Лекции 1-17 (1043960), страница 17

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

Текст из файла (страница 17)

В расплаве оксид меди Сu₂O весьма устойчив, но при кристаллизации вследствие ликвации образуется эвтектика Cu – Сu₂O и фаза Сu₂O теряет свою устойчивость, вызывая под воздействием O₂ и H₂ так называемую «водородную болезнь» меди, которая приводит к разрушению металла и является результатом последовательного взаимодействия меди с кислородом по реакции (9.24), а затем с водородом по следующей реакции:

2[H] + [Cu₂O] = 2Cu (9.25)

Иными словами, водород, растворенный в окисленном металле, взаимодействует с оксидом Сu₂O, находящимся в эвтектике и восстанавливает его до Сu, но образующиеся при этом пары воды не диффундируют через металл и разрушают его по границам зерен.

Равновесная диаграмма плавкости Cu – O приведена на рис. 9.14. Как следует из диаграммы, в области температур ниже 1065 °С
(1338 К) существует раствор Cu + Сu₂O, но растворимость Сu₂O в твердой фазе ничтожно мала. Таким образом, при сварке меди и ее сплавов необходимо принимать все меры для снижения степени ее окисления или вводить раскислители.

Аналогичная ситуация имеет место при сварке деталей из никеля и его сплавов. Никель с О₂ образует два соединения: Ni₂O₃ и NiO. Первый из них неустойчив, является сильным окислителем (он применяется в щелочных аккумуляторах). Второй – NiO – устойчивый оксид. Он хорошо растворим в жидком никеле, но не растворим в твердом никеле. Диаграмма плавкости, приведенная на рис. 9.15, показывает, что содержащиеся в металле оксиды никеля при нагревании выше 1700 К легко диссоциируют, выделяя кислород, который образует поры с водородом, находящимся в жидком металле, при его кристаллизации. Никель, в отличие от железа, не взаимодействует с азотом, который может служить для него так же, как и для Cu, защитной средой.

Титан является особо активным химическим элементом по
отношению к кислороду, с которым он образует ряд устойчивых оксидов, обладающих различной степенью окисления. Кроме то-
го, кислород растворяется в твердом металле. Оксиды, особенно

имеющие низкую степень окисления: TiO, Ti₂O₃, TiO₂, обладают большим температурным интервалом гомогенности, т. е. существуют в однофазном твердом растворе при охлаждении до нормальной температуры (рис. 9.16). При температурах этого интервала наиболее устойчив оксид TiO. Для оксидов титана характерна ступенчатая диссоциация, которая идет по двум вариантам:

Ti₃O₅

(9.26)

TiO₂

Ti₂O₃ – TiO – Ti

Из оксидов титана наименьшую температуру диссоциации имеет TiO₂ ( при 3500 К), диссоциация которого происходит согласно уравнению

4TiO₂ 2Ti₂O₃ + O₂ (9.27)

Титан также активно взаимодействует с азотом и водородом (см. рис. 9.7), образуя нитриды и гидриды, поэтому требуется особо тщательная защита его сплавов от атмосферы при сварке.

Алюминий соединяется с кислородом в устойчивый амфотерный оксид (корунд), образующий соли как в кислой, так и в щелочной среде. Оксид не растворим в алюминии и образует плотную оксидную пленку, имеющую весьма высокие температуру плавления (Т > 2500 К) и плотность (выше, чем у металла). При сварке с окислением в шве образуются включения Al₂O₃, т. е. шлаки, которые приводят к охрупчиванию металла шва. Кроме того, поверхностные пленки из склонны к адсорбции H₂O, т. е. к гидратации во влажной среде. Гидратная вода, входящая в при сварке диссоциирует и это приводит к повышению парциального давления водорода в столбе дуги. При охлаждении до температуры кристаллизации растворимость водорода резко снижается практически до нулевых значений (см. рис. 9.6, а) и при кристаллизации часть выделяющегося газа создает поры в шве. Второй продукт диссоциации – кислород – окисляет основу сплава или его главный легирующий компонент (Mg, Li) и тем самым увеличивает долю шлака в шве в виде легкоплавкой эвтектики.

Таким образом, попадание атмосферных газов в большей или меньшей степени в зону столба дуги вследствие несовершенства газовой защиты или в виде примесей в защитных газах оказывает вредное воздействие на конструкционные металлы и сплавы в шве и в зоне термического влияния, так как приводит к образованию в них горячих либо холодных трещин и пор, а также к снижению прочности и пластичности сварных соединений.

Лекция 14

Классификация механизмов защиты от атмосферы при различных способах сварки

В настоящей главе рассмотрены пути реализации основных металлургических процессов: раскисления, легирования, рафинирования и модифицирования при основных способах сварки плавлением, отличающихся методами защиты сварочной ванны от воздушной среды. Сварка плавлением является высокотемпературным процессом, при котором возможны существенные изменения состава металла сварного соединения, следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой. При контакте с атмосферой металлы, имеющие высокую химическую активность, могут образовывать оксиды, нитриды и гидриды, а при контакте с флюсом терять ценные легирующие элементы. Скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурах сварочного цикла настолько высока, что даже в очень ограниченное время могут произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надёжные способы сохранения свойств металлов.

С уществующие методы защиты металла при сварке плавлением приведены на рис. 10.1. Они практически реализуются в различных сочетаниях при различных способах сварки, известных в настоящее время. Широко применяются четыре основных вида защиты зоны сварки: 1) флюсовая защита; 2) газовая защита; 3) газошлаковая защита; 4) вакуумная защита.

Шлаковая защита при дуговой сварке под флюсом

Ш лаковая защита сварочной ванны реализуется при механизированной дуговой сварке под слоем флюса (рис. 10.2) и электрошлаковой сварке. Электрический дуговой разряд, возникающий между деталью и электродной проволокой, перемещаемый вдоль свариваемого шва механическим устройством, поддерживается в замкнутом пространстве в среде расплавленного флюса и флюса в вязком полужидком состоянии. Образуемые при этом газы дуговой атмосферы – пары металла и компонентов флюса – поддерживают давление внутри флюсовой полости выше, чем давление окружающей атмосферы. Это обеспечивает защиту зоны сваривания от воздуха. В зоне контакта жидкого флюса с металлом сварочной ванны происходят все основные металлургические реакции: раскисление, легирование, рафинирование. Продукты этих реакций, как правило, не растворимы в металле, имеют меньшую плотность, объединяются с флюсом в легкоплавкие комплексы – шлаки, которые хорошо смачивают металл и после затвердевания легко отделяются от металла ш ва. Дуговая сварка под слоем флюса – высокопроизводительный процесс: ее коэффициент наплавки превышает 20 г/А·ч. Он обеспечивает хорошее формирование сварного шва, высокое качество металла и полное использование электродной проволоки (~98%), так как практически не происходит разбрызгивания.

Однако для получения сварных соединений высокого качества необходимо соответствие составов сварочного флюса и электродной проволоки свариваемому сплаву, для чего необходим анализ их взаимодействия и прогнозирования хода металлургических процессов.

Строение, химические и физические свойства сварочных флюсов

Сварочные флюсы представляют собой сплавы различных оксидов, солей или сплавы солей и оксидов. Они имеют пониженные (по сравнению с соответствующим жидким металлом) температуру плавления и плотность. При взаимодействии сварочных флюсов с жидким металлом изменяется их химический состав и они превращаются в шлак, который располагается в основном на поверхности сварочной ванны и защищает ее от непосредственного контакта с атмосферой. Однако при высоких температурах, развивающихся во время сварки, флюсы-шлаки переходят в реакционно-способное состояние и вступают в обменные реакции с металлом, что может снижать качество швов. Для управления этим процессом необходимо иметь сведения о строении шлаков и условиях, в которых возможно взаимодействие шлаков с металлами.

В соответствии с ионной теорией, имеющей широкую экспериментальную основу, шлаки обладают кристаллической структурой ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион – катионами. Ионное строение шлаков подтверждается их заметной электропро­водностью (того же порядка, что и электропроводность расплавов типичных электро­литов), которая возрастает с повышением температуры, что также характерно для электролитов. Схема кристаллического строения флюсов, состоящих из оксидов и солей, представлена на рис. 9.17. Структурными единицами кристаллического строения оксидов и солей являются катионы (металлов Ме²⁺) и анионы (кислорода О^2–, фтора F^–, хлора Cl^– и др.), которые чередуются в узлах кристаллических решеток.

Р
ис. 9.17. Схема строения жидких кислых и основных флюсов (○ – анионы кислорода; – катионы металлов основных оксидов; ● – катионы кремния):

а – чистый кремнезем; б – раствор небольшого количества основных оксидов в кремнеземе (показаны кремнекислородные анионы: 1 – 2 – 3 – в – раствор небольшого количества кремнезема в основном оксиде
(показаны изолированные тетраэдры 4 – г – сплав основных оксидов

Структурной единицей оксида кремния (кремнезема) является анион Анионы обладают возможностью соединяться между собой через атомы кислорода с образованием разнообразных по структуре комплексов ионов – силикатных комплексов При расплавлении оксидов и солей ионы сохраняются, но нарушается дальний порядок; ионы и комплексы ионов получают значительную подвижность. При добавлении к кремнезему основных оксидов CaO, MgO и т. п. происходит дробление силикатных комплексов с образованием ионов в следующей последовательности: и т. д. Дробление силикатных комплексов доходит до образования изолированных тетраэдров (см. 4 на рис. 9.17), что снижает их вязкость в расплавленном состоянии. При определенной концентрации кислотных и основных оксидов образуются комплексы ионов – силикаты (метасиликат MeO SiO₂, ортосиликат 2MeO SiO₂). При добавлении к основным оксидам амфотерных оксидов образуются алюминаты фосфаты , ферриты

Характеристики

Список файлов лекций