Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Металлы, растворяюшие водород, делятся на две группы: — металлы (Ге, Х1, А1, Со, Си, Мо и др.), не образующие химических соединений с водородом; — металлы (Лг, Т1, 'Ч, Та, ТЬ и др.), образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды). Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе. Как следует из рис. 9.6, б, растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений. При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание растворимости водорода, достигающей максимального значения при температуре = 2700 К. Таким образом, наиболее значительное насыщение металла водородом при сварке происходит в процессе формирования и переноса капель с электрода в сварочную ванну.
404 405 Рис. 9.12. Влияние температуры и парциального давления водорода в газовой фазе на его растворимость в жидком железе (кривые 1, 2, 3, 4— для значений соответственно !О ~, 5х10 25х10 ' 10 МПа) (Нг]~, см /! 00 г 1О Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, не растворимые в жидком металле и тем самым снижающие его парциальное давление в газовой среде.
Так, образование в газовой среде соединений ОН и НР, не растворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом. Кроме того, весьма существенным является парциальное давление водорода в газе, контактирующем с металлом. Об этом свидетельствуют представленные на рис. 9.12 зависимости растворимости водорода в металле от температуры среды при разном его парциапьном давлении (рн ) в газовой среде.
г Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по реакциям: 50 40 ~ 30 б 20 И !о 1900 2100 2300 2500 Т,К 0 0,02 0,04 0,06 0,08 О, % (мас.) Рис. 9.13. Зависимость растворимости водорода в жидких металлах от концентрации в нем кислорода при температуре, близкой к температуре плавления металла трацию в нем водорода.
На рис. 9.13 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидких металлах: железе, меди и никеле. Как следует из рисунка, даже при незначительной окисленности жидкого металла резко снижается содержание в нем водорода.
Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказывается на его свойствах. При достаточно быстром охламсдении металла сварочной ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться. Особенно много водорода задерживается при снижении температуры превращения у — а. Оставшийся в металле атомарный водород задерживается в ветвях зарождающихся и растущих дендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в микронесплошностях — скоплениях дислокаций и других дефектах кристаллического строения. В этих местах атомы водорода соединяются в молекулы.
Поэтому парпиапьное давление атомарного водорода в районе дефектов резко снижается, вследствие чего он продолжает диффундировать в том же направлении. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не диффундирует через металл и практически не растворим в нем. Кроме того, водород может окисляться и образовывать водяной пар, который в металле не растворяется. В связи с тем что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению его пластических свойств, а иногда — к хрупкому разрушению и закапочно-водородным трещинам.
Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва со единений, отрицательно влияющих на прочность сталей, он усиливает вредное влияние макро- и микронесплошностей, способствует резкому снижению пластических свойств и хрупкому разрушению закаленных сталей. 9.2.4. Влияние СОг, СО и паров НгО на свойства стали 2[Н]+ [О) ~.-2 Н20; [Н) + [О) ~~ ОН (9.22) 406 (квадратными скобками обозначены газы, растворенные в металле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концен- Оксиды углерода СОг и СО в тех или иных количествах всегда есть в газовой среде. Степень диссоциации и окислительная способность СОг при температурах дугового разряда весьма значительны (см. рис.
9.1). В отличие от СОг окись углерода СО не диссоциирует в дуговом разряде. Кроме того, СО не растворяется в жидком металле и поэтому непосредственной опасности для него не представляет. В то же время СО может создавать защитную ат- 407 мосферу у поверхности жидкого металла, связывая кислород по реакции 1 СО+ — 02 =СОз. 2 Окись углерода может непосредственно образовываться и при сварке угольным электродом, создавая достаточную газовую защиту.
Иную роль играет окись углерода, образующаяся в самом металле при взаимодействии углерода с кислородом или углерода с оксидами металлов. В этом отношении наиболее характерна реакция между углеродом и закисью железа: [ЕеО]+ [С]~:2 СОТ + [Ре]. (9.23) Наблюдающееся кипение металла (выделение пузырей образующейся окиси углерода) способствует удалению посторонних включений. Однако если в металле шва в момент его кристаллизации нет нужных раскислителей (например, Я, Мп), способных подавить реакцию дальнейшего образования окиси углерода, то кипение металла сварочной ванны может продолжаться до окончания кристаллизации и привести к нежелательному снижению содержания углерода, а также к образованию пор в металле шва.
Пары воды диссоциируют в зоне столба дуги полностью на водород и кислород. Их влияние на свойства стали при сварке описано в разд. 9.2.3 и 9.2.1. Итак, состав газовой среды в зоне столба дуги и степень активности ее компонентов при сварке плавлением позволяет сделать общий вывод о необходимости защиты жидкой фазы сварочной ванны (стали) от контакта с воздухом и тщательной металлургической обработки ее для получения качественного сварного соединения. 9.2.5. Влияние атмосферных газов иа свойства цветных металлов Медь при взаимодействии с кислородом дает стабильный оксид Си20, растворимый в жидкой меди: 4Си + Оз — — 2[СпзО]. (9.24) В расплаве оксид меди СцзО весьма устойчив, но при кристаллизации вследствие ликвации образуется эвтектика Сп — Сп2О и 408 фаза Сц20 теряет свою устойчивость, вызывая под воздействием О2 и Нз так называемую «водородную болезнь» меди, которая водит к разрушению металла и является результатом последо- .
4,а нательного взаимодействия меди с кислородом по реакции (9.2 ), а затем с водородом по следующей реакции: 2[Н]+ [Сп20] = 2Сц+НзОп~р1. (9.25) Иными словами, водород, растворенный в окисленном металле, взаимодействует с оксидом Си20, находящимся в эвтектике и восстанавливает его до Си, но образующиеся при этом пары воды не иффундируют через металл и разрушают его по границам зерен.
диф Равновесная диаграмма плавкости Сп — О приведена на рис. 9. о 14 Как следует из диаграммы, в области температур ниже 1065 ОС (1338 К) существует раствор Си + Сп20, но растворимость СизО в твердой фазе ничтожно мала. Таким образом, при сварке меди и ее сплавов необходимо принимать все меры для снижения степени ее окисления 1420 Ж или вводить раскислители. Аналогичная ситуация имеет 1380 место при сварке деталей из никеля Ж+ СпзО и его сплавов.
Никель с 02 образует 1340 1338 К два соединения: %203 н %0. Пер- ,3 О, 9 Сп+ СозО вый из них неустойчив, является С„025 050 075 сильным окислителем (он применя- О, % (мас.) етсЯ в щелочных аккУмУлютоРах). Рис. 9,14. Диаграмма плавкосВторой — Х(Π— устойчивый оксид, и Са 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 Си, защитной средой.
Титан является особо активным химическим элементом по отношению к кислороду, с которым он образует ряд устойчивых оксидов, обладающих различной степенью окисления. Кроме того, кислород растворяется в твердом металле. Оксиды, особенно 409 Т,К Т,К 2500 1900 2300 1723 1700 2100 1900 1500 1700 1300 1500 1100 1300 !100 900 900 О, % (мас.) 10 20 30 40 О, % (мас.) Рис.
9.15. Диаграмма плавкостп Рис. 9.16. Диаграмма ллапкостп Х1 — О Т1 — О (атомиые доли) для мапых концентраций кислорода имеющие низкую степень окисления: ТЮ, Т1203, ТЮ2, обладают большим температурным интервалом гомогенности, т. е. существуют в однофазном твердом растворе при охлаждении до нормальной температуры (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
