11 декабря 2020 года

 Группа 303

 Предмет :"Основы технологии сварки  и сварочное оборудование"

 Тема занятия :"Процессы окисления , раскисления , рафинирования и легирования металла шва : их сущность, влияние на соста

Металлургические процессы и основные реакции при сварке

только в текущем разделе  ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ В ЗОНЕ СВАРКИ При ручной дуговой сварке электродами с толстым слоем покрытия химические реакции между металлом, шлаком и газами дуги протекают в момент перехода капель расплавленного металла электрода и покрытия через дуговой промежуток при температуре 2100—2300° С. Дальнейшие химические и физические процессы протекают в сварочной ванне. При сварке под флюсом основные химические реакции происходят только в сварочной ванне под слоем расплавленного флюса. Рассмотрим основные реакции в зоне сварки для стали, как наиболее распространенного металла, подвергаемого сварке. Окисление. Кислород является наиболее вредной примесью в зоне сварки, так как окисляет элементы, входящие в состав металла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соединения — окислы. Окисление элементов в основном происходит за счет кислорода, содержащегося в газах и шлаках сварочной зоны. В меньшей степени окисление может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (окалины, ржавчины). При случайном увеличении длины дуги капли электродного металла могут окисляться кислородом окружающего воздуха. С железом кислород образует три окисла: При окислении сперва образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношение кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись железа. При окислении железа в процессе сварки основное значение имеет закись железа, так как только она способна растворяться в жидком металле. Когда содержание кислорода в стали достигнет 0,035%, избыточный кислород будет выделяться из раствора в виде закиси-окиси железа и располагаться между зернами металла. В общем виде реакцию между элементом металла и кислородом можно выразить следующей формулой где Me — масса элемента металла; О2 — масса кислорода; m и n — численные коэффициенты формулы химической реакции. Стрелки указывают направление реакции: направо — окисление, налево — восстановление металла из его окисла (раскисление) . Химические реакции в зоне сварки протекают не до конца, а до некоторого равновесного состояния между исходными веществами и продуктами реакции. Равновесное состояние характеризуется одновременным присутствием в зоне реакции как свободного металла, так и его окисла в определенных соотношениях. Состояние равновесия зависит в первую очередь от количеств (концентрации) реагирующих веществ, температуры и давления в зоне реакции. Равновесное состояние определяется величиной константы равновесия, вычисляемой по формуле где Me и О — содержание в % массы элемента (Me) и кислорода (О) в зоне реакции; m ип — численные коэффициенты формулы реакции. Величина константы равновесия позволяет определить направление реакции. Чем больше произведение концентраций вступающих в реакцию веществ (т. е. числитель в формуле константы равновесия) по сравнению с равновесной и чем меньше концентрация продуктов реакции (т. е. знаменатель в формуле константы) по сравнению с равновесной, тем энергичнее будет протекать реакция вправо в сторону окисления. При обратном соотношении, когда подсчитанная константа будет меньше равновесной, реакция пойдет влево и будет происходить восстановление металла из его окислов. Кроме соотношения концентраций реагирующих веществ на направление реакции сильно влияет ее температура, поэтому сравнение производят для одинаковых температур в зоне реакции. Концентрации реагирующих веществ определяют только направление реакции. Возможность же данной реакции обусловлена химическим сродством участвующих в ней веществ, в данном случае сродством к кислороду. При наличии в свариваемом металле нескольких элементов они начинают окисляться все одновременно, но те элементы, у которых сродство к кислороду при данной температуре больше, будут окисляться интенсивнее и полнее. При сварке стали в первую очередь окисляется железо, являющееся основным элементом. Другие элементы окисляются тем быстрее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом. По степени уменьшения химического сродства с кислородом элементы могут быть поставлены в следующий ряд: алюминий, титан, кремний, марганец, хром, молибден, железо, никель, медь. Углерод при повышении температуры увеличивает активность к кислороду и при 1700° С превышает своей активностью титан, а при 2100° С — алюминий. По мере уменьшения в зоне реакции концентрации элементов, обладающих большим сродством к кислороду, скорость их окисления падает. Соответственно возрастает скорость окисления других элементов, обладающих меньшим сродством с кислородом, которые начинают выгорать более интенсивно до тех пор, пока их концентрация не уменьшится до равновесной и не прекратится реакция окисления. Такой процесс последовательного увеличения скорости окисления отдельных элементов продолжается до тех пор, пока концентрации всех элементов не будут соответствовать равновесным, после чего процессы окисления металла в сварочной ванне прекратятся. При сварке стали окисление железа может происходить также под действием кислорода газов: СО, С02 и паров воды Н20 по реакциям: Марганец и кремний, обладающие высоким сродством к кислороду, могут интенсивно выгорать при сварке стали. Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:   При нагреве ржавого металла присутствующая в ржавчине влага испаряется, а содержащийся в ней кислород окисляет свариваемый металл. Если кромки покрыты окалиной, то последняя при плавлении переходит в закись железа (FeO) с выделением кислорода. Кислород закиси железа и выделившийся из окалины свободный кислород также окисляют металл шва. Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь, сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород снижает стойкость металла против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.   Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков, а также раскислением металла шва. Раскисление. Процесс удаления кислорода из наплавленного металла с целью повышения его качества называется раскислением. Реакции раскисления выражаются тем же уравнением, что и окисления, но протекают в обратном порядке, т. е. справа налево. Раскисление осуществляется или взаимодействием между наплавленным металлом и шлаком, или путем введения в сварочную ванну элементов — раскислителей, обладающих большим сродством с кислородом, чем железо. Благодаря защите расплавленного металла газами, шлаками и раскислению содержание кислорода в наплавленном металле при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом очень невелико и практически составляет 0,005—0,060%. При сварке же электродами с тонким (меловым) покрытием содержание кислорода в металле шва много выше и может достигать 0,25%. Для сравнения укажем, что содержание кислорода в электродной проволоке не превышает 0,018%. Раскислители вводят в состав сварочной проволоки или электродных покрытий и флюсов, откуда они поступают в сварочную ванну. Рассмотрим некоторые наиболее типичные реакции раскисления. Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:   Образующиеся при этом двуокись кремния (Si02) и закись марганца (МпО) плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Закись марганца способна растворять в себе до 60% закиси железа, выводя таким образом основное количество FeO в шлак. Закись железа, закись марганца и двуокись кремния по химическим свойствам являются основаниями и могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2Fe0-Si02, 2Mn0•Si02 (силикаты) и 2FeO • Ti02 (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в шлаке, что способствует очистке металла от указанных окислов. Окислы по химическим свойствам могут быть кислые и основные. К кислым относятся: двуокись кремния (Si02) и двуокись титана (Ti02). К основным — окись кальция (СаО), закись железа (FeO), закись марганца (МпО), окись натрия (Na20), окись калия (К20) и окись магния (MgO). Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы, то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флюсы, называются кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов, наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными. При использовании кислых покрытий и флюсов для сварки сталей с повышенным содержанием кремния, хрома и марганца окислы этих элементов могут оставаться в металле шва, увеличивая содержание в нем кислорода, что приводит к снижению ударной вязкости. Поэтому для сварки таких сталей лучше использовать основные покрытия и флюсы. Основные покрытия и флюсы дают основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (СаО), которая не может отнимать кислород от окислов металла. Поэтому для раскисления наплавленного металла в основные покрытия и флюсы вводят ферросплавы: ферросилиций и ферротитан. В этом случае главными реакциями раскисления при основных покрытиях и флюсах будут — раскисление кремнием: 2Fe0 + Si=2Fe + Si02 и раскисление титаном: 2FeO + Ti = 2Fe + TiO2 Эти реакции протекают без газообразования, и сварочная ванна остается спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высокими механическими свойствами. Раскисление углеродом. С кислородом окислов углерод взаимодействует главным образом в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны. Раскисление углеродом происходит по реакции FeOMeT +Смет = FeMеT + СОатм Образовавшаяся газообразная окись углерода (СО) выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия иногда называют кипящими. Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление будет происходить преимущественно за счет углерода с образованием СО, избыточное количество которой не успевает выделиться из твердеющего металла и остается в нем, образуя газовые поры. Для получения плотного беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания кремния до 0,2—0,3% в металле сварочной ванны. При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор. Раскисление алюминием. Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (А1203) не растворима в жидком металле и медленно переходит в шлак. Кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает пористость шва. Поэтому алюминий как раскислитель при сварке стали применяется редко и вводится в металл шва только тогда, когда нужно уменьшить (подавить) реакции окисления других легкоокисляемых элементов, например титана, но имеющих меньшее сродство с кислородом, чем алюминий. Влияние азота. Азот поглощается расплавленным металлом из окружающего воздуха. Под действием высоких температур сварочной дуги азот частично переходит в атомарное состояние и растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения сварочной ванны азот выделяется из раствора и, взаимодействуя с металлом и его окислами, образует химические соединения, называемые нитридами: Fe2N, Fe4N, MnN, SiN. Нитриды в стали повышают ее прочность и твердость, но сильно уменьшают пластичность. Поэтому азот является вредной примесью в наплавленном металле. Наибольшее насыщение металла азотом дает дуговая сварка длинной дугой и голыми электродами (до 0,2% N2), наименьшее — сварка под флюсом (0,002% N2). При сварке покрытыми электродами содержание азота в металле шва может достигать 0,02— 0,05%. С увеличением тока содержание азота в наплавленном Металле уменьшается. Увеличение содержания углерода и особенно марганца в присадочной проволоке или покрытии электрода значительно снижает содержание азота в наплавленном металле. При газовой сварке содержание азота в металле незначительно и составляет 0,015—0,02%. Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. Она образует сернистое железо (сульфид железа FeS), которое имеет температуру плавления 1193° С, т. е. более низкую, чем сталь. Поэтому при кристаллизации стали сернистое железо остается еще в жидком виде в прослойках между кристаллами сплава и является одной из причин образования горячих трещин при сварке. Серу удаляют введением марганца, который образует с ней химическое соединение — сернистый марганец (MnS) по реакциям: FeS + Mn = MnS + Fe FeS + МпО = MnS + FeO Сернистый марганец не растворяется в жидком металле и полностью переходит в шлак. Удалению серы способствует также окись кальция; при этом происходит реакция FeS + СаО = FeO + CaS Влияние фосфора. Присутствие фосфора вызывает неоднородность металла шва, рост зерен и снижение пластичности, особенно при низких температурах (хладноломкость). Он присутствует в металле шва в виде фосфидов железа Fe3P и Fе2Р. Удаление фосфора происходит при реакциях: Получаемые соединения фосфора переходят в шлак. Основные шлаки лучше удаляют фосфор из металла, чем кислые. Влияние водорода. Водород является вредной примесью в стали. При температуре дуги молекулы водорода распадаются (диссоциируют) на атомы, а атомы водорода способны хорошо растворяться в наплавленном металле. При остывании и затвердевании металла атомы водорода вновь соединяются в молекулы, которые собираются в отдельных местах шва, образуя газовые пузырьки. Водород не всегда успевает полностью выделиться из металла и вызывает появление в нем пористости, мелких трещин и флокенов. Сталь с флокенами является хрупкой, в изломе флокены имеют вид светлых пятен и не выявляются обычными методами контроля сварных швов без разрушения. Источником насыщения металла водородом является влага, содержащаяся в электродном покрытии, флюсах и окружающем воздухе или находящаяся на поверхности свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Кроме того, водород содержится в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках металла. Атомы водорода несут в себе отрицательный заряд и поэтому при сварке на постоянном токе прямой полярности стремятся к аноду, которым в данном случае является свариваемый металл. При такой сварке металл насыщается водородом больше, чем при сварке постоянным током обратной полярности, когда свариваемый металл является катодом, и отталкивает атомы водорода. При сварке на переменном токе металл в большей степени насыщается водородом, чем при сварке постоянным током обратной полярности, Это обусловлено тем, что при сварке на переменном токе в момент перехода тока через нулевое значение жидкий металл не защищен действием электрического поля дуги и доступен для растворения в нем атомов водорода.

в и свойства металла шва"