9.4. Раскисление металла сварочной ванны

Восстановление металла сварного соединения требует удале­ния кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жид­ком состоянии.

Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осу­ществить несколькими путями:

1. Извлечение его более активными металлами — раскисление осаждением.

2. Восстановление металла газовой атмосферой, контактиру­ющей с металлом сварочной ванны.

3. Извлечение оксидов из металлической ванны путем обра­ботки ее шлаками.

Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с разным успехом. Так, для металлов с высокой термодинамической устойчивостью оксидов (титан и алюминий) эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного сварного соеди­нения из этих металлов необходима по возможности полная изо­ляция их от окисляющей атмосферы (инертные газы, вакуум).

РАСКИСЛЕНИЕ ОСАЖДЕНИЕМ

Возможность реализации этого метода заключается в том, что металлы очень ограниченно растворяют свои оксиды и свои суль­фиды, а оксиды и сульфиды других металлов практически не растворяют. Тогда возможен процесс:

[МеО] + [Э] Me + ЭО.

Здесь ЭО — эндогенное шлаковое включение.

В качестве раскислителей берут активные элементы: марга­нец, кремний, алюминий, титан, редкоземельные металлы (РЗМ), у которых большое сродство к кислороду, зависящее от темпера­туры и концентрации.

Раскисление сталей при сварке ведут путем легирования сварочной ванны элементами с большим сродством к кислороду: марганцем, кремнием, титаном, алюминием. Эти элементы вводят или из электродной проволоки, или из покрытия электродов, или из сварочных флюсов в результате обменных реакций.

Раскисление сталей хорошо изучено и для них существуют уравнения констант равновесия, полученные экспериментально А. М. Самариным:

Решения приведенных выше уравнений для постоянной тем­пературы дают гиперболические зависимости между равновес­ными или остаточными массовыми концентрациями кислорода и раскислителя в металле — для уравнения (9.29) простая, а для уравнений (9.30)... (9.32) — степенные гиперболы.

Графики этих зависимостей приведены на рис. 9.16. Малая активность марганца как раскислителя создает большие оста­точные концентрации марганца в металле, но они не влияют на механические свойства стали (до 1 %). При высоких температурах и достаточно малых концентрациях Мп остаточная концентрация кислорода превышает предел концентрации насыщенного раство­ра , которая показана на рис. 9.16 штриховой линией. Несмотря на малую раскислительную активность, марга­нец широко применяется в сварочной металлургии, так как кроме кислорода он извлекает из жидкого металла серу, переводя ее в MnS, плавящийся при 1883 К, поэтому при кристаллизации ме­талла шва влияние легкоплавкой сульфидной эвтектики пони­жается и повышается сопротивление металла образованию горя­чих трещин. Обобщенная диаграмма плавкости Me — S для железа, кобальта и никеля приведена на рис. 9.17, указаны температуры плавления сульфидных эвтектик, лежащих ниже температур кристаллизации стали, никеля и кобальта.

Углерод, всегда присутствующий в стали, также можно рас­сматривать как раскислитель:

(9.33)

Рис. 9.16. Изотермы раскисления железа марганцем (а), кремнием (б), титаном (в) и алюминием (г)

Реакция между углеродом и оксидом железа эндотермичная и поэтому углерод будет выступать как раскислитель только при высоких температурах — в каплях электродного металла или в сварочной ванне в основании дугового разряда, что приводит к выгоранию углерода при сварке сталей плавлением.

Кремний — более активный раскислитель стали и для него характерны малые остаточные концентрации кисло­рода в металле. При высоких темпера­турах активность Si как раскислителя уменьшается и он сам может восстанав­ливаться марганцем и даже железом.

При сварке титана и алюминия — металлов очень высокой химической активности — раскисление осаждением невозможно, поэтому их сварку осуществляют с внешней защитой от окру­жающей среды — в инертных газах, в вакууме или под флюсами, не содержащими кислородных соединений.

Большой недостаток процесса раскисления осаждением — образование эндогенных неметаллических (шлаковых) включе­ний, образующихся по реакции:

[МеО] + [Э] Me + (ЭО),

так как оксиды других элементов обычно не растворяются в ос­новном металле. Эти включения представляют собой концентра­торы напряжений и могут снижать как прочностные, так и плас­тические свойства наплавленного металла, особенно если они будут иметь неправильную форму с малыми радиусами кривизны. Чтобы избежать этого, вводят не один раскислитель, а два или более (например, Мп и Si одновременно), с тем чтобы их оксиды взаимно понижали температуры плавления и включения имели глобулярную форму. Исследования содержания кислорода методом вакуумной экстракции в наплавленном металле показали, что основная масса кислорода заключена в таких шлаковых вклю­чениях.