26-03-2020-ТСП часть2 (1278567), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Таким образом, тщательная прокалка флюсов, их хранение в герметичной таре, очистка поверхности металла и электродной проволоки от ржавчины и масла способствуют уменьшению водородного насыщения швов , а также предотвращению пористости.

9.7. Окисление металла флюсом

Основные источники кислорода в газовой фазе флюсовой полости:

- наличие на поверхности металла свариваемых кромок оксидов (окалины Fe₃О ₄ и ржавчины Fe₂О₃·2Н₂О), диссоциирующих при дуговом нагреве с выделением свободного кислорода или вступающих в реакции с жидким железом:

Fe₃O₄ + Fe = 4FeO (9.42)

Fe₂O₃ + Fe = 3FeO

- присутствие во флюсе воздуха и влаги, диссоциирующей при cварке и взаимодействующей с жидким железом по реакции:

Н₂О + Fеж[FеО] + Н₂ (9.43)

Специфика дуговой сварки обуславливает и электростатическую природу выделения кислорода на аноде

2(ОН) ^- + [Fe]  (Fe ²⁺ ) + (О ^2-) + 2[Н] (9.44)

а на катоде водорода

Н⁺+е[H] (9.45)

Кроме того, кислород попадает в металл при прямом взаимодействии с химически активными оксидами жидких флюсов-шлаков в результате обменных реакций.

(SiO ₂ ) + 2Fеж  2 (FeO ф) + [Si] (9.46)

Таким образом, в шлаке возникает монооксид железа FeO, который растворим в жидком железе. Если оксид, растворимый в металле, образуется во флюсе-шлаке, то согласно закону распределения между концентрациями этого оксида устанавливается определенное соотношение (рис.9.27):

L = [МеО]/(МеО)=f(T) (9.47)

В результате такой реакции жидкий металл одновременно окисляется и легируется (обычно кремнием или марганцем). Термодинамический расчет, подтверждающий ход этих реакций в указанных направлениях дан в гл. 8 (пример 1). Таким образом, кремнемарганцевые шлаки, имеющие кислый характер (%SiO₂ > %МnО) и окисляют капли электродного металла при высоких температурах (т.е. осуществляется 1-я стадия кремнемарганцевого процесса, рассмотренная в гл. 9). Поэтому они считаются активными. Наряду с окислением капли, они обогащают металл кремнием и марганцем, которые, попадая в более холодный металл сварочной ванны, вызывают

процессы раскисления. Если в электродном металле содержатся легирующие элементы с большим сродством к кислороду чем у железа, то происходит их необратимое окисление при взаимодействии с SiO ₂ и МnО.

При сварке легированных и высоколегированных сталей недопустимо применение кремнемарганцевых флюсов, которые имеют хорошие сварочно-технологические свойства, но весьма активны, так как содержат термически малопрочные оксиды SiO₂ и МnО, выделяющие кислород в обменных реакциях. Ввод термически более стойких окислов Al₂О₃ и TiO₂ позволяет несколько снизить активность флюсов, но вызывает

другие реакции окисления - углерода и кремния, и восстановление алюминия и титана, переходящих в металл из флюсов.

Однако, окисление Al₂О₃ и ТiO₂ происходит при более высоких температурах и по более сложной схеме:

• восстановление алюминия и титана из Al₂О ₃ и TiO₂ кремнием;

• окисление легирующих элементов С, Si, Mn, Сг кислородом, выделяющимся при частичной диссоциации Al₂О ₃ и TiO₂ ;

- образование остаточного кислорода в наплавленном металле, входящего в состав этих оксидов, т.е. создающих включения. Такой же результат имеет место при вводе оксида ZrO₂ , имеющего кислый характер.

Итак, с увеличением количества кислых термостойких оксидов в составе флюса (А1₂ О₃, ZrO₂ , TiO₂ ) усиливаются процессы окисления легирующих элементов (Cr, Si, Mn, Nb) и восстанавливаются Zr, Al, Ti из их оксидов. При этом растет общее содержание кислорода, а содержание других ферритизаторов и ферритной фазы уменьшается. Термодинамические расчеты, выполненные Н.Н. Потаповым, показали, что окисление Сг и наиболее эффективного ферритизатора и стабилизатора в аустените - ниобия, происходит с участием диоксида кремния SiO₂ , а также его монооксида SiO по следующим реакциям:

4/3 [Сг] + 2(SiO₂ )  2/3 (Сг₂О₃)шл+ 2SiO газ (9.48)

4/5[Nb] + 2(SiO₂ )  2/5(Nb₂О₅ )шл + 2SiO газ

Это снижает сопротивляемость горячим трещинам, коррозионную стойкость швов и пластичность сварных соединений высоколегированных сталей из-за присутствия неметаллических включений.

Напротив, основные оксиды (CaO, MgO) обладают достаточной термической стойкостью во всем диапазоне сварочных температур, но не обеспечивают необходимые технологические свойства. Из работ Б.Н. Бадьянова следует, что составы флюсов для высоколегированных сталей должны создаваться на основе компромисса, причем содержание главного окислителя SiO₂ рекомендовано в пределах до 10%, что позволяет полностью связать его основными оксидами в комплексы SiO₂ · СаО и т.п.

9.8. Переход вредных примесей из флюса в металл шва

Под воздействием флюса-шлака в шве изменяется как количество, так и геометрия соединений, образованных с участием вредных примесей - серы и фосфора. Источники серы во флюсе - шихтовые минералы типа MnO₂ (содержат до 0,25% S), а также магнезит и флюорит. Главный источник фосфора - также MnO₂ (содержит до 0,35% Р). В высокомарганцовистых плавленых флюсах содержание серы и фосфора обычно составляет 0,1-0,15%. В плавленых и керамических флюсах, не содержащих МnО₂ , концентрация серы не превышает 0,05%. Переход серы в металл шва наиболее значителен, когда она находится в соединении FeS, хорошо растворимом в жидком железе. Сера и фосфор могут переходить из флюса-шлака в металл и наоборот в зависимости от состава флюса и технологии сварки:

[S]=_s(S)ф, [P]=_p(P)ф (9.49)

где s и р- коэффициент распределения S и Р между шлаком и металлом.

Особенно увеличиваются концентрации серы, фосфора и кислорода при многопроходной сварке по высоте шва по сравнению с их содержанием в электродной проволоке. В металле сера образует сульфид железа FeS (Т_пл = 1468 К), а эвтектика его с железом плавится при 1258 К. Еще ниже температуру плавления имеет эвтектика из комплекса 2FeO - SiO₂ с FeS. В сталях с повышенным содержанием никеля образуются более легкоплавкие эвтектики на базе NiS (Т_пл = 917 К). Вредное влияние серы могут усиливать другие легирующие элементы, например, углерод. Как сера, так и фосфор приводит к усилению склонности к образованию горячих трещин, резко увеличивая температурный интервал хрупкости, а также к охрупчиванию швов горячеломкости и хладоломкости соответственно. Его нижняя граница несколько ниже неравновесного солидуса, определяемого температурой затвердевания ликватов, состоящих из эвтектик и оксидов железа.

Оценку совместного влияния серы, фосфора и кислорода производят по эквиваленту вредных примесей ВП:

[ВП] = [О] + 0,8 [S] + 0,7[Р] (9.50)

где [О], [S], [P] - концентрация кислорода, серы и фосфора.

Этот эквивалент позволяет соизмерить отдельное влияние примесей S, P и О₂ в виде неметаллических оксидных включений, а также показывает, что наибольшее влияние на ударную вязкость оказывает кислород. На рис. 9.26 приведена зависимость работы ударного излома металла шва от содержания в нем эквивалента вредных примесей при отсутствии горячих трещин-надрывов (линия 1) и с надрывами - 2. Видно, что главнейший фактор работоспособности сварных соединений - отсутствие горячих трещин. Учитывая неизбежное воздействие этих элементов, наиболее перспективна сварка способами с более эффективной защитой, т.е. сварка с газовой защитой и смешанной газошлаковой защитой.

9.9. Раскисление и легирование металла при сварке

При всех способах сварки весьма вероятно в большей или меньшей степени окисление основы или составляющих сплавов.

Возможны следующие три основных вида окисления составляющие металла в шлаке: прямое окисление, окисление низших оксидов до высших, окисление на основе обменных реакций.

Прямое окисление в общем виде может быть представлено реакцией

Me + ½О2  МеО (9.51)

Здесь происходит непосредственное окисление элемента свободным кислородом с образованием соответствующего оксида. Такие процессы за редким исключением сопровождаются выделением тепла, т. е. они экзотермичны (табл. 9.4).

Поставщиками свободного кислорода в зону сварки, помимо воздушной атмосферы, могут быть двуокись углерода СО2, пары воды, карбонаты и высшие оксиды, диссоциирующие при нагреве и выделяющие свободный кислород.

Однако следует помнить, что все реакции, идущие с выделением тепла, в том числе и окислительные, при высоких температурах протекают вяло. На поверхности же открытой сварочной ванны интенсивность прямых окислительных реакций значительно выше, чему способствует их экзотермический характер.

Таблица 9.2

Тепловой эффект реакций прямого окисления

для некоторых элементов

Окисление на основе обменных реакций представляется в общем виде следующим уравнением:

Me1 + Ме2О  Ме1О + Ме2, (9.52)

где Me1 и Ме2 — различные металлы.

На направление реакции (9.52) помимо внешних условий существенно будут влиять концентрация реагирующих веществ и сродство элементов к кислороду.

Виды раскислительных процессов. Из анализа обменных реакций типа (9.52), заключаем, что по отношению к металлу такие реакции могут иметь не только окислительный, но и восстановительный характер (если равновесие реакции сдвигается влево).

Поэтому нужно применять элементы, которые обладают повышенным сродством к кислороду и в определенных условиях способен энергично связывать кислород, освобождая металл из оксида. На рисунке 9.27 представлена схема этого процесса. В двух контейнерах находятся два различных оксида, при их нагревании выделяется кислород, если соединить контейнеры между собой, то кислород будет перетекать в сосуд с меньшим парциальным давлением. В этом сосуде находиться металл имеющий большее химическое сродство к кислороду. Такие элементы называются раскислителями, а сам процесс восстановления металла из оксида — раскислением. Помимо раскисления действием раскислителей существует особый процесс — диффузионное раскисление. Как правило при окислении сталей наиболее вероятно окисление основы, т.е. железа, образование FeO, что доказано термодинамическим расчетом (пример 2 гл.8).

Рассмотрим процессы раскисления сталей, содержащих растворимый в стали оксид FeO.

Раскисление с получением конденсированных продуктов реакции сопровождается образованием конденсированных оксидов нерастворимых в металле и всплывающих в шлак. К числу раскислителей, образующих такие оксиды, относятся Ti, Si, Mn, A1 и др.

В общем виде реакция раскисления железа представляется уравнением:

m [FeO] + n [Pa]  [PanOm] + m [Fe], (9.53)

где Ра — раскислитель, m, n – стехиометрические коэффициенты.

Константа равновесия реакции

Кс = ( [PanOm] • [Fe] ) / ([FeO] • [Ра]ⁿ) (9.54)

Но в сталях [Fe] ≈ 1, поэтому равновесная концентрация свободной закиси железа в металле

[FeO] = ( [PanOm] / [Ра]ⁿ) •К'с. (9.55)

Следовательно, концентрация свободной закиси железа уменьшается с повышением содержания раскислителя и уменьшением концентрации оксидов данного раскислителя в металле. Если же учесть, что раскислителями, как правило, служат элементы, образующие нерастворимые в металле оксиды, удаляемые в шлак, то концентрацию [PanOm] можно считать величиной постоянной. Тогда исключая величину [PanOm] из выражения 9.55 получим:

[FeO] = К'с / [Ра]ⁿ (9.56)

Характеристики

Список файлов лекций