Р озкиснення з одержанням газоподібних продуктів реакції

Розглянемо дві типові реакції цього виду розкиснення металу.

Розкиснення вуглецем. Цей процес може протікати в два етапи:

а) ,

б) (219) (8.5)

При цьому спостерігається одночасна присутність заліза, закису заліза, вуглецю, окису вуглецю і вуглекислого газу. Де і за яких умов будуть іти ці реакції?

Умови рівноваги між залізом, оксидами заліза, окисом вуглецю і вуглекислим газом для інтервалу температур 400—1300° С наведені на рис. 8.5. Тут можна відзначити три характерні області:

О бласть І - стійкого існування відновленого заліза, що зменшується із ростом температури. Цій області відповідає наявність переважно відновного середовища у виді СО.

Область II — стійкого існування закису заліза. Ця область з'являється при температурах, близьких 600 °С, і збільшується з подальшим ростом температури. Їй відповідає наявність окисного середовища, тобто помітних кількостей СО₂. Присутність СО₂ сприяє окисненню заліза по реакції

Fe + СО₂ → Fe + СО,

чи, за наявності магнетиту, відновлення останнього до закису заліза,тобто

Fе₃O₄ + СО → ЗFеО + СО₂.

Область ІІІ - стійкого існування магнетиту Fе₃O₄, що зменшується з ростом температури (Т > 600° С). Цій області відповідає ще більш сильне окисне середовище, створене присутністю значної кількості СО₂. Тому окисні процеси розвиваються далі по реакції

3Fe + СО₂ → Fе₃O₄ + СО.

З огляду на те, що зварювальний процес відбувається при більш високих температурах, ніж розглянуті, варто припустити наступне:

а) при окиснюванні металу стійкою формою оксида заліза буде FeО;

б) розкиснення металу вуглецем йде тільки до утворення окису вуглецю, тому що при високих температурах цей продукт дуже стійкий, тобто по реакції (8.5, а).

Константа рівноваги для цієї реакції .

Звідси визначимо рівноважну концентрацію закису заліза в металі, вважаючи, що вміст заліза в сталі близький до одиниці і виразивши концентрацію окису вуглецю через парціальний тиск Р_CO: .

Я кщо приблизно вважати, що в процесі зварювання в області високих температур Р_CO = 1 атм, то

. (220) (8.6)

На рис. 8.6 показана залежність між рівноважним вмістом закису заліза і вуглецю в металі для різних температур.

Як видно з рисунка, при збільшенні вмісту вуглецю в металі інтенсивно зменшується вміст у ньому закису заліза. У той же час з ростом температури процесу розкиснююча здатність вуглецю підвищується і розкиснення йде значно повніше, ніж при низьких температурах. Однак незважаючи на гарну розкиснюючу здатність вуглець як розкиснювач знаходить обмежене застосування. Це пояснюється двома обставинами:

а) можливістю одержання пор у металі шва, особливо на ділянках металу, що кристалізуються в останню чергу і сильно насичених вуглецем. Природно, що тут найбільш бурхливо може відбуватися вигоряння вуглецю;

б) можливістю підвищення вмісту вуглецю у металі шва, що не завжди припустимо.

• Розкиснення воднем. Розкиснення металу воднем відбувається за рівнянням:

,

з константою реакції .

Міркуючи аналогічно попередньому, одержимо .

Звідси концентрація закису заліза, що відповідає стану рівноваги, буде

. (221) (8.7)

Відновлення металу воднем має багато спільного із процесом відновлення металу окисом вуглецю. Однак водень слабкіше, ніж CO, розкиснює метал. Теплові ефекти при цьому наступні: кал; кал.

Недоліком водню як розкиснювача є його висока розчинність у металах, що може привести до утворення пор і тріщин.

Говорячи про ефективність розкиснення на основі обмінних реакцій, варто мати на увазі, що навіть в умовах, коли процес плавки сталі відбувається досить довго, не досягається стан рівноваги реакцій розкиснення; при зварюванні відхилення від рівноважних концентрацій будуть ще більшими (у бік більш високого вмісту закису заліза).

З огляду на ці особливості, у зварювальній практиці часто застосовують одночасно кілька розкиснювачів.

Д ля порівняння розкиснюючої здатності деяких елементів на рис. 8.7 наведена залежність між рівноважною концентрацією закису заліза і відповідного елемента - розкиснювача при температурі 1600 °С. Очевидно, що найбільшу розкиснюючу силу маєє Аl, потім Ti. Далі, при малих концентраціях розкиснювача — Si, більше 0,2% - С і, нарешті, Мn і Сr.