4) 4п Кр — — — р; ! — 2п (9.5) 391 Отсюда следует, что поскольку энергии (22, затрачиваемая на диссоциацню молекулы азата, имеет наибольшее значение, его молекула — самая прочная.
Азот должен днссоцннронать в меньшей степени, чем кислород н водород в тех же условиях. Вслелствне более ннтенснвной диссоциацнн парциальные лавлення атомарных частиц 02 н Н2 в смеси выше, чем парциальное лавление Нэ, Степень днссоциацни для данной температуры описывается константой равновесна К„. Для пропесса диссоциацпн, например водорода (см.(9.!)), прн постоянном давлении р она равна отношению парцнальных давлений продукта диссоциации (рн) н исходного продукта (рн ) с учетом стехнометрнческпх коэффпцн- Если учесть, что прп степени днссоцнацни и один объем газа Н2 превращается в смесь, состоящую нз полученных продуктов распада (2п) и остатка исходных вепюств (1 — п),то согласно расчетам, выполненным в раэл.
8.9, Для вычисления К также используют эмпирические форму- Р лы, например для реакции диссоцнацин молекулярного волорода— приближенное уравнение Вернстя 18К = — 1,50418 Т вЂ” 0,767. 22 570 Т Следовательно, задавая значения температуры при постоянном давления р, можно по эмпирической формуле для соответствующего газа вычислить величину К„а затем, пользуясь выражепнем (9.6), — и степень днссоциации этого газа прн выбранной температуре.
Если принять, что температура газов в столбе дуги составляет в среднем 5000 К, то в результате расчетов получим: для молекул водорода и = 0,96, а лля молекул азота и = 0,038. На рис, 8.9, а приведены графические зависимости степени лнссоцнацнн некоторых газов н паров в зоне столба дуги от температуры. Из рисунка следует, что прн температуре выше 500 5000 К асе представленные газы н пары имеют значительную степень Лнссоцнацни, т. е. находятся в активном реакционном состоянии. Диссоциация двухатомных газов в зоне сварки имеет большое значение по следующим причинам: — в атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую активность п легко взаимодействуют с расплавленным металлом капель и сварочной ванны; 392 Ме -'.
Н20лар ь МеО ч Нг. - атомы газа в зоне столба дуги после лиссоциации претерпевают термическую ионизацию. Они становятся ионами и переме. щаются в соответствии со своими зарядами к аноду или катоду, т. е. к электроду или к сварочной авиве, что усиливает их растворимость в металле. Зависимость степени термической ионизации различных газов и паров в среде лу~ового разряда от температуры, полученная по уравнению Саха, приведена на рис.
8,9, б; — параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне высоких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где температура значительно ниже, илет обратный процесс образования молекул из ионов атомов, сопровождающийся выделением тепла.
Благодаря этим двум процессам осуществляется своеобразное регулирование теплового состояния в зоне сварки — перенос тепла от участка высоких температур столба дуги к жидкому металлу сварочной ванны, имеющему меньшую температуру. Аналогично диссоциации двухатомных газов протекает диссоциация трехатомных газов, которые в сварочных процессах обычно представлены водяным паром и углекислым газом, входящими в состав атмосферы.
Водяной пар диссопиирует по реакции: 1 Н2041„7 ~ Нг + — Ог (0= 243 кДхсгмоль). 2 (9.8) Лля которой зависимость между степенью диссоциацин и константой равновесия представлена в виде номограммы на рис. 8.8. Кроме того, константа равновесия реакции (9.8) при Р = 1 может быть подсчитана по эмпирическому уравнению Чипмеиа— Самарина: 0,5 18К =18 2 = — +3,045. Рнгрог !3154 (9.9) Рнго Приняв во внимание, что одноврсменно при диссоциации выделяются водород и кислород, можно заключить, что лиссоциацня водяных паров в зависимости от условий протекания реакции (9.8) без участия атмосферного кислорода будет созлавать для различных металлов окислительный илн восстановительный характер среды. Если упругость диссоциации кислорода, выделяющегося из водяного пара, превышает упругость диссоциации кислорола из оксида металла (р 2 > р~~), металл будет окисляться за счет Н2О 02 О2 кислорода диссоциированного водяного пара: МеО 4Н2 -э Ме 3 Н20пар.
С повышением температуры степень диссоциации водяных паров увели в увеличивается и при 5000 К приближается к единице. Сдедует уч есть, что обычно концентрация воляного пара в воздухе не являеюя достаточной, чтобы обеспечить восстановление металлов. Однако сварка в специально полученном так называемом сухом водяном наре, не содержаюем атмосферного кислорода, в принципе возможна — для углеродистых сталей. Углекислый газ при высоких температурах также активно диссоциирует пореакции СОгь 12 ~ СОэ — Ог (().—. 289 кДжгмоль). (9.10) 1 2 Зависимость константы равновесия реакции (9.10) от температуры определяется по формуле Вант-Гоффа (8.42) либо при р = 1 по уравнению Чипмеиа — Самарина 0,5 РООРОг 14545 18К 18 г +4 405 Роо (9.! 1) гле роо, Р Р 73 — парциальные лавлеиия соответственно газов 02, Ог СО, 02 и С02.
Итак, задавая значения температуры, с помощью уравнений (9,11) и (9.6) или номограммы (см. рис. 8.8) можно определить константы равновесия, степень диссоцнации н соотаетствуюший состав газов. На рис. 9.3 приведен результат таких расчетов для интервала 1800...4000 К.
Как видим, в области температур около 4000 К углекислый газ почти полностью диссоциирован, а вблизи поверхности сварочной ванны (при температуре !800...2000 К) его степень диссоцналии незначительна. В зависимости от соотношения упругости диссоциации кислорода из оксила и из СОг направление реакции (9.10) определяет 393 я Если же упругость диссоциации кислорода из водяного пара меньше упругости диссоциацни кислорода из оксида метюша ( нго < ы""3), реакция будет идти в обратном направлении, т.
е. (Рог Ро, металл стелл будет восстанавливаться из оксида водородом диссоциированного воляного пара: и 0,8 1800 2бОО 3400 Т, К р ! ы,т.е. Ме+ СОг -+ МеО+ СО Рлс. 9.3. Влияние температуры ла степень лиссоциапил углекислого При обратном соотношении газа и ларциальиые давления лро- упрутостей диссоциация луктов лиссоциалви ыао с.оз ог ог та же среца проявляет восстановительные свойства; МеО+СО -+ Ме+ СОг, Парцивтьное давление кислорода в реакции (9.!0) зависит от температуры, давления и соотношения концентраций СОг и СО. т.
е. соз ( Рсо ) Ро =2!7 Р Рсо (9.!2) Эш значит, что с увеличением температуры Т и отношения Рсо, —, а также согласно выражению (9.б) при уменьшении лавле- Рсо ния Р в системе растет окислительная способность диссоциирую- шего углекислого газа. Лишь при дуговой сварке неплавяшимся, но испаряющимся угольным электродом наличие паров твердого углерода весьма существенно снижает эту способность, так как энергично развивается реакция СОг+ С~р + Д ця 2СО (М = 142,6 кдвь моль). (9 13) й О,б 3 0,4 0,2 О О окислительный или восстано. вительный харакщр среды, создаваемой для жидкой сварочной ванны при диссоцию ции углекислого газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
