Диссертация (1172950), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Цинк имеет большее сродство к кислороду, чем медь,вследствие чего при повышенной температуре в богатой кислородом атмосферецинк быстрее переходит в оксидную форму и накапливается в оксидной корке наповерхности материала. Оставшийся объем металла, соответственно, обогащаетсямедью. Богатые цинком латуни (более 20 % цинка) окисляются, образуя наповерхности оксид цинка (ZnO). Цинк обладает большим сродством к кислородуи окисляется водяным паром по реакции [9, 20]:Zn + Н O → H + ZnO(4.1)В литературе [57] отмечаются отрицательные факторы, которые сопутствуютэлектродуговой сварке латуней.
Одним из таких факторов является интенсивноеиспарение цинка из зоны сварного шва. При этом в ходе протекания сварочногопроцесса может испаряться до 25 % содержащегося в латуни цинка.Короткое замыкание по своей физической природе идентично процессуэлектродуговой сварки. Отличие между ними заключается лишь в длительностипротекания – аварийный процесс КЗ электрических проводников кратковременен.На этом основании было высказано предположение о том, что процесс короткогозамыкания также должен вызывать частичное испарение цинка из латуни, аточнее из зоны, в которой произошло КЗ.
Количество испаренного цинка, повидимому, должно зависеть от мощности дугового процесса, длительности егопротекания, а также от содержания самого цинка в латуни (в богатых цинкомлатунях его испарение происходит интенсивнее).Исследовались следующие пары металлов, подвергшихся воздействию КЗ:латунь-латунь, латунь-медь (марка меди М1), латунь-алюминий (марка алюминия100АД0), латунь-сталь (марка стали Ст3). В ходе элементного анализа проводилосьизмерение концентрации на оплавленном участке латунного контакта и нарасстоянии 5 мм и более от него (таблица 4.3) методами РФА и элементногомикроанализа СЭМ.Таблица 4.3 – Концентрация цинка в зоне оплавления и на удалении от этой зоныв латунном контакте, подвергшемся воздействию КЗ при взаимодействии сразличными металламиОбразецКонцентрация Zn, % масс.оплавление5 мм отоплавлениялатунь-латунь35,136,6латунь-медь34,236,4латунь-алюминий34,736,2латунь-сталь34,136,4Вовсехисследованныхобразцахбылообнаруженоуменьшениеконцентрации цинка на 1,5 – 2 % масс.
в оплавленной части латунного контакта.При этом, изменения концентрации цинка в латунных контактов, оплавленных вмуфельной печи при температуре 1100 °С, не наблюдалось. Таким образом,подтвердилось предположение о снижении концентрации цинка в зоне,подвергшейся воздействию электродугового процесса КЗ, что вполне согласуетсяс физико-химическими закономерностями окисления медно-цинкового сплава [9,20].Дальнейший отжиг латунной детали, вплоть до температуры плавлениялатуни, не влиял на содержание цинка – концентрация в зоне оплавленияоставалась пониженной.
Нагрев латуни выше температуры плавления приводил куничтожениюисходногооплавленияи,соответственно,кутратедифференцирующего признака.В таблице 4.4 систематизированы диагностические признаки разрушениялатунной детали в результате КЗ и внешнего теплового воздействия, которыебыли выявлены методами СЭМ и РФА.101Таблица 4.4 – Диагностические признаки механизмов разрушения латунногоконтакта при пожаре, выявляемые методами СЭМ и РФАПризнакиМетоданализаУсловия воздействияКЗВнешнеетеплопожара+-Микрооплавления, наблюдаемыеСЭМхпри увеличениях более 2000Уменьшение концентрации цинкаСЭМ,+в зоне оплавления на 1,5 – 2,0 %РФАмасс.Обогащение зоны, прилегающей кСЭМ,+месту оплавления,РФА«посторонними» элементамиПримечание к таблице 4.4: «+» - признак присутствует; «» - признак ненаблюдается.4.4 Признаки КЗ и внешнего теплового воздействия приметаллографическом анализеЭлектродуговые оплавления латунных изделийВ результате протекания ПКЗ и ВКЗ в однофазной латуни в месте оплавленияобразовывалась литая структура быстрой кристаллизации.
При этом, еслиотсутствовало дальнейшее тепловое воздействие, то участок разрушениялатунного изделия состоял из нескольких зон. На рисунке 4.4 показанпанорамный снимок, на котором хорошо видно распределение таких зон. В левойчасти фотоснимка расположено оплавление, т.е. участок металла, подвергшийсяплавлению и имеющий структуру быстрой кристаллизации. В центральной частиснимка находится т.н.
зона теплового влияния (ЗТВ). Эта зона характерна тем, чтоона подвергалась температурам нагрева чуть ниже температуры плавлениялатуни. Между оплавлением и не оплавленной частью металла наблюдаетсячеткая граница.Можно утверждать, что наличие структур быстрой кристаллизации –дендритов, ячеек, столбчатых зерен (рисунок 4.5), является характернымкристаллизации, образующимися при КЗ.102Рисунок 4.4 - Микроструктура латунного контакта,образовавшегося в результате КЗРисунок 4.5 - Различные виды микроструктур оплавлений изделий из α-латуни: а)Дендритно-ячеистая и столбчатая структуры; б) Дендритно-ячеистая структурапризнаком протекания дугового процесса между латунными деталями.
Какпоказали многочисленные эксперименты, подобные структуры образуются такжеи при контакте латуни с проводниками тока из меди и алюминия. При этом,данные структуры формируются как в условиях первичного, так и в условияхвторичного КЗ.Для количественной оценки составляющих (ячеек, дендритов, вытянутыхстолбчатых зерен) был рассчитан их усредненный поперечный размер D поформуле:DD1 D2 ... Dn,n(4.2)103где D1, D2, …, Dn – поперечные размеры структурных составляющих,выраженные в мкм, n – число измерений поперечных размеров структурныхсоставляющих. На рисунке 4.6а показана схема, иллюстрирующая способизмерения поперечного размера D структурных составляющих.Рисунок 4.6 - Измерения поперечного размера зерен различной формы: а)Схематическое изображение структурных составляющих и способ их измерения;б) Определение размеров структурных составляющих на реальноймикроструктуре (500х)Прямые отрезки проводились для различных форм зерен по-разному:для столбчатых структур – на любом участке зерна;для дендритных и ячеистых структур – посередине относительно продольнойоси.На примере микроструктуры (рисунок 4.6б) показано, как проводилосьизмерение зерен в поперечнике.
Проведенные исследования показали, что воплавлениях,вызванныхэлектродуговымпроцессомКЗ(первичногоивторичного), величина данного параметра находится в пределах 5 – 10 мкм(таблица 4.5).104Таблица 4.5 – Диагностические признаки механизма разрушения латунногоизделия при пожаре, выявляемые металлографическим методом*№п/пПризнаки1Наличие структурбыстройкристаллизации взоне оплавления(дендриты,ячейки, столбчатыезерна)Различие в размерезерна в 1 балл взоне оплавления и восновном металлеГраница междуоплавлением иосновным металломПоперечный размерструктурныхсоставляющих взоне оплавления,мкмНаличиеравноосных зеренв зоне оплавления2345Условия вторичного тепловоговоздействияТемператураСкоростьнагреваохлажденияТкомн. < Т < Трекр.любаяТрекр. < Т < Тпл.Внешнеетеплопожаралюбая«медленная»Т > Тпл.Электрическаядуга(ПКЗ и ВКЗ)-«быстрая»Трекр.
< Т < Тпл.любаяТкомн. < Т < Тпл.любаяТ > Тпл.«быстрая»Т > Тпл.«медленная»5 - 1010 - 30Примечание к таблице 4.5:Ткомн. – температура комнатная; Трекр. – температура рекристаллизации латуни; Тпл.– температура плавления латуни, зависящая от компонентного составаВторичный нагрев электродуговых оплавлений латунных изделийПодобный нагрев возможен в ходе развившегося пожара. Известно, чторекристаллизационные процессы в латунях начинают протекать при температурах400 – 500 С, в зависимости от компонентного состава.
Вследствие этого нагревлатуннойдеталидолженприводитьквидоизменениюмикроструктурыоплавления, ЗТВ и основного металла.Эксперименты показали, что в результате отжига свыше 450 – 550 °Сструктурыбыстройкристаллизации(дендритная,ячеистая,столбчатая)действительно исчезали и переходили в структуру отожженной α-латуни(рисунок 4.7). Дифференцирующие признаки КЗ в виде структур быстройкристаллизации, таким образом, нивелировались.105Рисунок 4.7 - Микроструктура латунного контакта, подвергшегося протеканию КЗи отжигу при температуре 500 °С в течение 40 мин.
Полиэдрические зерна α-фазыс двойниками отжига внутри: а) Оплавление; б) Основной металл и ЗТВ,Однако, как было замечено, в результате нагрева в диапазоне температур от500 до 900 °С размер зерна на участке оплавления оставался значительно меньше,чем размер зерна на участке основного металла (размер зерна латуней вычислялсяв соответствии с ГОСТ 21073-75). В месте оплавления также наблюдалосьдуплексное строение зерен, т.е.
сочетание зерен малого и крупного размеров. Принагреве ЗТВ исчезает, и за счет разницы в размере зерна между оплавлением иосновным металлом сохраняется визуально наблюдаемая граница (рисунок 4.8).Рисунок 4.8 - Микроструктура оплавления латунного контакта на границе сосновным металлом. Отжиг при температуре 500 °С в течение 40 мин106Таким образом, диагностическим признаком оплавления латунной детали врезультате КЗ при ее вторичном нагреве в ходе пожара свыше 450 - 550 °С можносчитать различие хотя бы в 1 размер зерна между участком оплавления иучастком основного металла.Как показали исследования, подобная картина наблюдается вплоть дотемператур порядка 900 °С. После нагрева латунного изделия свыше 900 –1070 °С происходит плавление латуни и указанные дифференцирующие признакиисчезают полностью.Выявить следы протеканияКЗ в этой ситуацииметаллографическим методом уже не представляется возможным.Оплавлениялатунныхизделий,вызванныевнешнимтепловымвоздействиемОчевидно, что оплавления латунных изделий могут также сформироваться ипод воздействием тепла пожара при превышении температуры плавления латуни.В ходе этого процесса решающее влияние на конечный вид микроструктурылатуни оказывает скорость охлаждения расплавленного металла.
Газовый составатмосферы в данном случае не должен оказывать воздействия на форму зерен [15,57].При медленном охлаждении расплавленной α-латуни образовывалиськрупные равноосные зерна α-фазы (рисунок 4.9а). В микроструктуре оплавлениянаблюдались поры.В случае быстрого охлаждения оплавления в воде в α-латуни образовывалисьструктуры, вид которых схож со структурами быстрой кристаллизации при КЗ дендриты, ячейки и столбчатые зерна (рисунок 4.9б). Тем не менее, установлено,что существует диагностический параметр, позволяющий дифференцироватьтепловое воздействие и КЗ. Им является усредненный поперечный размер Dструктурных составляющих.
При тепловом воздействии пожара и быстромохлаждении, данный параметр D превосходит значение для КЗ в несколько раз исоставляет величину порядка 10 – 30 мкм (при КЗ D = 5 – 10 мкм).107Рисунок 4.9 - Микроструктуры оплавлений латунных контактов, образовавшихсяв результате их нагрева выше температуры плавления Т=1000 °С. Различныескорости охлаждения: а) Медленное охлаждение (в печи). Равноосные зерна αфазы; б) Быстрое охлаждение (в воде). Ячеисто-столбчатая структура α-фазыВ таблице 1 в обобщенном виде приведены установленные в данной работедиагностические признаки электродугового процесса в латунном изделии ирасплавления в результате внешнего теплового воздействия на него при пожаре[33].Взаимодействие латунного изделия и алюминиевого проводникаИзвестно, что легирование латуни, имеющей α-структуру, каким-либоэлементом, например, алюминием, может приводить к образованию в латуни βфазы [15].
В ходе пожара возможно электродуговое и химическое взаимодействиеприконтактелатунногоизделияспроводникомтокаизалюминия.Экспериментальное исследование данных ситуаций показало следующее.При электродуговом взаимодействии объекта, выполненного из латуни,имеющую α-структуру, с алюминием, образовывалась β-фаза.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
