Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

НАЗАД: 4.2.2. Влияние кислорода на свойства металла

4.2.3. Влияние азота на свойства металлов

Азот растворим в тех металлах, с которыми он образует нитриды. Азот не растворим в Au, Ag, Co, Cu. С железом он образует два нитрида – Fe₂N и Fe₄N. Они образуются при температурах ниже 592 ⁰С, а при температурах выше 700 ⁰С – распадаются. Растворимость азота в железе:

Т, ^0С	20	1530	2500
[N], %	0,001	0,04	0,06

Исходная концентрация азота в сталях:

от 0,002 ¸ 0,003 % в спокойных сталях;

до 0,04 ¸ 0,08 % в кипящих сталях.

Содержание азота в сталях порядка 0,001 % соответствует 1,6 см³/(100 г металла). Весь избыточный азот (выше предельной его растворимости при данной температуре) находится в металле в виде нитридов. Нитриды железа имеют игольчатую форму, поэтому ухудшают пластические свойства металла (d, y, КСV или КСU). Но прочностные свойства сталей, твердость металла с повышением содержания азота возрастают (см. рис. 42).

Рис.42. Влияние азота на механические свойства стали

Азот в сталях приводит к старению сплава, увеличивает чувствительность к термообработке, придает металлу хладноломкость, синеломкость, увеличивает электросопротивление металла. Азот в значительной степени оказывается виновным в пористости металла шва. Кислород способствует насыщению сталей азотом. Так, при сварке малоуглеродистых сталей в чистом азоте его содержание в металле шва составляет 0,031 %, а при сварке на воздухе – 0,128 %. Титан горит в среде азота, при содержании азота в титановых сплавах выше 0,05 % возникают холодные трещины.

По содержанию азота в металле шва судят о качестве защиты зоны плавления.

Содержание азота в металле шва при различных способах сварки сталей приведено в табл. 7.

Таблица 7. Содержание азота в металле шва

Способ сварки	Содержание азота, %
Сварка плавящимся электродом открытой дугой голой проволокой	0,08 ¸ 0,23
РДС покрытыми электродами	0,01 ¸ 0,04
Сварка в аргоне или углекислом газе	0,02 ¸ 0,03
Сварка под флюсом	Менее 0,01
Сварка порошковой проволокой открытой дугой	0,015 ¸ 0,04
СОДГП	До 0,12

Для уменьшения содержания азота в металле шва рекомендуют:

- защиту зоны плавления от воздуха;

- создание окисной или шлаковой пленки на поверхности металла;

- уменьшение содержания азота в защитных газах (аргоне, углекислом газе) до 0,05 % и менее;

- сварку короткой дугой;

- легирование элементами, образующими термически стойкие растворимые в металле нитриды (например, в железе нитриды Al, Ti, Mn, Si, V, Nb, Mo, Cr).

Однако возможна сварка плавящимся и неплавящимся электродом меди в чистом азоте. Азот должен содержать кислорода не более 0,01 %. При сварке неплавящимся электродом горелка должна обеспечивать двойную защиту – вольфрамовый электрод – аргоном, а зону плавления – азотом.

Процесс сварки плавящимся электродом неустойчив, сопровождается повышенным разбрызгиванием, неудовлетворительным формированием шва. Использование ИДС в этом случае должно существенно улучшить процесс сварки.

В 1963 г. на кафедре сварки Киевского политехнического института под руководством Дятлова В.И. разработана технология сварки плавящимся электродом высокоаустенитных жаропрочных и нержавеющих сталей в среде чистого азота на режимах, соответствующих короткой дуге. Содержание азота в металле шва до 0,162 %, пористости не наблюдалось, эксплуатационные свойства сварного соединения соответствовали основному металлу. Азот модифицирует структуру аустенитно-ферритных сталей, повышает стойкость против горячих трещин глубокоаустенитных сталей. Если осуществлять сварку этих сталей без защиты на воздухе, то содержание азота в металле шва составляет от 0,286 до 0,360 % (в зависимости от числа проходов).

В том же 1963 году в ИЭС разработана сварка открытой дугой голой легированной проволокой (СОДГП) на режимах, соответствующих короткой дуге. Для этих целей созданы две марки проволоки – Св-20ГСЮТА (для сварки на обратной поверхности) и Св-15ГСТЮЦА (для сварки на прямой поверхности). Содержание азота в металле шва до 0,12 %. Данные проволоки обеспечивают надлежащие свойства сварных соединений из малоуглеродистых сталей. Большое содержание легирующих элементов в проволоке обеспечивает связывание кислорода и азота в химические соединения, в значительной степени удаляемые из металлической фазы. Проволоки содержат от 0,4 до 0,8 % РЗЭ, из них почти половина этого количества – церий. РЗЭ способны не только связывать кислород и азот, но и производить рафинирование металла шва (очистку его от серы и фосфора), модифицирование его структуры. Это значительно повышает механические свойства металла шва.

Несколько позже в нашей стране разработана проволока для сварки открытой дугой меди. Проволока содержит до 2% легирующих элементов (раскислителей) и РЗЭ. Обеспечивается стабильность процесса. Возможна сварка этой проволокой стали с медью.

В 70-х годах прошлого столетия в Японии разработана проволока для СОДГП нержавеющих сталей.

ДАЛЕЕ: 4.2.4. Влияние водорода на свойства металлов