9.5. Взаимодействие металлов с газами при сварке

В зоне сварки металлы, жидкие или нагретые до температуры, близкой к температуре плавления, встречаются не только с кис­лородом, но и со сложными газами, такими, как СО; СО₂; Н₂О; , получающимися в результате диссоциации карбонатов или газов:

2СО₂ ' 2СО + О₂; 2Н₂О 2Н₂ + О₂; СаСО₃ СаО + СО₂; Me + Н₂О МеО + Н₂; МеО + СН₄ Me + СО + 2Н₂ и т. д.

В результате взаимодействия металлы могут подвергаться окислению или, наоборот, восстановлению в зависимости от тем­пературы и соотношений концентраций компонентов газовой ат­мосферы.

Азот и водород в металлах при сварке плавлением

Нитриды — соединения металлов и других элементов непо­средственно с азотом. Азот, составляющий основную часть воздуха, всегда в какой-то степени участвует в процессах сварки металлов плавлением, и так как его присутствие легко определя­ется методами аналитической химии и спектрального анализа, то по содержанию азота в наплавленном металле судим о степени защиты зоны сварки от окружающей воздушной атмосферы. При высоких температурах азот реагирует со многими элемен­тами.

Такие ме­таллы, как железо, кобальт, никель, образуют малоустойчивые нитриды, разлагающиеся при высоких температурах, но обла­дающие также повышенной твердостью в кристаллическом сос­тоянии. Медь не образует нитридов, и сварку меди можно проводить в атмосфере азота высокой степени чистоты. Образование нитридов железа при сварке низкоуглеродистых конструкционных сталей приводит к выпадению кристаллов

Fe₃N (температура плавления ~ 900 К) при кристаллизации или при распаде твердых растворов. В результате наплавленный ме­талл теряет пластичность, а свар­ное соединение становится склон­ным к образованию горячих и холодных трещин.

Взаимодействие металлов с водородом. Водород образует растворы внедрения с металлами в жидком и твердом состояниях. С некоторыми металлами водород может вступать в соединения-гидриды.

Процесс растворения водоро­да состоит из отдельных стадий:

1. Диссоциация молекул во­дорода на отдельные атомы (, > 0) или возникновение ато­марного водорода в результате разрядки ионов водорода на като­де электролизера, а это тоже про­цесс с затратой энергии.

2. Сорбция атомов водорода и образование раствора .( 0).

3. Образование гидридов с не­которыми металлами ( <0).

Для металлов, не образующих гидридов, растворимость водоро­да будут определять две первые стадии, требующие для своего развития значительных затрат энергии.

Растворенный водород также оказывается нежелательным, так как он резко уменьшает пластичность металлов (стали, медные и алюминиевые сплавы), вызывает пористость в сварных швах и в зоне термического влияния. Так называемая «водородная хрупкость металлов» в настоящее время стала важной техниче­ской и научной проблемой, так как применение упрочненных сталей, обладающих малым запасом пластичности 6, вызывает замедленное разрушение сварных конструкций.

Водород в твердом металле может быть в различных состоя­ниях:

а) диффузионно-подвижный водород, находящийся в состоя­нии твердого раствора внедрения. Он относительно свободен и мо­жет покидать металл, диффундируя к границе раздела и десорбируясь из него при вылеживании», но в легированных сталях этот процесс идет медленно и требует повышенных температур или вакуума. Не десорбируется водород из аустенитных сталей, не обладающих ферромагнитными свойствами. Диффузионно-подвижный водород может участвовать в изотермической диф­фузии, описываемой уравнениями законов Фика (см. п. 8.5), диффузии, вызванной градиентами температур, градиентами ме­ханических («восходящая» диффузия Конобеевского) или элек­трических напряжений («электроперенос»);

б) остаточный водород — водород, адсорбированный на гра­ницах раздела или в зоне скопления дислокаций, уменьшает их подвижность. Диффузионно-подвижный и остаточный водород могут переходить друг в друга. Остаточный водород покидает металл при ~900 К в вакууме;

в) связанный водород, удаляющийся из металла при вакуум­ном плавлении, находится в несплошностях металла (раковины и поры) в молекулярном состоянии. Переход связанного водо­рода в диффузионно-подвижный сильно затруднен, так как про­цесс диссоциации молекул Hz на атомы требует большой затраты энергии.

Общей теории водородной хрупкости, достаточно обоснован­ной, пока еще не существует, потому что водород (точнее про­тон) в твердых металлах ни одним из известных эксперимен­тальных методов не обнаруживается.

Водород в сварных соединениях в силу его большой подвиж­ности в условиях сварочного цикла распределяется неравномер­но и при средней допустимой концентрации водорода могут со­здаваться локальные концентрации (линия сплавления для ме­таллов, не образующих гидридов, или зона термического влияния для гидридообразующих металлов), вызывающие возникнове­ние дефектов сварного соединения (поры, трещины) или его за­медленное разрушение (титановые сплавы и высокопрочные мартенситно-стареющие стали).