4.Окисление элементов сплава, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с основой

Известно, что хром, марганец и кремний и другие имеют большее сродство к кислороду, чем железо. При сварке наибольшее значение имеют реакции:

[Si] + O₂ = (SiO₂) … (1)

2[Mn] + O₂ = 2(MnO) … (2)

Рассмотрим реакцию (1):

для насыщения раствора, когда все ,

участники –конденсированные фазы

следовательно … (3)

Учитывая, что а_SiO2=1, имеем:

… (4)

Вывод: 1) если при сварке используется атмосфера с {Р_О2}^*, то для сплавов, отвечающих а=0¸а^*_Si, атмосфера будет восстановительной;

2) при использовании любой отмосферы полного окисления не будет, но во всех случаях с повышенным содержанием О₂ в газовой среде равновесеая концентрация кремния будет уменьшаться

! Как правило защитные среды обладают окислительными свойствами и основное назначение – защита сварной ванны от азота и снижение окислительной активности (по сравнению с ворздухом)

5. Пути окисления металла сварочной ванны

Окисление металла сварочной ванны возможно за счёт перехода из:

• газовой среды;

• шлаковой среды

• из поверхностных оксидов (если они растворимы в металле)

На переход кислорода влияют следующие факторы:

• состав контактирующих фаз (сварочной ванны и среды);

• внешние условия (температура, давление)

Во всех случаях переход кислорода в сварочную ванну будет замедляться при наличии в ванне элементов, обладающих большим сродством к кислороду (т.к. элементов – раскислителей). (Для сталей такими элементами является Mn и Si). С повышением температуры при данной концентрации кремния [Si]₂ равновесная концентрация кислорода в ванне возрастает. и поддерживать её на неизменном уровне можно только увеличивая содержание раскислителя в сварочной ванне.

На стадии охлаждения наоборот, наблюдается понижение равновесной концентрации кислорода в сварочной ванне; что в результате приводит к повышению вероятности загрязнения шлаковыми включениями металла шва.

Итак: повышение содержание кислорода в сварочной ванне может привести:

1. к понижению прочности и пластичности, в том числе и из-за старения, т.к. кислород обладает переменной растворимостью

2. к образованию пористости из-за реакций

[C] + [O] « CO­

2[H] + [O] ® H₂O­

3. к увеличению вероятности шлаковых включений

[Si] + 2[O] ®(SiO₂)

Для уменьшения вредного влияния кислорода металл сварочной ванны раскисляют.

1. Раскисление сварочной ванны

В сварочной технике используют те же способы раскисления, какие используются и в общей металлургии:

А - диффузионное раскисление

В - осаждающее раскисление

С - вакуумное раскисление.

А. Диффузионное раскисление основано на законе распределение кислорода между шлаком и металлом и осуществляется когда в условиях сварки используется флюс.

Для диффузионного раскисления сталей используют кислые безжелезистые шлаки, обеспечивающие (0)_{действ.} < (0)_р. Кроме того, в кислых безжелезистых шлаках закись железа из сварочной ванны [FeO] (FeO) связывается в силикаты. Вследствие комплексообразования действительная активность кислорода в шлаке понижается, что способствует более полному развитию реакции: [FeO] —>(FeO).

Достоинством диффузионного раскисления является отсутствие продуктов раскисления. Недостатком - небольшая эффективность процесса, связанная с тем, что развитие реакции, на границе раздела лимитируется диффузионными процессами, а следовательно протекает относительно медленно.

В. Осаждающее раскисление - осуществляют за счет введения в сварочную ванну элементов, которые по сравнению с основой сплава обладают большим сродством к кислороду и образуют окислы нерастворимые в жидком металле.

Применительно к сталям такими раскислителями могут быть: Si, Mn,

А1. При их введении в объеме сварочной ванны протекают реакции:

[Si] + 2[0] = (Si0₂) Тпл = 1710° С

[Mn] + [О] = (MnO) Тпл = 1600° С >Tпл _Fe ⁼ 1539⁰ C 2[А1]+3[0]=А1₂0_з Тпл = 2050° C

[Ti] + 2[0] = (Ti0₂)

Как видно из уравнений , продукты раскисления имеют более высокую температуру, чем металл сварочной ванны. Поэтому, когда для раскисления используется только 1-н компонент, Si, в сварочной ванне будут образовываться мелкодисперсные твердые частицы SiO₂. Известно, что малые частицы, всплывающие или падающие в вязкой среде, быстро приобретают равномерное движение, при котором сила f, возбуждающая движение, уравновешивается сопротивлением среды S. Всплывание шлаковых частиц в жидком металле происходит под действием силы

где г - радиус частицы; - удельный вес.

Сопротивление среды движению малых сферических частиц определяется законом Стокса:

где v - скорость всплывания (см/с)

- вязкость (г. масса/с. см)

g - ускорение силы тяжести (см/с² )

Из условия F = S определим скорость всплывания:

пропорциональна размеру включения в квадрате, растет при уменьшении удельного веса шлака и падает с повышением вязкости. Вязкость является функцией температуры и состава металла: в более холодном и менее углеродистом металле отделение продуктов раскисления протекает хуже. Включения могут укрупняться вследствие коалесценции (с лат.: срастание, соединение). Коалесценция - самопроизвольный процесс уменьшения дисперсности в дисперсных системах с жидкими (т.е. малоподвижными) поверхностями раздела (жидкость/газ; жидкость 1/жидкость2). Коалесценция является наиболее глубокой стадией коагуляции (лат. свертывание, сгущение) - агрегирования частиц с полным исчезновением поверхности соприкосновения между ними (напоминает собирательную рекристаллизацию).

Коагуляция - укрупнение частиц в коллоидных или грубодисперсных системах в результате их слипания или слияния под воздействием молекулярных сил сцепления.

Коалесценция включений, выделившихся в твердом состоянии, имеет очень слабое развитие, вследствие чего весь шов засорен мелкодисперсными включениями шлака. Жидкие частицы укрупняются значительно быстрее, причем тем быстрее, чем выше их текучесть и чем меньше межфазное натяжение.

Следовательно, для уменьшения загрязнения металла шва необходимо, чтобы продукты раскисления формировались в виде жидкой фазы. Пример: Оксиды имеют следующие температуры плавления: МпО 1778°С, Si0₂ 1713°C, Аl₂Оз 2050°С. Играет роль порядок подачи раскислителей: предварительное раскисление Мп, до введения Si, облегчает образование жидких силикатов, т.к. выделению SiO₂ предшествует зарождение жидких шлаковых фаз FeO - МпО. Общий порядок: раскисление стали прежде всего Мп после него кремнием, и вслед за тем алюминием.

Задача получения легкоплавких продуктов реакции, и вследствие этого - уменьшение засорения шва шлаками, оптимально решается путем применения комплексного раскисления. В этом случае одновременно вводят несколько элементов-раскислителей в определенном соотношении, пользуясь диаграммами состояния шлаковых систем. Простейший представитель комплексного раскислителя - силикомарганец, т.е. сплав кремния и марганца, при определенном соотношении (%Mn/ %Si), дающий продукты раскисления в виде легкоплавких железистомарганцовистых силикатов.

Эффективен 3-х компонентный раскислитель AMS (система А1-Мn-Si), например: 18,5% Мn; 14,4% Si; 9,1% A1 (основа - Fe). Так, при раздельном раскислении сталь содержит 0,0265-0,0362% шлаковых включений, а при комплексном AMS - до 0,0107 - 0,0123% шлаковых включений. Для специальных марок сталей используются следующие комплексные раскислители: силикокальций, силикоцирконий, Si-Al-V-Zr; Ti-Mn-Si, Si-Mn-Ca и др.

С. Раскисление в вакууме - осуществляется при электроннолучевой сварке в вакууме или при ДЭС в вакууме - основано на усилении реакции, протекающей с образованием газообразных продуктов, при понижении давления.

[C]+[O] CO ....(l) (2)

2[Н] + [0] H₂O ...(3) (4)

Как следует из уравнений (2) и (4):

соответственно:

с уменьшением Р_со, (или Р ) содержание [O] падает.

13