Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

НАЗАД: 4.3. Шлаковая фаза при сварке плавлением

4.4. Окисление металла при сварке

Окисление металла при сварке возможно в результате его взаимодействия как с газовой, так и со шлаковой фазами.

Окисление газовой фазой возможно, если в ней содержатся молекулярные газы, способные при диссоциаци выделять кислород (например, СО₂ или пары воды). Окисление газовой фазой возможно, если парциальное давление кислорода превышает упругость диссоциации окисла, т.е. выполняется условие:

Возможность окисления свободных элементов при различных способах сварки можно проанализировать по рис. 49.

Рис. 49. Зависимость упругости диссоциации свободных оксидов (Ро₂ в атм.) от температуры

При сварке на воздухе без защиты зоны плавления парциальное давление кислорода во всем диапазоне температур, имеющих место в зоне плавления, превышает упругость диссоциации окислов всех элементов, приведенных на рис. 49. Следовательно, будут окисляться все элементы, прежде всего преобладающий элемент сплава. При газовой сварке нормальным пламенем и в вакууме железо не должно окисляться. Все легирующие элементы сталей будут в той или иной степени окисляться при любом способе сварки, но степень их окисления будут гораздо меньше, чем при сварке на воздухе.

Окисление металла шлаковой фазой возможно в трех случаях:

- при наличии на свариваемых кромках оксидов, способных при взаимодействии с жидким металлом окислять его;

- при содержании в шлаке оксидов, растворимых в металлической фазе;

- при использовании для сварки химически активных шлаков, вступающих в обменные реакции с металлом сварочной ванны.

Рассмотрим данные случаи.

При сварке металлов, растворяющих кислород, сварочная ванна может окисляться за счет окалины и ржавчины, находящихся на свариваемых кромках. У сталей формула ржавчины

mFe₃O₄×(H₂O)p + nFe₂O₃×(H₂O)q.

В этом случае высшие оксиды будут раскисляться железом с образованием FeO:

Fe₃O₄ + Fe = 4 FeO; (4.21)

Fe₂O₃ + Fe = 3 FeO; (4.22)

Образовавшаяся закись железа FeO частично растворяется в расплавленном металле, а другая часть – в шлаке.

Если оксид, растворимый в металле, находится в шлаке, то в соответствии с законом распределения между концентрацией оксида в металле [MeO] и в шлаке (МеО) в состоянии равновесия устанавливается соотношение:

, (4.23)

где L – константа распределения вещества в двух несмешивающихся растворителях.

Величина этой константы зависит от растворителя и растворяемого вещества, а также от температуры.

При относительно низкой концентрации оксида железа в металле и высокой его концентрации в шлаке возможен переход оксида из шлака в металл. Это тем более вероятно, что при повышении температуры растворимость FeO в стали и степень диссоциации шлаков увеличивается.

Ерохин А.А., обобщив экспериментальные данные разных авторов, получил следующую зависимость между содержанием кислорода в металле и закиси железа в шлаке [15]:

(FeO), %	14,2	15,0	22,7	26,8	56,0	61,0
[О], %	0,036	0,039	0,062	0,118	0,187	0,211

При температуре 1650 ⁰С константа распределения, выраженная через отношение концентрации закиси железа в шлаке к концентрации кислорода в металле, составляет 400 для кислых и 250 для основных шлаков. Если принять максимально допустимое содержание кислорода в стали 0,04 % (как в кипящих сталях), то содержание закиси железа в кислом шлаке не должно превышать

(FeO)_max = L×[O]_max = 400×0,04 = 16 %.

Для основного шлака эта величина не должна превышать 10 %.

Окисление металла активными шлаками происходит в связи с обменными реакциями. Примерами таких реакций служат кремне- и марганцевосстановительные процессы, происходящие при сварке сталей с использованием активных кремне-марганцовистых флюсов:

(4.24)

(4.25)

При высокой температуре реакции идут вправо. Закись железа, являясь продуктом этих реакций, распределяется между шлаком и металлом в соответствии с константой распределения. В шлаке закись железа сразу связывается в комплексные соединения (силикаты, титанаты), нерастворимые в металле.

Реакции, протекающие вправо в передней части сварочной ванны, следует рассматривать как бы протекающие в два этапа. При возрастании температуры сродство элементов к кислороду уменьшается, происходит частичная диссоциация оксидов. Образовавшийся кислород реагирует с преобладающим элементом сплава – с железом. Кремний и марганец переходят в металлическую фазу – в сварочную ванну.

При охлаждении (в хвостовой части сварочной ванны) сродство элементов к кислороду растет. Кремний и марганец начинают раскислять сталь, но при этом они взаимодействуют лишь с той частью закиси железа, которая осталась в металле.

В металле шва получим некоторое приращение кремния и марганца по сравнению с их исходным содержанием в свариваемом металле.

Так как процесс кристаллизации сварочной ванны протекает очень быстро, то часть эндогенных (внутриобразованных) оксидных включений (SiO₂ и MnO) не успевают выделиться из металла шва.

Приращение содержания кислорода в металле шва определится уравнением:

(4.26)

где D[Si] и D[Mn] – приращение кремния и марганца в металле шва в результате протекания кремне- и марганцевосстановительных процессов (%).

Например, если D[Si] = 0,2 %, а D[Mn] = 0,5 %, то +D[О] = 0,044 %.

Увеличение содержания кислорода ухудшит прежде всего ударную вязкость металла.

В случае наличия в свариваемом металле элементов с большим сродством к кислороду окисление их двуокисью кремния или закисью марганца может быть очень интенсивным. Например, при сварке легированных сталей, содержащих 15 ¸ 18 % Cr, потери Cr на окисление в результате реакций с (SiO₂) и (MnO) при концентрации последних в шлаке 10 ¸ 20 % могут составить несколько процентов.

Алюминий и титан, находящиеся в легированных сталях (при большом содержании SiO₂ и MnO в шлаке), при сварке могут выгореть почти полностью. Поэтому высоколегированные стали рекомендуют сваривать с применением бескислородных или пассивных флюсов.

ДАЛЕЕ: 4.5. Раскисление металла при сварке