4. Взаємодія металу з газовою фазою

   1. Розчинення газів у рідкому металі

Дисоціація двоатомних газів до атомарного стану в умовах зварювання дуже важлива, тому що внаслідок дисоціації підвищується активність газів і вони при взаємодії з розплавленим металом у вигляді крапель і зварювальної ванни можуть у ньому розчинятися або ж утворювати з ним хімічні сполуки (табл. 4.)

Якщо при дисоціації відбувається розчинення газу в металі, то сумарний тепловий ефект, як правило, є позитивним (ΔН > 0), тобто такий процес – ендотермічний.

Таблиця 4 – Розчинність водню, азоту й кисню в рідких металах

Характер взаємодії	Розчинність	Н	N	O
Не утворюються сполуки (ендотермічна розчинність)	Газ розчиняється в металі	Ag, Al, Be, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, W, Zn	-	Ag
	Газ не розчиняється в металі	Au, Hg	Pb, Cr, Cu, Ag, Au, Zn, метали платинової групи	Au, метали платинової групи
Утворюються сполуки (екзотермічна розчинність)	Сполуки добре розчиняються в металі	Рідкісноземельні метали: Sс, Y, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U	Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U	Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta,
	Сполуки середньо розчиняються в металі	Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba	Co, Cr, Fe, Mn, Mo, W	Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Cu, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, W
	Сполуки не розчинаються в металі	-	Li, Na, K, Ba, Mg, Ca, Zn, Al	Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd

Відповідно до принципу Ле-Шательє розчинність газу в металі буде зростати з підвищенням температури й зменшуватися при її зниженні .

Якщо ж газ утворює з металом хімічну сполуку, то сумарний тепловий ефект термодинамічного процесу в цьому випадку може бути негативним (ΔН<0), тобто процес буде екзотермічним. Тут підвищення температури викликає зменшення розчинності, а зниження – її зростання.

Насичення розплавленого металу газами відбувається як у краплях, так і у зварювальній ванні. У ванні ці процеси здійснюються менш інтенсивно, ніж у краплях за двома причинами:

– температура ванни нижче температури крапель;

– у ванні відношення площі поверхні реакції до об’єму значно менше, ніж у крапель.

При цьому, якщо газ знаходиться в атомарному стані, то його розчинність у металі безпосередньо відповідає закону Генрі (є пропорційною тиску газу), а розчинність двоатомних газів, що існують у молекулярному стані, підпорядковується закону Сивертса (є пропорційною кореню квадратному з величини тиску газу).

Зі збільшенням температури металу підвищується розчинність в ньому газу, причому в краплях ця розчинність може досягати значної величини. Однак при температурах, близьких до температури кипіння металу, розчинність газу помітно зменшується і у момент кипіння дорівнює нулю.

Механізм розчинення газів у рідкому металі складається з окремих стадій, що відбуваються послідовно:

• адсорбція атомів газу поверхнею металу;

• взаємодія адсорбованого газу в поверхневому шарі з металом – утворення розчинів і хімічних сполук (звичайно ці процеси називають хемосорбцією);

• відвід продуктів хемосорбції вглиб рідкого металу.

Процеси адсорбції й хемосорбції відбуваються із дуже високими швидкостями, практично миттєво. Швидкості відводу продуктів хемосорбції вглиб металу є меншими. У відводі продуктів хемосорбції вглиб металу значну роль відіграє механічне перемішування рідкого металу, що здійснюється часто з бурхливим виділенням газів.

Розглянута схема розчинення газів у металі одержала назву «хімічного поглинання газів металом».

За наявності електричного поля є можливим й електричне поглинання газів металом. Воно спостерігається тільки на поверхні катода, в області активної плями, куди спрямовуються позитивні іони газів, що надходять зі стовпа дуги. Наявність у поверхні катода шару позитивних іонів підвищеної концентрації приводить до їхнього переміщення в об’єм металу дифузійним шляхом внаслідок різниці концентрацій.

Ступінь розвитку електричного поглинання газів металом залежить від величини катодного спадання напруги, складу газового середовища, величини струму й ін.