Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Рис. 8,13. Сравнение ко КРивые зависимости лога- сродства элементов к кислороду по Рнфмов УпрУгости диссоциаупругости диссоциации их оксидов ции для Различных оксидов от при повышении температуры температуры (см. Рис. 8.13) и (штриховой линией показано пар- штриховая прямая, соответстциальное давление кислорода воздуха) вующая парциальному давлению кислорода воздуха, позволяют сопоставить химическое сродство рассматриваемых элементов к кислороду и сделать следующие основные выводы: 358 1.
С увеличением температуры упругость диссоциации для всех оксидов увеличивается, что говорит об уменьшении стойкости оксидов. 2. Все кривые упругости диссоциации оксидов лежат ниже прямой, показывающей парциальное давление кислорода воздуха. Это означает, что в рассматриваемом интервале температур в контакте с воздухом будут существовать оксиды. Исключение составляет закись никеля %0, у которой при температуре выше 2400 К упругость диссоциации становится выше парциального давления кислорода воздуха. Таким образом, никель будет самопроизвольно восстанавливаться из оксида.
3. Чем ниже расположена соответствующая кривая упругости диссоциации оксида, тем он прочнее и тем более сильным раскислителем будет элемент, образовавший с кислородом данный оксид. 4. По убывающей степени химического сродства рассмотренных элементов к кислороду их можно расположить в следующих два ряда: при температуре 3000 К (стадия капли) — С, Т1, А1, Мп, 81, Ге, %; при температуре 1700 К (стадия кристаллизации сварочной ванны) — А!, Т1, 81, С, Мп, Ре,%. Сравнение расположения одного и того же элемента в этих двух рядах показывает, что с понижением температуры раскисляющая способность углерода падает, а при температуре, отвечающей затвердеванию стали (Т = 1700 К) или близкой к ней, более энергичными раскислителями становятся алюминий, титан и кремний.
Определение химического сродства элементов к кислороду в составе сплавов. Приведенные данные позволяют оценить химическое сродство к кислороду различных элементов в чистом виде и дать сравнение прочности их оксидов. В действительности на порядок и скорость окисления элементов или диссоциации их оксидов влияет не только температура, но и их концентрация в сплаве, причем если одновременно в растворе находятся нескольких элементов„то это лишает их возможности свободно и независимо друг от друга реагировать с кислородом.
При сварке необходимо создать условия для диссоциации оксидов других элементов в сплаве, являющихся неметаллическими включениями, либо условия для окисления вредных примесей (серы Я и фосфора Р), обеспечивающие их удаление из сплавов в виде газовых продуктов реакции окисления. 359 Рас ассмотрим реакцию диссоциации оксида МеО, протекающую в растворе того же металла: 2МеО = 2Ме + О2. мероз а2 Р 2 ам о (8.69а) Ее следствием может быть изменение концентраций как оксида, так и элемента Ме. Константа равновесия этой реакции (диссоциации оксида) выражается как Иными словами, чтобы перевести в оксид малое количество какого-либо элемента в составе сплава, необходимо поднять парцнальное давление кислорода, что нежелательно вследствие окисления основы сплава.
Поэтому нельзя до конца окислить и удалить из сварочной ванны вредные примеси — серу и фосфор. 2. Если в растворе содержится малая доля нежелательного элемента и его оксида, то упругость диссоциации такого оксида можно приблизительно рассчитать по формуле О где ам, и ам,о — активности соответственно элемента Ме и его оксида МеО. Отсюда упругость диссоциации оксида МеО в растворе равна 2 ам о р, =К г Р 2 аме (8.69б) смотрим два случая. Е . Если в растворе количество МеО малб, то, полагая а, = 1, ам, = можно записать: 2 Ро, =Ро,амо (8.70) Если ли учесть, что при малых концентрациях активность равна мольной доле растворимого, то ам,о <1, а р' ~ ро . Таким об- 02 2 разом, упругость диссоциации ро оксида элемента, находящегося 02 в растворе, зависит не только от природы оксида и температуры, но и от активности или концентрации оксида в растворе. С уменьшением концентрации оксида его упругость диссоциации снижается, что свидетельствует об увеличении химического сродства элемента оксида к кислороду.
360 Так как константа равновесия реакции равна упругости диссоциации того же оксида в чистом виде, то, подставив ро в уравне- 2 ние (8.696) в ( . 96) вместо К, получим: р = ро —. При этом расаМео 02 2 2 аме где аме = (;оМе)!100 — мольная доля металла в растворителе для случая неограниченной растворимости; Мм, и Мра„, — относительные молекулярные (атомные) массы соответственно металла растворимого и растворителя.
Полагая, что концентрация оксида близка к предельной концентрации насыщения (а~я -1) и что Мм = Мрастя (например, Ге и Мп), получим р = —. Это позволяет приближенно оценить РО2 02 Я аме влияние степени насыщения (концентрации металла в растворителе) на упругость диссоциации его оксида. При уменьшении ам, Упругость диссоцнации оксида увеличивается.
Это говорит о том, что полностью окислить нежелательную составляющую сплава в растворителе невозможно, и наоборот, для предотвращения окисления элемента в растворе необходимо снижать равновесное парциальное давление кислорода. Так, при сварке в вакууме снижают ро, что способствует распаду оксидов. На рис. 8.14 показаны зависимости упругости диссоциации для различных оксидов от концентрации элементов, образующих этн оксиды в растворе стали. Упругость диссоциации РеО показана в виде горизонтальной линии, так как концентрация железа в расплаве принята постоянной и равной единице. Как следует из рис.
8.14, для температуры 2000 К характерно весьма энергичное окисление С, затем 81, Ге и Мп при 361 Ме, % (мас.) концентрациях 0,001...1 % 0,0001 0,001 0,01 0,1 1,0 При температуре 2000 К для тех же значений концентраций -2 Мпо вводимого в жидкий металл Р О элемента возрастает окисле- -4 ние углерода в составе сплава, 510 з что характеризует его раскис- -6 ляющую способность.
Угле- роду в этом отношении усту- -8 пают все остальные элементы (81, Ре, Мп). У кремния хими- -10 ческое сродство к кислороду становится большим, чем у 18Ро железа, при концентрациях, Ри . 8.14. 3 ис... ависимость упругости превышающих 0,001 %. Мардиссоциации окси ов от концен а- ганец как раскислнтель может р- "' ции металлов в жидкой стали при проявлять себя только при температуре 2000 К концентрации выше 1 %; при меньшей концентрации интенсивнее окисляется железо.
Применив изложенные выше зависимости, можно определить для данного сочетания элементов элементраскислитель и его количество (см. пример 8.4). Пример 8.9. Определить необходимое количество раскислителя, которое должно быть введено через сварочную проволоку Св-08 при сварке стали СтЗсп в среде углекислого газа, Раскисление осуществляется только кремнием (окисление углерода не допускается). Решение.
Пусть доли основного металла н прнсадочного металла (сварочной проволоки Св-08) при образовании сварочной ванны составляю~ 50 %. В табл. 8.10 в скобках указано принимаемое при расчете количество элементов. Будем считать, что металл сварочной ванны состоит только из железа, углерода и кремния. Другими примесями пренебрегаем.
Химический состав этих составляющих определим согласно ГОСТ 2246-70, где заданы значения в определенном интервале. Выбрав из иих средние значения, определим исходный химический состав сварочной ванны. Исходя из начальных условий, учитываем, что должно происходить окисление углерода, а также, что это приводит к уменьшению прочности соединения и других его свойств. Технология сварки должна обеспечивать неизменное содержание углерода в металле шва, т. е. его массовую концентрацию, приблизительно равную 0,14 %. 362 Таблица 8.10. Химический состав, %, основного, электродного металла и сварочной ванны Расчет реакций окисления углерода и кремния ведем по Оь так как сродство к нему выше, чем к атомарному кислороду: 2(С]+От г-в 2(СО), К Ро, 1 (5!) Оз ~~ (8!Оз) Кр (Ь) Рог Из теории известно, что раскисляющие способности элементов зависят от температуры.
Раскисление происходит прн кристаллизации, поэтому расчетной будем считать температуру, близкую к температуре плавления стали. Принимаем Т = 1900 К. Если допустить, что 81 и С находятся в свободном состоянии, то расчет упругости диссоциации их оксидов можно рассчитать по формуле 1 (8.46), используя соотношение 18 К = !8 — или 18 К = — 18 ро,: Ро, для СО -221000 +178,29 +11,88.1,009 + ' ' — -1602; 19,14.1900 19,14 19,14 для 510 -859300 -181, 7 -4, 7. 1, 01 о2 1914.1900 1914 1914 Отсюда следует, что в первую очередь окисляется углерод, но это не допустимо по условиям задачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
