Карбидообразование железа и других металлов может происходить:

• непосредственно: Ме + С ↔ МеС;

• в атмосфере СО и СО2: Ме + 2СО ↔ МеС + СО2

• в атмосфере углеводородов: Сn Hm + Me ↔ MeC + C_n-1Hm

Карбиды образуют почти все металлы, но они обладают различными свойствами.

1. Карбиды с кубической кристаллической решеткой – наиболее тугоплавкие и устойчивые TiC, ZrC, VC, NbC, T₀C, Cr₂₃C₆;

2. Карбиды с гексагональной решеткой MoC, W₂C, WC, Ni₃C, Cr₇C₂, …;

3. Карбиды с ромбической решеткой Cr₃C₂, Mo₂C, Mn₃C, Fe₃C.

Образование интерметаллидов

Наряду с карбидным упрочнением эффективным путем повышения жаропрочности сталей является интерметаллидное упрочнение. Например γ^' фаза: Ni3Ti (модификация с кубической решеткой), Fe3Ti, Ni3Al, Ni3(TiAl).

Интерметаллиды аналогично карбидам растворяются при высоких температурах и выделяются при охлаждении. То есть, интерметаллидная фаза тоже чувствительна к термическому циклу сваривания и это надо учесть при разработке режимов сварки.

25. Взаимодействие металлов со шлаками при сварке

Сварочные шлаки осуществляют также функции:

1. защита жидкого металла от контакта с воздухом;

2) проведение процессов раскисления, легирование и рафинирование металла;

3) улучшение теплового режима сварки путем снижения скорости охлаждения металла;

4) поддержание устойчивости процесса сварки;

5) обеспечение правильного формирования металла шва.

1. Состав и свойства шлаков

Шлаки представляют собой сплав различных оксидов и солей, который имеет пониженный по сравнению с жидким металлом удельный вес и, поэтому, располагается в основном на поверхности металлической ванны.

1. Химические свойства шлака определяются степенью кислотности:

(4.20)

1. кислый при n > 1;

2. основной при n < 1 – раскисляющее действие, т.е. перевод из сварочной ванны в шлак растворенных в ней окислов металлов.

(МеО)осн + (МеО)кисл ↔ (МеО)осн ·(МеО)кисл (4.21)

2. Физические свойства шлаков.

1) Температура плавления Тпл.шл.. Для шлаков нет резкой границы от твердого состояния к жидкому. За температуру плавления условно принимают температуру, при которой шлак начинает растекаться по поверхности свариваемого изделия. Оптимальная температура плавления шлака должна быть немного ниже температуры солидуса твердого сплава (для стали – ниже на 200-300^о). Если Т_пл.шл > Т_опт, то шлак растекается не полностью и плохо защищает сварочную ванну, если Т_пл.шл < Т_опт, то шлак сильно растекается, оставляя свариваемые кромки незащищенными.

2) Вязкость η.

Рис. 4.5. Зависимости вязкости шлаков от температуры:

1 – «короткий» шлак η (1200 – 1400°) ≈ const; 2 – «длинный» шлак

Длинные шлаки обычно кислые, силикатные не кристаллизуются, а переходят в стекловидную аморфную массу. Они менее активны по отношению к металлу и отличаются худшими формирующими свойствами.

3) Коэффициент поверхностного натяжения – чем меньше коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкий металл – шлак, тем лучше формируется сварной шов.

4) Плотность – чем ниже плотность, тем лучше удаляется шлак из сварочной ванны.

5) Газопроницаемость – способность пропускать выделяющиеся из металла газы. Если у шлаков плохая газопроницаемость, то на поверхности металла создается повышенное давление газов, препятствующее их дальнейшему выделению, приводя к пористости в сварном шве. Густые шлаки обладают плохой, а маловязкие подвижные шлаки – высокой газопроницаемостью.

6) Электропроводность – играет положительную роль (при ЭШС), и отрицательную роль (при сварке под флюсом и при сварке покрытым электродом), поскольку шунтируется ток дуги.

Для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, быстрозатвердевающие шлаки – короткие, основные шлаки.

2. Взаимодействие между расплавленным металлом,

шлаком и газовой средой

Функцией флюсов или электродных покрытий, используемых при электродуговой сварке, кроме защиты дуги и сварочной ванны, является металлургическая обработка металла шва: его раскисление, легирование, модифицирование и рафинирование. Кроме операции раскисления металла, вызванного активными окислительными процессами, при дуговой сварке, необходима компенсация потерь полезных примесей, очистка от вредных примесей (серы и фосфора) и введение специальных добавок – модификаторов для управления структурой первичной кристаллизации.

Окислительные процессы

При сварке возможны три основных вида окисления металла и шлака.

1. Прямое окисление: Ме + 1/2О₂ ↔ МеО (4.21)

2. Окисление низших окислов до высших: МеО + О ↔ МеО₂ (4.22)

3. Окисление на основе обменных реакций:

Ме₁ + Ме₂О ↔ Ме₁О + Ме₂ (4.23)

На направление реакции помимо внешних условий существенно влияют концентрация веществ и сродство к кислороду.

3. Раскисление металла при сварке

Для раскисления необходимо применять элементы – раскислители, обладающие высоким сродством к кислороду, энергично связывающие кислород и освобождающие металл от оксида.

В жидком железе кислород присутствует в виде растворенной закиси FeO.

К числу раскислителей, образующих нерастворимые оксиды, всплывающие в шлак, относятся Аl, Ti, Si, Mn и др.

m[FeO] + n[Pa] ↔ [Pa_nO_m] + m[Fe]. (4.24)

Поскольку [Fe] ≈1,и [Pa_nO_m] – const (удаляются в шлак), то

[FeO]^m = K^’_c^’/[Pa]ⁿ – гипербола. (4.25)

Рис. 4.6. Зависимости содержания FeO от содержания Mn в стали

Для определенных температур установлены зависимости между концентрациями раскислителя [Pa] и закиси железа [FeO]. Тогда, задаваясь допустимым содержанием [FeO], определяют требуемую концентрацию раскислителя в металле.

Процессы раскисления экзотермичны, т.е. выделяется тепло:

3FeO + 2Al ↔ 3Fe + Al₂O₃ + 780 кДж/моль; (4.26)

2FeO + Si ↔ 2Fe + SiO₂ + 262,5 кДж/моль; (4.27)

FeO + Mn ↔ Fe + MnO + 100 кДж/моль. (4.28)

Твердая фаза оксидов всплывает в соответствие с законом Стокса:

ω = 2/9 r²*g*(ρ₁ – ρ₂)*1/μ, (4.29)

где: ω – скорость всплытия;

r – радиус твердой частицы;

g = 9,81 см/сек² – ускорение свободного падения;

ρ₁ – плотность среды;

ρ₂ – плотность частицы;

μ – динамическая вязкость [г/см·сек]

Чем крупнее частица, тем легче ей всплыть.

Раскисление углеродом при сварке происходит только до образования окиси углерода СО, т.к. при высоких температурах она очень устойчива, а устойчивой формой оксида железа будет FeO:

[FeO] + [C] ↔ [Fe] + CO↑ (4.30)

Константа равновесия К_с = [CO]·[Fe]/[FeO]·[C], считая СО удаляется в атмосферу, а [Fe] →1, получим:

[FeO] = K^’_c/[C]. (4.31)

Рис. 4.7. Зависимость содержания FeO от содержания С в стали

С ростом температур раскисляющая способность углерода повышается.

Ограниченное применение углерода как раскислителя:

1) возможность образования пор в металле шва, особенно на участках, кристаллизующихся в последнюю очередь и сильно насыщенных углеродом;

2) возможность недопустимого повышения содержания углерода в металле шва.

При диффузном раскислении закись железа FeO удаляется из металла в шлак путем диффузии, поэтому ванна жидкого металла спокойна, а все химические процессы совершаются на границе «металл – шлак» и в самом шлаке. Само раскисление происходит медленно. Лишь при каплеобразовании и каплепереносе в дуговом промежутке диффузионное раскисление более заметно, т.к. этому способствует высокая температура, перемешивание металла капли и непрерывно возобновляемый контакт со шлаком.