- •Оглавление
- •1. Основные понятия и базовые законы
- •1.1. Химическое равновесие.
- •1.2. Окислительно-восстановительные реакции.
- •2. Плавление металла в сварочной ванне
- •3. Формы присутствия кислорода в металле сварных швов
- •4. Источники кислорода в сварочной ванне
- •4.1. Окисление свободным кислородом газовой фазы.
- •4.2. Окисление влагой сварочных материалов.
- •4.3. Окисление сварочной ванны шлаками, содержащими FeO.
- •4.4. Окисление сварочной ванны химически активными оксидами.
- •5.Окисление металла защитными газами
- •6. Окисление металла при сварке под флюсом
- •6.1. Совместное протекание восстановительных реакций кремния и марганца.
- •6.2. Особенности окисления металла шва оксидами алюминия и титана.
- •6.3. Окисление металла диоксидом циркония.
- •7. Особенности окисления металла при сварке покрытыми электродами
- •7.1.Окисление металла газовой защитной средой.
- •8. Состав и форма оксидных включений в сварных швах
- •8.1. Методы определения содержания кислорода в сварных швах
- •8.2. Свойства, состав и форма силикатных оксидных включений в сварных швах
- •8.3. Свойства, состав и форма алюмосиликатных и других оксидных включений в сварных швах
- •8.4. Оксисульфидные и оксифосфидные сложные включения в сварных швах
- •9. Влияние оксидных включений в металле швов на их свойства
- •Заключение
- •Библиографический список
8. Состав и форма оксидных включений в сварных швах
Кислород в металле шва может присутствовать в форме газовых включений (пор), в виде оксидов, в виде твердых растворах, в виде адсорбированных на поверхности тонких слоев.
Основной путь взаимодействия кислорода с металлом - его растворение в жидком металле. Согласно диаграмме состояния железо - кислород, в жидком железе при его температуре плавления растворимость кислорода составляет около 147 см3/100 г, или 0,02 %. При повышении температуры растворимость кислорода в жидком железе увеличивается, подчиняясь практически прямолинейной зависимости. Количественная зависимость растворимости (в см3/100 г металла) от температуры описывается уравнением изобары (кривой при постоянном давлении):
где с — постоянная, зависящая от выбора единиц измерения; е — основание натуральных логарифмов; Q — теплота растворения газа; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Поскольку растворение газа в металле является эндотермическим процессом, растворимость его, как видно из уравнения, должна возрастать с повышением температуры.
К. Р. Тейлор и Дж. Чипмэн экспериментально определили растворимость кислорода в жидком железе, находящемся в контакте с чистым оксидом железа. Влияние температуры на растворимость кислорода в жидком железе выражается уравнением (11).
В этих экспериментах максимальную растворимость кислорода в жидком железе характеризовала зависимость константы равновесия реакции
С понижением температуры растворимость кислорода в железе уменьшается. Избыток кислорода начинает выделяться из металла, образуя газовые или оксидные включения. Растворимость кислорода в твердом железе низкая и практически можно считать, что ниже 373 К весь кислород будет присутствовать в форме оксидных включений, поскольку реакцию углерода с кислородом обычно подавляют введением в жидкий металл элементов-раскислителей. Оксидные включения, встречающиеся в металле швов, по их происхождению подразделяют на две группы: включения, образующиеся в процессе окислительно-восстановительных реакций (эндогенные), и включения, механически попадающие в шов (экзогенные). В металле шва эти включения присутствуют в кристаллической и сферической форме. Включения, выделяющиеся в твердом состоянии из жидкого металла, принимают кристаллическую форму, свойственную данному минералогическому составу, если они не относятся к некристаллизующимся стеклам. Те же неметаллические включения которые образуются в виде жидкости и затвердевают позже окружающего их металла, принимают шарообразную форму независимо от того, является ли вещество этих включений кристаллическим или аморфным. Обычно комплексные шаровидные частицы при затвердевании или при охлаждении после затвердевания распадаются на несколько компонентов, образуя характерные структуры распада.
При понижении температуры сварочной ванны значительно снижается растворимость в металле кислорода который выпадает из раствора и, вступая в соединение с другими компонентами металла (стали, сплава) образует неметаллические включения. Если растворимость этих компонентов в жидкой стали велика и резко снижается только в момент кристаллизации, то образующиеся неметаллические включения располагаются в литом сварном шве вокруг первичных зерен в форме эвтектических оболочек или цепочек. Вместе с тем с понижением температуры жидкой стали увеличивается раскислительная способность элементов-раскислителей, присутствующих в жидкой сварочной ванне, что также приводит к образованию включений по реакции (12).
Особенности образования неметаллических оксидных включений.
Необходимым условием образования оксидных включений в жидкой или кристаллизующейся сварочной ванне является пересыщение раствора. Пересыщение может наступить в результате окисления некоторых примесей, растворенных в металле, или в результате уменьшения растворимости кислорода при охлаждении ванны.
Процесс и кинетику возникновения неметаллических включений в расплавленном металле изучали многие исследователи.
Анализ результатов исследований показывает, что интенсивность зарождения неметаллических включений в сварочной ванне, с одной стороны, увеличивается с повышением температуры, степени пересыщения и плотности вещества, а с другой - возрастает с уменьшением межфазного натяжения и молекулярной массы вещества.
Вместе с этим образование неметаллических включении не только связано с интенсивностью их зарождения но и зависит от размера образовавшегося зародыша. Образовавшиеся в расплаве зародыши будут стабильны и способны к коагуляции только при условии, что их радиус достиг некоторого критического размера:
(60)
где - межфазное натяжение на границе между металлом и выделяющимися включениями;
М – молекулярная масса вещества образующейся фазы;
ρ – плотность вещества;
C/Cs – степень пересыщения расплава.
Из приведенной формулы следует, что критический радиус включении будет тем меньше, чем ниже значение σм.в..
Известно, что увеличение содержания FeO в оксидных шлаках любого состава приводит к существенному снижению межфазного натяжения. В меньшей мере но все же заметно, снижается межфазное натяжение при введении в шлак МnО. Поэтому интенсивность зарождения оксидных включений в металле ванны должна быть тем выше, чем больше в них содержание оксидов марганца и железа.
На основе проведенных расчетов С. И. Попель установил, что включения оксидов железа и марганца могут самопроизвольно выделяться из недостаточно раскисленной стали уже при небольшом пересыщении раствора. Однако введение дополнительно кремнезема сильно снижает интенсивность образования зародышей. При этом интенсивность образования новой фазы снижается тем заметнее, чем больше содержится кремнезема в зародыше, поскольку рост количества кремнезема в системе Si02—FeO—МпО приводит к увеличению межфазного натяжения.
Вместе с этим следует учитывать, что необходимое для образования неметаллических включений пересыщение в реальных условиях может быть меньше расчетных значений полученных С. И. Попелем, Это связано с тем, что в реальной сварочной ванне находятся тугоплавкие частички кварца, корунда, мельчайшие кристаллы металла и т. д., а новая фаза в гетерогенной среде образуется легче, чем в случае однородной.
Механизм роста окисных включении может быть объяснен коагуляцией (коалесценцией) или последовательным непрерывным осаждением включении, выпадающих в жидкой сварочной ванне, на включения-центры, имевшиеся ранее в жидком металле или образовавшиеся в самом начале процесса кристаллизации.
Анализ показывает, что скорость всплывания включений, пропорциональная размеру частиц в квадрате, растет с уменьшением плотности шлаковой частицы и снижается с повышением вязкости среды.
Укрупнение включений в результате их коалесценции - фактор, облегчающий получение более чистого металла. Однако задача, по-видимому, заключается не столько в процессе удаления уже существующих включений из жидкого металла, сколько в предотвращении их образования в шве. Это связано с тем, что время протекания металлургических процессов в сварочной ванне мало и о значительном удалении образующихся оксидов из сварочной ванны не может быть и речи.
Экзогенные включения — посторонние частицы шлака механически попадающие в шов при плавлении покрытия электрода, флюса или выходящие в шов из основного металла при оплавлении свариваемых кромок.
При ведении процесса сварки на неправильно подобранном режиме, например с образованием подрезов кромок и т. д., включения такого вида могут присутствовать в сварных швах в больших количествах и стать причиной брака.
В некоторых случаях экзогенные включения успевают полностью прореагировать с жидким металлом в сварочной ванне и образовать включения, аналогичные известным эндогенным. Поэтому не всегда по характеру и форме наблюдаемых на шлифе включений можно определить их происхождение.