Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 31
Текст из файла (страница 31)
9.30), определяющая степень перехода закисн железа иэ металла в шлак, с увеличением темпе- !. ратуры уменьшается. Это зна- 4 чит. что при высоких температу. 3 рах закись железа может перейти из метачла в шпак в меньшем 2 количестве, чеы при низких. При диффузионном раскнс1800 1850 1900 !950 дхх) у. к иэ металла в шлак путем лнффуРвс. 9.30 Зависимость коншзнты таяла находится В июкойном состоянии, а все кнмические процессы *совершаются на границе мепшл — шлак н в самон шавке. Однако само разведение протекает медленно, Прн температурах, близких к температуре эатвердеаання металла, константа распределения А велика, но скорость диффузии в жидкой фазе минимальна н общий эффект от раскислевна оказывается невысоким. Процесс диффузионигао раскислення наиболее заметен прн образовании капли на электроле и ее переносе, так квк ему способствует лостаточно высокая температура, энергичное псремешнвание металла капли н непрерывный контакт свежих порций металла со ишаком.
В сварочной ванне диффузионное раскясление протекает слабо и преимущественно лишь в верхнем тонком слое металла, прюмгающем к шлаку. Вследствяе отмеченнмх особенностей диффузионное раскислсние н сварочных процессах обычно не юраст большой рюш. Рвскнслеине стали е пемещью кислых и основных шлаков протекает при контакте шлаковой и метвчлической фаэ как на основе обменных реакций, так и путем лиффузионного раскисления. Рассмотрим раскисление металла кислымн шлаками, в которых есть оксид кремния.
В таких шлаках наблюдается реакция сваэывания РеО в комплексы — силикаты железа, не растворимые в металле: (9.66) (РеО) 4 ПЯО1) рзэ(реО.ЯО2) с константой равновесия реющни, равной (ГсО.З(02) (РеО) (ЯОз ) (9.67) Связывание закиси РеО в сиянкаты вызовет дополнительный перехол ее иэ металаа в шлак. Из выражения (9.65) следует, что 446 (Р О) -8(р О).
Если в уравнение (9.67) подставим (9.68), то получим ЗЩ ЯОд) ЦреО)(8(О1 ) (9,69) Решим уравнение (9.69) относительно (РсО): (Р О) (РеО'8'~12)д (Я01) (9.70) (РеО.ЯОЗ)+(Мп)ХЭЭ(мпО.ЯОЗ)+("е) (971) Следует отметить, что при введении в шлак этих раскислителей уменьшаетса его кислотность. Рассмотрим раскнслсние металяа основнмми шлаками, в которых в отличие от кислых шлаков есть избмток основных оксилов, где К,' является константой, обратной произведению двух констант: 8 и до Таким образом, при использовании кислых шлаков ляя умею; щения содержания закнси железа в металле пэна следует увеличить содержание кислотного оксида ЯО1 в шлаке, т.
е, повысим кислотность пшена л (см. (928)) и одновременно уменьшить количество образующихся в нем силикатов железа, Олнако повышение содержания ЯОз в шлаке (л > 1,2) приводит к значительному ухудшению физическик, а следовательно, н технологических свойств его. Шлак становится густым (гоьэнннымл) его активность резко пхаает, нарушается и стабильность сварочного процесса. Поэтому ш!я сохранения высокой раскисюлощей способности кислых шлаков целесообразно: 1) заменить ЯО2 лвуокисью титана ТЮз полностью или частвчно.
Этим удастся сохранить нужную степень кислогности шлака, сделать его жидкотекучим (и нкороткима), придать ему требуемую химическую активность; 2) попутно внести в такие шлею! элементы-раскнслнтели, дшощие основные окснды. Их роль сводится к восстшюваению железа из силиката н к уменьшению в шлаке содержанпя силиката железа ( РеО .
ЯОз), например: (СаО) + (ЕДОз) кэ (СаО . ЕПОз), (9.72) с константой равновесна, равной (Ра„О )(Ее) (ЕеО)н(Ра)" (9.73) Г(Ро»О (Ра) (9.74) наиболее сильным из них является СаО. Такие шлаки не обладают способностью к диффузионному раскнсаснию, так как имеющиеся в них незначительные количества ЕбОз (или Т)Щ сразу же будут связываться в комплексные соединения с основными окслдами шлака, т, е. и шлак не будет извлекать ЕеО из металла.
Для раскнсления ме залпа с сохранением в нем полезных легирующих элементов в основные шлаки вводят специальные добавки-раскнслители. Они ведут себя так же, как прн осадочном раскислении металла шва, ио продукты раскисленпя перехолят в шлак, Процесс раскисления стали шлаком ноюю описать уравнением реакции ~(реО) + н(Ро) кд (Рн„О) + т(ре) Считая, что в сталях (Ее) = 1, решаем уравнение (9.73) относитель- но [ЕеО): Отсюда следует, что для того чтобы снизить содержание ЕеО в стали, нужно увеличить в шлаке количество раскислнтеля (Ра) и уменьшить содержание оксида раскислнгеля в шлаке (Ра„Ом).
П родуаты раскислення Ра„Ом перейдут в ншак, который в результате обогащения этими оксанами, потеряет свою ршкисляющую способность. Для ее повышснвя или поддержания на нужном уровне нужно: ограничивать количество внодимого раскислитсля. Чтобы повысить эффективность процесса раскислеяия, одновременно вносят несколько разных раскислнтелей; — разбавлять шлаки специальными добавками, которые уменьшают содержание в шлаках оксида раскисаитела.
В табл. 9,3 приведены в качестве примера несколько раскисшпелей, реакции раскнсления ими металла, равновесные концевтрании (ЕеО) и уравнения для расчета констант равновесия этих рпжцнй Благодаря своим химическим свойствам основные шлаки (керамические) обеспечивают лучшее раскисление металла, чем кислые шлаки. Табанил РЗ. Примеры действия рамзи»виталей Проведение раскислнтельных процессов хотя н снижает содержание кислорода в металле до минимума, ио не восполняет целиком потерю полезных элементов вследствие их частичного выгорания п испарения. Вместе с тем раскисление нс дает воэможности обогатить металл сцециаяьными легирующимн мзементами, чтобы придать ему особые свойства. Эти задачи выполюпот во время другой металлургической операции — легнрованиа, осущеспшяемой одновременно с раскислением металла сварочной ванны.
449 (МпО) (9.77) (9.78) 1ВК' =- — +1,86. 5550 'Мь = т (9,80) [Мп](реО) (МпО)[ре]' (9.75) Так как в стили [Ре] = 1, то 450 451 9.9.2. Легнрвванне наплавлепнвго металла Легироааиие нашюкчснного металла осуществляется с соблюдением следующих важных требований: 1) в качестве легирующнх слелует применять элементы, сродспю которых к кислоролу меньше, чем сродспю раскисляющнх элеыентов; 2) наряду с лепгрующим элементом целпхюбразно вносить в зону сварки и его оксид, наличие которого предохраняет легируюший элемент от выгорання. П ироаание металла ринципнально возможно осугцеспипь лсгироаание м двумя пушмщ через металлическую фазу и через юлаковую, (легирование через гаювую фазу также возможно, но этот процесс еще мало изучен).
При легнрованни через металлическую фаз тиру " мент вводят в элекзролный стержень или прнсалочюший элем ю зу ле. ную прояалоку, а также применяют лроплавление легнрованнопэ основного мещлла, сопровожлаюпмеса переходом пютаеюгвуюшнх элементов в сварочную ванну. Легированне через шлаков фазу прелпол введение легнрующих элементов в электродное мист покрытие или флюсы. Первый пугь легнрования (через мепшлическую фазу) более эффективен, так как при этом потери легирующего элемента незначительны н коэффициент лерехода г! илн Этпнчлл элгмеюяа — отношение прироста длнншо легнрующего элемента в составе металла шва к количеству этого элемента, введенною в зону сварки, оказыяаеюя достаточно высоким. Процесс легирояания может происходить как в результате прямого растворения элемента в мегаше, так и на основе отдельных реакций. При этом, естественно, большую роль играет отношение взаимодсйстауюнигх между собой масс т.
е. коэффициент К масс металла и шлака, Рассмотрим лепгрование меняла шва в результате марганцевосстановитеяьного процесса при элсктролуговой сварке пол флюсом. Уравнение реакции имеет внд (МпО) + [Ре] = (Гео) + [Мн]. Константа равновесия этой реакции определяется вырюкением Найдем констщпу распрелеления: (% Мп) 0,775(% МпО) йм. = — — = — ' [% Мп] [% Мн) где (% Мп), [% Мп) — массовые концентрации марганпа соответственно в шлаке и металле шаа.
Используя выражение (9. 76), запишем (9.77! в виде О, 775(% РеО) Подставляя выражение (9.78) в формулу (9.77), с учетом (9.33) получаем расчетную формулу лля определения юэнцентрацни Мн в мещлле шва; [Мп], и ц+ [Ми]он(1 — П) + ])(Мп)ь 0,775(%реО) 1+[) — —,— '— Константу равновесия К,' лля кислых марганцевых флюсов можно вычислить по формуле где Т вЂ” абсолютная температура, К. Расчеты маргянцевгюсгановительнмо процесса по формулам (9.75)-(9.80) дают результаты, хорошо совпадающие с данными химического анализа. Пользуясь коэффициентами перехода т), следует помнить, что их значения зависят от условий, в которых опи определены.
Применять пх можно только лля грубых. орнен- тнровочных расчетов. Числовые значения коэффициентов перехола приведены в гл. 1О. Следует отметить, что поскольку коэффициент. Ч шляется формальной величиной, то пря его использовании учитываются только начальное и конечное состояняя системы и совершенно ие отражаются разнообразные и часто весьма сложные металлургические процессы, протекающие в реакпнонной сварочной зоне.
Легированне металла шва происхолит во всех участках зоны сварки н иа всех ее этапах, однако энергичнее и полнее — в процессе каплсобраюваиия. Наиболее эффективен метод легнршминя сварочной ванны путем ввода легнрующнх элементов, минуя стэлию копли, в составе дополнительной легируюшей присэдсчной проволоки прн сварке с дополнггтельной горячей присалкой. ЯЛО. Рафнннровацне сварочной вцннн в моднфццнровапне металла шва Третья важная мегэллургичесвш операция, протекающая в сварочной ванне олновремеино с раскислением и лсгнрованнем металла, — его рафиищювание, т.
е. очищение от вредных примесей — серы и фосфора. Полное удаление этих примесей при плавке и сварке стели невозможно (см, гл. 8). Олнако для рафинирования металла шэа по содержанию серы условия сварочного процесса в общем более блапщриятнм, чем в спщсплавильном производстве. Наиболее существенными из них являются слелуюшне: 1) более вмсокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель (Т„= 3000 К)„что способствует лнссоциации сернистых и фосфорных соединений, ослабляет нх химические связи н тем самым облегчает улвленне серы н фосфора из металла шаа в лшак; 2) интенсивное перемешиванне натаяла со ишаком в кипящих каплях и в сварочной ванне увеличивает относительную массу шлака а 1(ДЬ-1000 раз по сравнению с относительной массой шлака при плавке стали; 3) использование спецнальнык рафннирующих компонентов: кальция Са, церна Се, лангаиа !л, ипрня 1 и других в электродных покрытиях илн сварочных флюсах позволяет провести удаление или связывание вредных примесей.
Таким обраюм, иесмсчря иа кратковременность взаимодействия металла со шлаком, прн сварке ллщшеннем есть аозмохгность получать металл шва с меньшим содержанием серы и фосфора, чем в основном ыеталле. 0.10.1. Влияние серн на структуру н свойства шиа Источиикамн поступления серы и фосфора в зону сварки служат: флккы и электродные локрьпня, в состав которых вхолят содержащие примеси серы компоненты, например марганцевые руды, а также расплавленные основной и электродный металлы. 452 1Π— рсб т ре ( Т, = 1228 К)! - 2уеБ 8!02 + РеБ (Тэя = 1253 К).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
