Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

 

НАЗАД: 4.2.1. Пути насыщения металла газом при сварке

 

4.2.2. Влияние кислорода на свойства металла

 

Кислород растворим в большинстве металлов. В титане, никеле, меди, железе растворимость его ограничена. При достижении максимальной растворимости дальнейшее насыщение металла кислородом происходит за счет образования оксидов. С железом кислород образует три оксида:

FeO – закись, которая растворима как в металле, так и в шлаке;

Fe3O4 – закись-окись и Fe2O3 – окись.

При высоких температурах образуется FeO.

Алюминий и магний не растворяют кислород, но очень сильно с ним взаимодействуют с образованием оксидов, препятствующих образованию качественных сварных соединений (температура плавления алюминия и магния – 658 и 660 0С соответственно, а окислов – 2050 и 2800 0С).

Растворимость кислорода в железе следующая:

 

Т, 0С

20

1530

1800

2500

[O], %

0,035

0,16 (0,22)

0,5

2,0 (~ 10 % FeO)

 

Содержание кислорода в сталях порядка 0,001 % соответствует 1,4 см3/(100 г металла). Исходное содержание кислорода в сталях – от 0,02 % до 0,05 %.

Легирующие элементы (Mn, Si, Ti, Al и др.) уменьшают растворимость кислорода, так как являются раскислителями и создают на поверхности металла пленку нерастворимых окислов, защищающую металл от кислорода.

 При охлаждении ниже 572 0С по границам зерен выделяется Fe3O4, образуется оксоферрит – метастабильный раствор, имеющий некоторое количество кислорода в a-Fe. В дальнейшем это приводит к старению сплава.

Влияние кислорода на свойства малоуглеродистой стали показано на рис. 41,а. С повышением содержания кислорода в сталях повышается температура хладноломкости металла, растет величина зерна, что в свою очередь, приводит к склонности кислотостойких сталей к образованию горячих трещин.

 

Рис.41. Влияние кислорода на механические свойства сталей:

а -  малоуглеродистых; б -  хромоникельмолибденовых при Т = 350 0С

 

В малоуглеродистых сталях при содержании кислорода более 0,08 % наблюдается красноломкость и хладноломкость. Влияние кислорода на свойства низколегированных теплоустойчивых сталей приведено на рис. 41,б.

Для низколегированных сталей ухудшение свойств металла наблюдается при эквиваленте фосфора Рэкв > 0,08 %:

 

[Рэкв] = [O] + 0,8[S] + 0,7[P];           (4.3)

 

где O, S и Р – означают процентное содержание данных элементов в стали. Для низколегированных теплоустойчивых сталей ударная вязкость в зависимости от содержания этих элементов определяется следующим уравнением:

 

KCV = 9,8 (28,8 – 120 [O] – 96 [S] – 86[P]), Дж/см2                      (4.4)

 

Для высоколегированных сталей мартенситно-ферритного класса:

 

KCV = 9,8 (9,6 – 64,8 [O]), Дж/см2                  (4.5)

 

Взаимодействие кислорода с легирующими элементами сталей ухудшает ее свойства – образуются оксидные (шлаковые) включения, располагающиеся между кристаллитами металла шва. Это уменьшает металлическую связь между кристаллитами, снижая прежде всего ударную вязкость металла. При взаимодействии кислорода с углеродом, находящемся в сталях, образуется нерастворимый газ СО, стремящийся выделиться из жидкого металла сварной ванны. В процессе кристаллизации это может привести к пористости металла шва.

Отрицательное влияние кислород оказывает и на другие металлы. В медных сплавах по границам зерен может образовываться эвтектика Cu2O + Cu с температурой плавления 1064 0С (у чистой меди Тпл = 1083 0С), возможно образование горячих трещин, потеря пластичности металла.

В титановых сплавах при содержании кислорода более 0,1 % появляется хрупкость, склонность к образованию холодных трещин. В никелевых сплавах при содержании в газовой фазе кислорода более 0,05 % в металле шва образуются поры.

Содержание кислорода в металле шва при сварке сталей находится в пределах от 0,05 % (при сварке электродами с основным покрытием) до 0,21 % (при сварке голым электродом).

При сварке в углекислом газе содержание кислорода в газовой фазе примерно 40 % (т.е. в 2 раза больше, чем в воздухе). Для получения качественного сварного соединения требуется применять низколегированную кремне-марганцовистую сварочную проволоку. Содержание Si и Mn в такой проволоке значительно больше, чем в свариваемом металле. Эти элементы, взаимодействуя с кислородом, уменьшают его парциальное давление в газовой фазе, а, следовательно, и растворимость кислорода в сталях. Это позволяет получить плотные (без пор) швы, равнопрочные основному металлу.

При сварке в защитных газах применяют газовые смеси, содержащие аргон с добавкой кислорода в количестве 5 ¸ 10 % или углекислого газа в количестве до 25%. Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла. При сварке в смеси Ar + (5 ¸ 10) % О2 получаем струйный перенос металла при коэффициенте потерь не более 2,5 %. При сварке в смеси Ar + 25 % СО2 получаем мелкокапельный перенос металла с коэффициентом потерь до 5 %. Уменьшается усиление шва.

 

ДАЛЕЕ: 4.2.3. Влияние азота на свойства металлов