Лекции 1-17 (1043960), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

где р_СО, – парциальные давления соответственно газов СО, О₂ и СО₂.

Итак, задавая значения температуры, с помощью уравнений (9.11) и (9.6) или номограммы (см. рис. 8.8) можно определить константы равновесия, степень диссоциации и соответствующий 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 1800...2000 К) его степень диссоциации незначительна.

В зависимости от соотношения упругости диссоциации кислорода из оксида и из CO₂ направление реакции (9.10) определяет

окислительный или восстановительный характер среды, создаваемой для жидкой сварочной ванны при диссоциации углекислого газа. Если упругость диссоциации кислорода из оксида металла меньше, чем из углекислого газа то в среде будут развиваться окислительные процессы, т. е.

M e + CO₂ МеО + СО.

При обратном соотношении упругостей диссоциации

та же среда проявляет восстановительные свойства:

МеО + СО Me + СО₂.

Парциальное давление кислорода в реакции (9.10) зависит от температуры, давления и соотношения концентраций СО₂ и СО,
т. е.

(9.12)

Э то значит, что с увеличением температуры Т и отношения а также согласно выражению (9.6) при уменьшении давления р в системе растет окислительная способность диссоциирующего углекислого газа. Лишь при дуговой сварке неплавящимся, но испаряющимся угольным электродом наличие паров твердого углерода весьма существенно снижает эту способность, так как энергично развивается реакция

СО₂ + С_пар + Q 2СО (Q = 142,6 кДж/моль). (9.13)

На рис. 9.4 дан график зависимости содержания СО от тем­пературы в присутствии паров твердого углерода. Уже при температуре 1100 К содержание СО в газовой смеси приближается к 100 %. Следовательно, создается восстановительная для металла среда и становится воз­можной, например, реакция восстановления оксидов железа:

FеО + СО Fе + СО₂.

Поэтому при сварке сталей угольным электродом не требуется дополнительной защиты газом или флюсом.

Образование соединений между компонентами газовой смеси

Н аряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов для высоких температур сварки плавлением характерно образование молекул газа в эндотермических реакциях при взаимодействии кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором. Например, азот N₂ и кислород О₂ при Т = 3500 К взаимодействуют с образованием оксида азота NO по реакции, которая сопровождается поглощением тепла:

N₂ + О₂ 2NO (–181,4 кДж/моль). (9.14)

Образующийся оксид азота может существовать в нераспавшемся виде при пониженных температурах (Т < 3500 К). В контакте с металлом ванны при температурах 1800...1900 К он распадается и играет существенную роль как окислитель; он передает атомы кислорода и азота на поверхность жидкого металла. По мнению многих исследователей, оксид азота одновременно передает азот и кислород расплавленному металлу. Подтверждением этому служит тот факт (рис 9.5), что с увеличением кислорода в газовой среде растет и насыщение металла азотом, хотя степень его диссоциации невелика (см. рис. 8.9).

В низкотемпературной зоне также происходят реакции образования соединений OH и фтористого водорода HF, не растворимых в металле. Эти реакции используют для снижения парциального давления водорода над сварочной ванной.

Насыщение расплавленного металла газами в капле и сварной ванне

В жидком металле капель и сварочной ванны происходят процессы растворения газов столба дуги. В сварочной ванне эти процессы протекают менее интенсивно, чем в каплях, по следующим причинам:

1. температура жидкого металла в сварочной ванне ниже, чем в каплях, где она приближается к температуре кипения металла;

2. для сварочной ванны отношение поверхности реакции к объему значительно меньше, чем для капель.

Растворимость газа в жидком металле также зависит от его парциального давления и состояния. Если газ находится в атомарном состоянии, то его растворимость в металле [Г] при Т = const согласно закону Генри прямо пропорциональна его давлению
([Г] = K₁p_г), а растворимость двухатомных газов, находящихся в молекулярном состоянии, подчиняется закону Сивертса ([Г₂] =
т. е. прямо пропорциональна корню квадратному из давления газа.

Количество растворяющегося в металле газа [С]_г для большинства металлов увеличивается с ростом температуры по следующей зависимости:

(9.15)

где А и k – константы; Е – теплота растворения газа в металле.

Из уравнения (9.15) следует, что с увеличением температуры металла повышается и содержание растворенного в нем газа, причем в каплях оно может быть значительным. Однако нельзя забывать, что при температурах, близких к температуре кипения металла, имеет место и обратный процесс: содержание газа в металле заметно падает и в момент кипения становится равным нулю, поскольку образуется много паров металла, а парциальное давление газа при этом снижается.

Процесс растворения газов в жидком металле состоит из отдельных, протекающих последовательно стадий (подробно рассмотренных в гл. 8):

– адсорбции атомов газа поверхностью металла капли и сварочной ванны;

– взаимодействия адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом, т. е. образования растворов и химических соединений (этот процесс называется хемосорбцией);

– отвода продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла.

Адсорбция и хемосорбция протекают с очень большими скоростями – практически мгновенно. Отвод продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла происходит с меньшей скоростью. На этой стадии процесса растворения газов в жидком металла большую роль играет механическое перемешивание. При сварке оно проявляется довольно значительно вследствие интенсивного турбулентного движения расплава (из головной части сварочной ванны в хвостовую, см. рис. 9.2), обусловленного давлением дуги на
жидкий металл. Наибольшее насыщение металла газом происходит в каплях. Оно зависит от длительности пребывания капли на торце электрода и времени ее пролета через столб дуги, а также от температуры капли. Температура, максимальная при коротком замыкании столба дуги каплей, зависит от состава газовой среды. По данным А.Я. Ищенко, в условиях сварки в аргоне при I_св = 400 А алюминиевого сплава АМг6, плавящегося при ~ 970 К, температура капель достигает 2100 К, а при сварке в гелии – значительно меньшего значения: 1900 К.

Рассмотренная схема растворения атомарных газов в металле, в основе которой лежит закон Генри, получила название химического поглощения газов металлом.

Максимальное насыщение газов в твердом или жидком металле достигается в равновесном состоянии. Его зависимости при нормальном давлении от температуры и фазового состояния для Fe, Al, Cu, Ni и Ti представлены на рис. 9.6 и 9.7. Из рис. 9.6 следует, что равновесная растворимость атмосферных газов при нормальном давлении в алюминии Al, меди Cu, никеле Ni существенно зависит от температуры и агрегатного состояния металла (при температуре кристаллизации растворимость Н₂ в Al падает от 0,69 до 0,036 см³/100 г), а их растворимость в железе – и от фазовой модификации:

При электродуговой сварке наличие электрического поля создаст возможность электрического поглощения газов металлом. Оно наблюдается только у поверхности катода в области активного пятна, куда внедряются положительные ионы газов, переносящие заряды столба дуги. Наличие у поверхности катода слоя положительных ионов повышенной концентрации приводит к их перемещению в объем металла диффузионным путем вследствие выравнивания разности концентраций (по механизму концентрационной диффузии). Поэтому при сварке на обратной полярности («+» на электроде) в капле растворяется меньше водорода. Это снизит концентрацию H₂ и в ванне. Степень развития электрического поглощения газов металлом зависит также от значения катодного падения потенциала, состава газовой среды, силы то­ка и других факторов.

Растворимость газов в жидкостях. В системе, представляющей собой раствор газа и газ, имеются две фазы и два компонента (газ и рас­творитель). По правилу фаз Гиббса f = 2 + 2 – 2 = 2, т. е. система имеет две термодинамические степени сво­боды и концентрация растворенного газа является функцией темпе­ратуры и давления газа над жидкостью. Положим Т = const, тогда согласно (8.50)

L = A_2г/A_2ж = const, (8.52а)

где A_2г – концентрация газа в газовой смеси; A_2ж – концентрация газа в жидкой фазе.

Характеристики

Список файлов лекций