Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 30
Текст из файла (страница 30)
В табл. 9.2 приведены ланнме о тепловом эффекш важнейших обменных реакций раскисленил с получением конденсированных оксидов. Тадаала В.Д Тепловые эффекты раскпсченлв желеш Процессы, описаннме реакциями в табл. 9.2, зкзотермичиы, т. е. сопровождаются выделением тепла. Рысмо$рим характерныс черты наиболее важных раскнсюпелей этой группы, прнменвемых в сварочной практике. Кремний Б! ()гнз = 17!3 К; Тпм = 2903 К; р = 2,37 г/смэ) прн окислении образует не растворимый в металле кислотный окснл ЯОз, который легко создает комплексы — силикаты, в том чжле и с РеО (РеО.ЯОз).
Силикаты железа всплывают на поверхносгь металла и переходат в шлак, вследствие чего раскисляюшая способность кремния повьипается. С повышением концентрации кремния в металле уменьшасюя содержание в нем заики железа [рнс. 9.27). При этом раскнгляклцая способность кремния заметно увеличивается с повышением температуры. Так как оксиды кремния увеличивают кислотность шлака, а вместе с тем и его вязкость, введение кремния в сварочную ванну ограничивают.
Ьлп Сг Марганец Мл (Тат .= 1517 К; Тмм = 2300 К! р = 7,46 ггсмэ) при оглюлении преврашается в закись МпΠ— относительно сильный ос- ИОВНЫИ ОКСИД Не РВСПНфИ рер '6 (мас ) ммй а металле. Закись марганца образует с закисью же- 1785 К деза непрерывный ряд растворов как в жндком, твк н в 1868 тверлом состоянии. Их взаимное физическое распюрснне 1923 привалит к уменьшению содержания в шлаке свободной закиси железа, и поэтому создаются условия лля соотвст- 0 0,2 0,4 0,6 0,8 $,0 ешуюшего перехода из ме- Я, % (мас.) пыла В шлак ИОВых НОРций Рнс. 927. Зависнмосзи содержания РсО. Как и лля кремния, с РсО от концентрации Ы а стали (равувеличеиием содержания мар- навесные конлентрацни) пиша в металле уменьшается концентрация в нем закиси Р О %( железа (рис.
9.28). Однако влияние кремния сказывается 005 С сивьнее. С увеличением тем- 0,02 Ы пературы действие марганца 0,01 как жксшповитсля слабеег. Тл'гап Т1 (Тзе~ = 1933 К; 000! Тг Тмм = 3533 К; Р = 4,54 г/смз) относится к числу сильных раскислителей, более силь- (0 иых, чем кремний и марганец. Образуюшийся кислотный оксид Тйц ие растворим в ме- 0,001 0,0! 0,05 0,2, $,0 галле, лепсо жтупаст в ком- 0,02 0,$0 0,5 плексы, перехоляшие в шлак. Элемент-раскнслитчль.
% (мас.) С увеличением содержания Рис. В.Ж Раскисляющая способность титана в ешли количество эа- некоторых эаемеитов прн тннпсракисн железа также уменьпы- туре $873 К ется. Титан активно реагирует с азотом, образ уз прочные ингриды, не растворимые в металле. Вместе с тем он сильный модификатор, т. е. элемент, способствуюший измсльчению зерна в металле. Алюминий А1 (7;м = 93! К; Ткмз = 2773 К; р = 2,7 здсмз) является наиболее сильным раскислителем в этой ~рупие (см. рис. 9.28). Он образует амфотерный оксид А!эОз.
Раскисление жидкого металла алюминием сопроаождаетса значительным вмдспением теплоты, обеспечивающим лополнительиый подогрев металла сварочной ванны, по способствует более интенсивному протеканию сварочных процессов. Однако ис все количество оксида алюминия всплывает на поверхность сварочной ванны, частично он остается в металле пзва в виде включений. Зто одна из причин ограниченного применения ыпоминня как раскислителя при сварке сталей. Кроме того, как и титан, алюминий склонен образовывать с азотом стойкие ингриды„снижающие пластичность швов. Большой иедоешток процесса раскисления осаждением образование в металле неметаллических (шлаковых) включений, т.
е. оксидов раскислителл. Оии являются концентраторами напряжений и снижают как прочность, так и пластичность (см. Рис. 9.25). Поэтому вволят одновременно два или трн раскислителя, чтобы их оксилы понижали температуру плавления (см. рис. 9.!9) и включения имели не игольчатую, а глобуларную форму.
Рвскнсление стали е получением пззеобразных нродумтвв реакции может быть описано двумя цшичиыми реакциями. 1. Реаьтгая расккглелня углервдом может протекать в два этапа: со, уь( .) Область П (устойчивое существование закнси железа ГеО) появляется прн температурах, близких к 873 К, и увеличивается с дальнейшим ростом тсмпературм. Для этой области характерно наличие окислительной среды. т. е. заметного количества углекислого газа Присутствие СОэ способствует развитию процесса окисления железа цо реакции 800 1000 )ЮО Т, К Рис.
9.29. Условия рааиоаесия железе, оксидоа железа, СО и СО (959) Ге+ СОз -+ ГеО+СО. (9.60) Область 1П (устойчивое существование Геэоя) уменьшается с ростом температуры (Т > 873 К). Для этой области характерна еше более сильная окислительная среда, содержащая значительное количество СС~. Окислительные процессы развиваются по реакции При наличии магнетита Ге!04 железо восстанавливается оксидом углерода СО до закиси железа, т, е. Ге!04+ СО -з ЗГеО+ С(зз. [Гео]+ [с] пя со 2 + [Ге]; [Г О]+СО ~=ЗСО27 э[Г,] (9.57) (9.58) 442 При этом наблюдается одновременное присутствие железа, закиси железа, углерода, окИси углерода и углекислого газа. Где и при каких условиях будут протекать эти ревизии? Условия равновесия между железом, аксидами железа, окисью углерода и углекислым газом для интервала температур 673...1273 К следуют из рпс.
9.29. Штриховая линия соответствует образованию СО и СОз в присутствии твсрлого углерода (см. рнс. 9Д). На рис. 9.29 можно отметим, три характерные области. Область 1 (устойчивое сушеспювание восстановленного железа) уменьшается с ростом температуры. Для этой области хараггерно наличие преимущественно восстановительной среды в виде СО. ЗГео+СО! -+ Ге!04'СО. (9.61) СО[Ге] [Гео][С] (9.62) Отсюда определим равновесную иищентрацию закиси железа е мстачле, считая, что содержание железа в стали близко к единице 443 Учитывая, что сварочный процесс протекает при более вмсоких температурах, чем рассмотренные процессы, можно предположить следующее: — при окислении металча устойчивой формой оксида жедеза будет ГеО; — раскисление металла углеродом идет только ло 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 (9.63) (ГеО) + (Нз) рз (НзО) + (уе), (НэО1ре) (Рм3ЙНз) —.= е = у(т), (РеО) (ГеО) (9.63) Рнгп ' К' Ри, ((ре) = !), и вырюкая концентрацию оксида углерода через его парциаяьное давлениергп: Итак, чем больше углерода в стали, тем меньше РеО образу с я при ее окислении. С ростом температуры процесса раскисляюшая способность углерола повышается и раскисяеняе идет значительно полнее, чем при низких температурах. Олнако, несмотря на высокую раскислякнцую способность, углерод как рщкнслитель нвхолит ограниченное применение.
Это объясняется следующими обстоятельствами: " возможно образование пор в металле шва, особенно на участках, крнсталлизуюшихся в последнюю очередь н сильно насышенных углеродом. Естественно, что щесь наиболее бурно может прошкать рсакпня окисления углерода и вылеленне СО, СОз, — повышение содержания углерода в металле шва не всегда допустима 2.
Реаюгн» Роггис»е»ия водородом предспншяется следующим уравнением: лля которого константа реакции равна Рассуждая, как при выволе формулы (9.63), получаем Восстановление мешлла водородом имеет много общего с восстановлением его окисью углерода. Однако водород раскнсяяет метелл слабее, чем СО. При этом получаются следукнцие тепловые эффекты: ! СО + — Оз = С(~ (+ 266 440 ДжГмоль); 2 Н+ -ОЗ - НЗО(+ 242 760 Дж/моль). ! 2 Недостатком волорола как раскислителя являетса его высокаа растворимость в металлах, которая мшкет привести к обраюванню пор н трещин. Оценивая эффективность раскнслення на основе обменнмх реакций„следует иметь в внлу, что лаже в условиях, когда процесс дневки стали протекает достаточно лолгщ состояние равновесия в реакциях раскисления не достигаетса.
Прн сварке отклонения кони центраций от равновесных будут еще ббльшими (в сторону белес высокого содср канна закисн железа). Поэтому в сварочной практике часто применают одновременно несколько раскислитслей. Для сравнения раскнслительной способности некоторых элементов с углсролом на рис. 9.28 приведены кривые зависимости равновесной концентрации закиси железа от концентраций раздичиых элементов — раскислителей при температуре (673 К. Наибольшей раскнсляющсй способностью обладает А! (затем Т(, далее б(, С и, наконец, Мп и Сг). Под раскисляющей способностью по. пинается концентрация кислорода в процентах по массе в сплаве, соответствующая концентрации легирукнцего элемента в растворе в состоянии термодннамнческого равновесия. Диффузионное расиислеине основано на частичном переходе звкнси железа в ишак, так как ее распределение между этими двумя фазамн подчиняется закону распрелелешш Пернета: где А — константа распределения.
Двя развития процесса диффузионного раскислення вюкио, чтобы концентрация свободной закнсн железа а шлаке уменьшалась, тогда новые порции эакиси железа будут псрсхолить нэ меппша в шлак. Это достигается различными способами: — сшпываиием РеО в комплексные соединения кислотными оксидами (образованием силикатов, титанатов); — проведением раскислительных обменных реакций; — разбавлением шлаков нейтральными в химическом отношении добавками. Константа распределения Е (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
