18. Взаимодействие расплавленного металла с содержащимся в газовой фазе кислородом. Источники кислорода в газовой фазе. Воздействие продуктов окисления стали на качество сварного шва.

Ис­точниками кислорода в га­зовой фазе являются углекислый газ, образующийся при диссоциации содержа­щихся в покрытии карбо­натов кальция и магния (CaCO₃=CaO + CO₂ ; MgC0₃=MgO+C0₂), пары

воды и частично воздух, в котором находится 23,2% (по массе) кислорода.

Углекислый газ и пары воды при высоких температурах диссоциируют с образованием свободного кислорода по схеме СО₂=СО+1/2О₂; Н₂O=H₂+1/2O₂.

При контакте свободного кислорода с расплавленной сталью происходит его растворение в железе, а при достижении предела растворимости химическое взаимодействие с образованием ок­сида железа FeO. При снижения температуры расплава равновес­ная растворимость кислорода в железе, контактирующим с FeO, понижается (при температуре 1520⁰С происходит резкое сниже­ние растворимости с 0,18% в жидкости до 0,08% в δ-железе). Вы­деляющийся из расплава кислород реагирует с железом и содер­жащимися в стали легирующими элементами, имеющими доста­точные для этого концентрации и повышенное сродство к кисло­роду. Окисление железа и других элементов возможно и путем непосредственного взаимодействия с углекислым газом и водой:

Fe+C0₂=FeO+СО;

Fe+Н₂О=FeO+H₂;

Ме+С0₂=Ме+СО;

Ме+Н₂О=МеО+Н₂;

Особенно активно процесс взаимодействия металла с кислородом проходит в капле и головной части ванны. Часть продуктов окисления поступает в шлак, а часть в виде оксидных дис­персных включений, различных по форме и размерам, остается в металле. Присутствие кислорода в металле шва, особенно в ви­де дисперсных остроугольных включений, ухудшает его механические свойства, главным образом пластические характеристики. Относительное удлинение снижается в среднем на 30-40%, ударная вязкость — на 40-80%. Считается, что оксидные вклю­чения, располагаясь по границам зерен, способствуют зарождению микротрещин и этим снижают деформационную способ­ность металла.

Окисление содержащихся в стали легирующих элементов, их выгорание дополнительно ухудшает свойства сварного соедине­ния, а наличие повышенного количества кислорода в металле мо­жет принести к образованию пор вследствие развития в кристал­лизующейся части сварочной ванны реакции окисления углерода.

Поэтому возникает необходимость в освобождении расплава от кислорода. Такой операцией, направленной на удаление из жидко­го металла кислорода, является раскисление. Общее содержание кислорода в раскисленном металле шва соединений, получаемых при сварке низколегированных сталей современными марками эле­ктродов, не превышает 0,030-0,035% (в нераскисленном металле шва его содержание может достигать 0,5-0,7%).

19. Взаимодействие расплавленного металла с содержащимся в газовой фазе азотом.

Присутствие азота в газовой фазе является результатом попадания в зону дуги воздуха, в котором находится 75,5% (по массе) азота. Соприкасаясь с расплав­ленным металлом, находящийся в атомарном и молекулярном со­стояниях, азот растворяется в нем. Поскольку азот, как и другие газы, может растворяться только в виде атомов, растворение его молекулярной формы происходит после предварительной диссоци­ации молекул непосредственно на поверхности расплава.

Растворимость азота газовой фазы в жидком железе пропорциональна его парциальному давлению и степени термической диссоциации :

N -равновесное содержание азота, P_N/N2—общее парциальное давление соответственно атомарного и молекулярного азота в газовой фазе; α — степень диссоциации азота при данной температуре; K_N— коэффициент пропорциональности, увеличивающийся с повышением температуры металла.

При дуговой сварке с применением покрытых электродов усиливающее влияние на растворимость азота в расплавленном железе может оказывать присутствующий в тазовой фазе кисло­род, который образует с азотом его оксид NO. Встречаясь с име­ющим заметно более низкую температуру металлом, оксид азота диссоциирует на его поверхности с образованием активного, хорошо растворимого атомарного азота. Активность атомов газов, образующихся при разложении многокомпонентных моле­кул (в данном случае молекул NO), выше активности атомов чистых двухатомных газов (N₂).

Определенное влияние на растворимость азота в стали ока­зывают и находящиеся в ней легирующие элементы. Это влияние неоднозначно. Так, марганец, ванадий, ниобий и хром повышают растворимость азота в жидком металле, а углерод, кремний и ни­кель снижают ее.

С повышением температуры раствори­мость азота в металле растет. При этом при температуре плавле­ния металла и изменении типа решетки растворимость меняется скачкообразно.

Согласно расчетам, максимальная растворимость азота при парциальном давлении 0,1 МПа наблюдается при температуре 2200~2400°С и составляет около 0,06%*. При более высоких тем­пературах упругость паров железа заметно повышается, что ведет к снижению парциального давления азота в образующейся газовой смеси. При температуре кипения металла парциальное давление газа над металлом становится равным нулю, поэтому в кипящем металле газы вообще не растворяются. В то же время содержание азота в металле шва, полученного при дуговой сварке низкоугле­родистой стали на воздухе (более 0,22%), в несколько раз превы­шает расчетное значение. Это подтверждает большое интенсифи­цирующее влияние рассмотренных факторов (диссоциация азота в зоне дуги, наличие кислорода в газовой фазе) на растворение азо­та в жидком металле.

Таким образом, руч­ная дуговая сварка покры­тыми электродами прохо­дит в условиях, когда в высокотемпературной час­ти ванны и каплях может иметь место значительное насыщение расплавленно­го металла содержащимся в газовой фазе азотом. При охлаждении расплава за счет снижения раство­римости про­исходит значительное пе­ренасыщение сварочной ванны азотом во всем се объеме, тем самым созда­ются предпосылки для выделения газа в виде пузырьков и, как следствие, для возможного образования пор.

Другим негативным моментом повышенного содержания азота в расплавленном металле является образование химических соединений нитридов железа. При температуре ниже 590°С азот, кроме раствора, образует с железом твердое и хрупкое химическое со­единение — нитрид FеN, при этом растворимость азота в железе становится чрезвычайно малой. При температуре 200°С она не превышает 0,005%, при температуре 590°С — 0,1%. Это приводит к тому, что даже при умеренном содержании азота в расплавлен­ном металле и, как следствие, в металле шва можно ожидать по­лучение сварных соединений с пониженными пластическими свойствами. Причиной этого является выделение FeN либо при сварке, либо в течение некоторого времени после завершения сварочных работ в результате распада перенасыщенного твердого раствора азота в железе (старения). Особенно резко, в 3-5 раз. снижается ударная вязкость. Подогрев стали до температуры 200--400°С интенсифицирует процесс старения.

Освобождать качественно расплавленный металл от содержа­щегося в нем азота металлургическими способами не представля­ется возможным. Единственным путем снижения концентрации азота в металле остается повышение надежности защиты зоны сварки от влияния воздуха. С целью уменьшения возможности его поглощения расплавленным металлом в частности следует:

• сварку многими марками электродов вести только корот­кой или предельно короткой дугой;

• не допускать выполнения сварочных работ при скорости воздушного потока в месте сварки более 5^_10 м/с (в зави­симости от вида и марки электрода);

• сборку тавровых соединений производить с минимальным зазором между деталями.

Содержание азота в металле швов, получаемых при ручной дуговой сварке отечественными электродами, составляет 0,01-0,03%.