Легування металу

Легування наплавленого металу виконується при дотриманні двох важливих вимог:

1) як розкиснювачі треба застосовувати елементи, спорідненість яких до кисню більша, ніж у легуючого елемента;

2) поряд із легуючим елементом доцільно вносити у зону зварювання і його оксид, наявність якого зберігає легуючий елемент від вигоряння.

Принципово можливим є легування металу як через металеву, так і через жужільну фазу.

Легування через металеву фазу здійснюється:

а) уведенням легуючого елемента в електродний стрижень чи присадковий дріт;

б) за рахунок проплавлення легованого основного металу і переходу відповідних елементів у зварювальну ванну.

Легування через жужільну фазу здійснюється шляхом уведення легуючих елементів у електродне покриття чи флюси.

Перший шлях легування (через металеву фазу) є більш дієвим, бо при цьому втрати легуючого елемента незначні і коефіцієнт переходу в метал шва виявляється досить високим.

Процес легування може відбуватися як у результаті прямого розчинення елемента в металі, так і на основі обмінних реакцій.

Для оцінки ступеня переходу того чи іншого елемента в металл шва служить коефіцієнт переходу або засвоєння елемента.

Коефіцієнтом переходу η називається відношення приросту концентрації даного легуючого елемента в складі металу шва до кількості цього елемента, введеного в зону зварювання.

Для визначення сумарного коефіцієнта переходу елемента Ле в метал шва може бути використана наступна залежність:

(229) (8.15)

де [Ле]_ш — вміст легуючого елемента в металі шва, %;

[Ле]_а, [Ле]_b, [Ле]_c, — вміст того ж елемента в основному металі, електродному дроті і металевій добавці у покритті чи флюсі, %;

а, b, с — частки участі відповідно основного металу, електродного дроту, покриття чи флюсу в утворенні зварювальної ванни. При цьому, якщо прийняти, що площа проплавляння F_пр пропорційна масі проплавленого основного металу, а площа наплавляння F_н — масі наплавленого металу, то, позначаючи , одержимо

. (230) (8.16)

Знаючи відношення ваги розплавленого покриття чи флюсу до ваги розплавленого електродного металу К_В (воно дорівнює приблизно 1), можна записати

, (231) (8.17)

де (Ле) - частка легуючої добавки у покритті чи флюсі, φ — частка легуючої добавки, що перейшла у ванну. Оскільки

а+b+с=1, (232) (8.18)

то, вирішуючи спільно рівняння (8.16)—(8.18), одержимо

(233) (8.19)

, (234) (8.20)

. (235) (8.21)

Варто мати на увазі, що ступінь засвоєння зварювальною ванною легуючого елемента залежить від того, яким шляхом цей елемент у неї попадає — з основного металу, електродного металу чи покриття (флюсу). Тому

де — коефіцієнти переходу даного елемента з основного металу, електродного дроту і покриття чи флюсу.

Роздільне визначення по'язане з певними труднощами і не завжди можливе.

На коефіцієнт переходу впливає багато факторів:

1. В міру переходу елемента в наплавлений метал наростає ступінь насичення ним металу, а тому падає засвоюваність металом даного елемента і коефіцієнт переходу починає зменшуватися;

2. Коефіцієнт переходу збільшується із ростом вмісту в шлакові вільного оксиду легуючого елемента. При цьому коефіцієнт переходу залежить від хімічної природи вільного оксиду в шлаку; при кислому характері вільного оксиду зі збільшенням ступеню кислотності шлаку зростає.

В основному шлаку кислий оксид виявиться значною мірою зв'язаним у комплекси і тому буде зменшеним.

На величину коефіцієнта переходу впливає фізико-хімічна природа речовини, що містить легуючий елемент. Коефіцієнт переходу вуглецю в метал у випадку застосування різних карбономістких компонентов, за інших рівних умов, приведений в табл.8.3.

Таблиця 8.3
Компонент	, %
Графіт металургійний	45-50
Кокс нафтовий . ............	30-40 15-20 5-7
Кокс металургійний ...........
Вугілля деревинне . ............

В однакових умовах більш високий коефіцієнт переходу буде у елемента з меншою спорідненістю до кисню (табл.8.4).

На коефіцієнт переходу впливає ступінь грануляції легуючого компонента, який вводиться в електродне покриття. Чим крупніші частки, тим більше елемента переходить у метал, тому що зі збільшенням розміру часток сумарно зменшуються втрати на окиснювання і випаровування.

Крім зазначеного, коефіцієнт переходу залежить від параметрів режиму зварювання, характеру газового середовища, наявності в зоні зварювання активних розкиснювачів тощо. Тому його необхідно визначати дослідним шляхом.

Таблиця 8.4
Легуючий елемент	, %
Кремній Марганець Хром Нікель	15-20 50—65 70—75 95—100

Легування через газову фазу також можливе, але цей процес ще мало вивчений.

Легування металу відбувається у всіх ділянках зони зварювання, проте енергійніше і повніше - у процесі краплеутворення.