Дисоціація СО2.

. (8.9)

CO має відновні властивості. СО 2має окиснювальні властивості. При збільшенні температури та відношення / , а також зменшенні тиску, утворюється окиснювальне середовище. Якщо процес дугового зварювання іде у присутності вуглецю (вугільний електрод), то іде реакція

. (8.10)

При зварюванні у СО 2при Т = 1100 K весь газ буде складатися з СО і у зоні зварювання іде реакція відновлення металу з оксиду

. (8.11)

Окрім дисоціації двох та трьох атомних газів у зоні зварювання іде

процес окиснення азоту

. (8.12)

NO володіє окиснювальними властивостями та може існувати, як у нагрітому, так і в охолодженому металі шва.

8.2.2 Насичення металу газами

У зоні зварювання насичення металу газами може відбуватися:

— у краплях;

— у зварювальній ванні.

Розчинення газу в металі залежить від:

1) тиску у газовій атмосфері: для одноатомних газів розчинення газу у металі пропорційне тиску (закон Генрі), для двоатомних газів розчинення приблизно пропорційне квадратному кореню з тиску газу (закон Сіверста);

2) температури: кількість розчиненого газу визначається

, (8.13)

де a, K — константи;

E — теплота розчинення;

T — абсолютна температура.

Чим більша температура, тим більше розчинність газу;

3) відношення поверхні реакції до об’єму, в якому ця реакція реалізується: чим воно більше, тим більше газу розчинюється в металі. Температура краплі та це відношення більше для каплі, тому насичення металу газами іде переважно у краплі.

Сам процес розчинення газів в металі проходить у вигляді таких стадій:

1. Газ адсорбується на поверхні рідкого металу.

2. Етап хемосорбції — газ взаємодіє у поверхневому шарі з металом з утворенням твердих розчинів, хімічних з’єднань.

3. Відведення продуктів хемосорбції у глиб рідкого металу.

Цей механізм має назву хімічного поглинання газу металом. На процес розчинення газу в металі можуть впливати електричні поля. В зоні активної плями катоду під впливом електричного поля відбувається впровадження позитивних іонів — електричне поглинання.

8.3 Вплив кисню на властивості сталі

Кисень з залізом утворює такі оксиди:

1. Закис заліза

. (8.14)

2. Закис–окис заліза

. (8.15)

3. Окис заліза

. (8.16)

З утворених оксидів розчинюється у залізі лише закис заліза, а решта присутні у вигляді включень, які при підвищених температурах дисоціюють. При температурі 572 °С закис заліза розкладається

. (8.17)

У зварному шві, що закристалізувався, кисень присутній у твердому розчині та у вигляді включень Fe ₃ O ₄. На процес розчинення кисню в залізі впливають легуючі елементи. Значно знижують розчинення кисню у залізі кремній та вуглець. В загальному випадку розчинений у залізі кисень негативно впливає на властивості сталі. Цей вплив зводиться:

— окиснюється залізо;

— окиснюються легуючі елементи, наприклад

, (8.18)

— знижуються механічні характеристики сталі;

— при концентрації кисню більш, ніж 0,08 % виникають cиньо– та червоноламкість сталі;

— знижується стійкість проти корозії;

— підвищується омічний опір;

— знижується магнітна проникливість;

— підвищується схильність до старіння;

— знижується обробка різанням;

— підвищується ріст зерен при перегріві.

8.4 Вплив азоту на властивості сталі

У зварювальній ванні виникають нітриди

, (8.19)

. (8.20)

Цей процес відбувається при Т = 550 – 700 °С. При вищих температурах ці нітриди дисоціюють. У твердому залізі азот може бути присутній у вигляді:

— твердого розчину ;

— Fe 4 N.

Присутність азоту в металі шва здійснює істотний вплив на властивості сталі, а саме:

1. Підвищується міцність, але знижується ударна в’язкість та відносне подовження.

2. Підвищується схильність до старіння, підвищується здібність до загартування, підвищується схильність до синьо– та червоноламкості, знижується магнітна проникливість, підвищується омічний опір.

3. При зварюванні легованих аустенітних сталей азот може частково замінювати нікель для підвищення міцності сталі.

8.5 Вплив водню на властивості сталі

Водень може впливати на властивості сталі позитивно та негативно:

1. Позитивний вплив зводиться до того, що водень має відновні властивості. Він утворює захисну атмосферу та перешкоджає насиченню металу, що зварюється, азотом, киснем та утворенню нітридів, відновлює метал із оксидів.

2. Негативну, тому, що водень який знаходиться в атомарному стані у твердому металі сприяє утворенню пор та тріщин. По відношенню до водню всі металі поділяють на дві групи:

— не утворюючі з воднем хімічних з’єднань (залізо, нікель, алюміній, кобальт, молібден, свинець, мідь та інші);

— утворюючі з воднем тверді розчини та хімічні з’єднання (титан, тантал та інші).

Чим більша температура, тим більше розчиняється водню у залізі. Максимальна розчинність водню при температурі 2400 °С. Водень, що

знаходиться в атомарному стані легко дифундує у металі, накопичується у місцях мікротріщин, пор, де переходить у молекулярний стан, утворюючи надлишковий тиск. В металі можуть іти реакції

, (8.21)

де [ ] — елемент, розчинений у металі.

Наявність молекулярного водню та молекул води за рахунок утвореного ними надлишкового тиску веде до зниження пластичності металу у зонах їх накопичення. Це приводить до розкриття мікротріщин, появі нових тріщин та утворенню пор.

8.6 Вплив СO на властивості сталі

Окис вуглецю СО має відновні властивості. СО здатний утворити захисну атмосферу над зварювальною ванною. СО, який утворюється в середині зварювальної ванни грає негативну роль.

. (8.22)

CO при цьому намагається вийти на поверхню зварювальної ванни. У тому випадку, коли у зоні зварювання кількість марганцю та кремнію недостатня, процес утворення СО іде активно і відбувається процес «кипіння» сталі. Бульбашки СО, що виходять на поверхню, захоплюють з собою сторонні включення та виносять їх у шлак. Якщо утворення СО іде вельми активно, то не всі бульбашки виходять на поверхню і у зварному шві буде знаходитися багато пор.

8.7 Шлаки та їх призначення

Шлаки — це сплав оксидів та солей. Питома вага шлаків повинна бути менша, ніж питома вага металу зварювальної ванни. Шлаки виходять на поверхню, переходять в твердий стан та утворюють шлакову кірку, яку після зварювання необхідно усунути.

Існують дві теорії будови шлаків: молекулярна і іонна.

Відповідно до молекулярної теорії шлаки вважають ідеальним молекулярним розчином, що складається з вільних та зв’язаних оксидів.

Відповідно до іонної теорії шлаки уявляють собою іонні розчини — електроліти, які складаються з аніонів: F –, O 2–, та інші і катіонів металів Na +, Mg +, Fe 2+та інші. Молекулярна теорія не заперечує присутності у шлаках іонів, але відводить їм другорядну роль.

Іонна будова шлаків підтверджується доброю електропровідністю шлаків, яка зростає при підвищенні температури. Це вказує на зв’язок шлаків з електролітами. Але іонна теорія ще повністю не розроблена, тому на цей час використовують молекулярну теорію.

Зварювальні шлаки можуть бути трьох типів:

1) оксидного;

2) сольового;

3) оксидно–сольового.

Зварювальні шлаки виконують наступні функції:

1) захист металу ванни від навколишнього середовища;

2) розкиснювання, рафінування, легування та модифікування зварювальної ванни;

3) забезпечують формування металу шва;

4) утворюють сприятливий тепловий режим (уповільнюють швидкість охолодження);

5) забезпечують необхідну стійкість процесу зварювання.

8.8 Властивості зварювальних шлаків

8.8.1 Хімічні властивості зварювальних шлаків

Хімічні властивості зварювальних шлаків оцінюються за ступенем кислотності (n) або за ступенем основності (1 /n). Ступінь кислотності — це відношення суми молекулярних відсотків кислотних оксидів (SіO 2, TіO 2, P 2 O 5та інші) до суми молекулярних відсотків основних оксидів (MgO, MnO, K 2 O, Na 2 O та інші).

. (8.23)

В шлаках знаходяться амфотерні оксиди, які з кислотами поводять себе як основні оксиди, а з основами — як кислотні оксиди (Al 2 O 3, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3 та інші). Якщо ступінь кислотності більше одиниці, то шлак має кислотні властивості. Ступінь кислотності дає лише орієнтовну оцінку кислотності шлаку.

У шлаковій фазі ідуть реакції, які мають вигляд

. (8.24)

Константа рівноваги цієї реакції

. (8.25)

Чим менша температура, тим більша константа рівноваги, тим більше у шлаках знаходиться комплексних з’єднань у вигляді шпінелів.

8.8.2 Фізичні властивості зварювальних шлаків

Усі шлаки поділяються на короткі і довгі.

Короткі зварювальні шлаки швидко твердіють зовні, залишаючись рідкими збоку металу зварювальної ванни. Це утворює сприятливі умови для виходу газів та якісного формування металу шва. Для коротких шлаків ступінь кислотності менше одиниці.

У довгих зварювальних шлаках перехід із рідкого стану у твердий відбувається у декілька етапів:

— рідкий стан;

— густий стан;

— тістоподібний стан;

— твердий стан.

Ці шлаки більш в’язкі, повільніше твердіють, утворюють гірші умови для формування металу шва. Для них ступінь кислотності більше одиниці.

Фізичні властивості зварювальних шлаків оцінюють:

1. Тепловими константами (теплоємність, тепломісткість, прихована теплота плавлення, температура розм’якшення та температура переходу до рідкого стану). Зварювальні шлаки відносять до аморфних тіл, тобто перехід від рідкої фази до твердої відбувається у деякому температурному інтервалі.

2. Густиною. Чим вона більша, тим гірші умови для формування металу шва.

3. В’язкістю та її зміною зі змінюванням температури. Чим більша в’язкість, тим гірші умови для формування металу шва. Всі зварювальні шлаки мають велику в’язкість і цим пояснюється їх схильність до переохолодження. Від в’язкості шлаку залежить його активність. Чим більша в’язкість, тим менша активність.

4. Газопроникністю. Вона залежить від в’язкості шлаку. Чим вона більша, тим менша газопроникність. Це веде до того, що у зварювальній ванні залишаються бульбашки газів, а між шлаком та металом зварювальної ванни накопичуються гази, які утворюють надлишковий тиск. Тому для твердого металу шва характерна наявність пор, а на поверхні — вм’ятин, штрихуватостей, побитостей. Для зниження в’язкості у зварювальний шлак впроваджують розріджувачі (CaF, TіO 2, K 2 O, КСl та інші).

5. Відділенням шлакової кірки від металу шва. Вона визначається здатністю шлаку до окиснення. Якщо у шлаку знаходиться велика концентрація FeO, а на поверхні металу, що за кристалізувався, знаходиться плівка FeO, яка має кубічну кристалічну гратку, тобто таку ж як і у сталі, що зварюється, тому такий шлак дуже міцно зчеплений з поверхнею металу шва.

8.9 Властивості основних оксидів шлакової фази

SіO 2— сильний кислотний оксид, у якого температура плавлення 1710 °C та густина 2,3 г×см–3. У реакціях з основними оксидами утворює силікати. Підвищує в’язкість шлаку, робить його довгим. SіO₂ не розчиняється у металі шва.

MnO — основний оксид, у якого температура плавлення 1600 °C та густина 4,7 г×см–3. Незначно зменшує в’язкість шлаку, не розчиняється у металі, зв’язує сірку у сульфіди марганцю, та переводить її із металу зварювальної ванни у шлак.

FeO — основний оксид, у якого температура плавлення 1370 °C та густина 5,9 г×см–3. Розчиняється у металі шва. Вступає в обмінні реакції з елементами, які володіють більшою спорідненістю до кисню.

TіO 2— кислотний оксид, у якого температура плавлення 1850 °C та густина 4,2 г×см–3. Не розчиняється у металі. З основними оксидами утворює титанати, знижує в’язкість шлаку.

CaO — сильний основний оксид, у якого температура плавлення
2570 °C та густина 3,4 г×см­–3. Зв’язує сірку та фосфор і переводить їх у шлак. Не розчиняється у металі шва та сильно підвищує в’язкість шлаку.

Al 2 O 3— амфотерний оксид, у якого температура плавлення 2050 °C та густина 3,6 г×см–3. Утворює шпінелі, не розчиняється у металі шва, підвищує в’язкість шлаку.

8.10 Взаємодія між розплавленим металом, газовим

середовищем та шлаком

Між цими фазами виникає складний комплекс фізико–хімічних процесів, головними із яких є:

1. Окиснення та розкиснення.

2. Легування.

3. Рафінування.

4. Модифікування.

Крізь флюс здійснюється модифікування металу зварювальної
ванни — це покращення первинної структури металу шва (утворення нових зерен, упорядкування структури). Основними модифікаторами є титан, ніобій, ванадій, цирконій.

Між фазами відбуваються процеси масообміну. Кількість елементу у металі шва визначається за допомогою рівняння матеріального балансу елемента до та після зварювання

, (8.26)

де , , , , — маса, відповідно електродного

металу, основного металу,

флюсу, шва, шлаку;

, , , , — концентрація елементу,

відповідно в електродному

металі, основному металі,

флюсу, шві, шлаку.

, (8.27)

де — відносна маса шлаку, що взаємодіє з металом шва.

, (8.28)

де L — константа розподілення елементу між шлаком та металом

шва.

, (8.29)

де — частка електродного металу, що приймає участь в утворенні

металу шва.

, (8.30)

де — частка основного металу, що приймає участь в утворенні

металу шва.

. (8.31)

Відносна маса шлаку , що взаємодіє з металом шва (коефіцієнт ефективності масообміну), визначається експериментально за методом елементів–свідків. У флюс вводять 1–2 % елементів–свідків (нікель, мідь, благородні метали). Після зварювання визначають концентрацію цього металу у металі шва. Згідно цього відносна маса шлаку, що взаємодіє з металом шва буде визначатися за формулою (8.32).

. (8.32)

Відносна маса шлаку, що взаємодіє з металом шва, залежить від фізичних властивостей шлакової основи флюсу (рідкоплинність), а також від гідродинамічних обставин у реакційній зоні зварювання, що визначається величиною струму зварювання та напруги, величиною та напрямком електромагнітних сил і газових потоків.

Константу розподілення L визначають через константу рівноваги реакції чи експериментально.

8.11 Окиснювальні процеси

В реакційній зоні зварювання відбувається окиснення металу.

Оксиди можуть бути:

1. Розчинні у металі шва.

2. Не розчинні у металі шва.

У першому випадку оксиди утворюють розчини з підвищеним вмістом кисню, а це значно погіршує властивості металу шва.

Оксиди, що відносяться до другої групи, присутні у вигляді окремих фаз і легко відводяться у шлак. Сам процес окиснення металу у зварювальній ванні може іти по трьом схемам:

1. Пряме окиснення

. (8.33)

2. Окиснення нижчих оксидів до вищих (див. пункт 8.3).

3. Окиснення в результаті обмінних реакцій

. (8.34)

Кисень передається металу зварювальної ванни повітрям, вуглецевим

газом, карбонатами, вищими оксидами, які дисоціюють, виділяючи вільний кисень.

8.12 Розкиснювальні процеси

Це процес звільнення металу з його оксидів. Елементи, що звільняють метал з його оксидів мають назву розкиснювачі (алюміній, титан, марганець, вуглець, кремній, хром, тощо). Крім розкиснювання розкиснювачами, розкиснення може іти дифузійним шляхом.

8.12.1 Розкиснення з утворенням конденсованих продуктів

реакцій (на прикладі сталі)

Розкиснення протікає з утворенням нового оксиду розкиснювача, що переводиться у шлак, а відновлений метал переходить у зварювальну ванну.

В загальному випадку реакція розкиснення заліза має вигляд

, (8.35)

, (8.36)

де К с — константа рівноваги.

Для сталі , тоді

. (8.37)

Можна рахувати, що концентрація = const і включити її в константу рівноваги. Тоді

. (8.38)

Чим більша концентрація розкиснювача, тим менша концентрація оксидів у металі.

Використовуючи формулу (8.38) та задаючись концентрацією закисі заліза у зварювальній ванні, визначають необхідну кількість розкиснювача.

Властивості розкиснювачей:

1. Кремній. Температура плавлення 1440 °C, густина 2,4 г×см–3. Окиснюється до SіO 2, не розчиняється у воді, схильний до утворення комплексних сполук, які переводяться у шлак. Чим більша концентрація Sі, тим інтенсивніше процес розкиснення і чим нижча температура, тим більш розкиснююча спроможність кремнію.

2. Марганець. Температура плавлення 1244 °C, густина 7,5 г×см–3. При взаємодії з киснем утворює відносно сильний основний оксид, який не розчинний у металі. MnO утворює з FeO нерозривний ряд розчинів як у рідкому, так і у твердому стані. Чим більша концентрація марганцю і чим нижча температура, тим більша його розкиснююча спроможність.

3. Титан. Температура плавлення 1660 °C, густина 4,5 г×см–3. Є більш сильнішим розкиснювачем, ніж марганець та кремній. Утворює TіO 2, який не розчиняється у воді, з оксидами металу утворює титанати, які переводяться у шлак. При взаємодії з азотом утворює нітриди. Хороший модифікатор.

4. Алюміній. Температура плавлення 658 °C, густина 2,7 г×см–3. Один з найсильніших розкиснювачів. Утворює амфотерний оксид Al 2 O 3, процес розкиснення супроводжується звільненням великої кількості тепла, що додатково підігріває зварювальну ванну. Al 2 O 3погано виходить на поверхню, часто знаходиться у вигляді включень у зварному шві. Алюміній взаємодіє з азотом з утворенням нітридів.

8.12.2 Розкиснення з утворенням газоподібних продуктів

реакцій

Розкиснення вуглецем. Може іти у два етапи.

Перший етап

. (8.39)

Другий етап

. (8.40)

CO при великих температурах стійкий, тому вважають, що процес розкиснення обмежується реакцією (8.39), константа рівноваги якої буде визначатися згідно формули (8.41).

. (8.41)

Так, як , то

, (8.42)

де рСО — парціальний тиск CO.

Якщо зварювання проводиться при нормальних атмосферних умовах, то рСО = 1 атм і

. (8.43)

З формули (8.43) бачимо, що чим вища концентрація вуглецю, тим менша концентрація FeO, тим активніше іде процес розкиснення, але введення великої кількості вуглецю у зварювальну ванну може привести до кипіння сталі і зниженню технологічної міцності.

Дата добавления: 2015-07-08