Додаткова_література / Додаткова література / tsp

вязкости, плотности и т.п.; от гидродинамической обстановки в реакционной зоне. Обстановка в сою очередь определяется величиной сварочного тока, напряжением дуги, величиной и направлением электромагнитных сил, газовых потоков и т.д.

Раскисление металла шва с получение конденсированных продуктов реакции

сопровождается образованием конденсированных оксидов, нерастворимых в металле и всплывающих в шлак. К числу раскислителей, образующих такие оксиды, относятся Si, Mn, Ti, Al и др.

В общем виде реакция раскисления железа:

m[FeO] + n[Pa] = [PanOm] + m[Fe],

где Ра – расислитель.

Константа равновесия реакции

Kc =	[PanOm ]×[Fe]m
		.
	[FeO]m ×[Pa]n

Но в сталях [Fe] ≈ 1, поэтому равновесная концентрация свободной закиси

железа в металле

[FeO]m = [Pa[ nO]nm ]Kc . Pa

Следовательно, концентрация закиси железа уменьшается с повышением

содержания раскислителя и уменьшением концентрации оксидов данного раскислителя в металле.

Таким образом, для определенных температур можно установить зависимость

между концентрацией раскислителя и находящей с ней в равновесии концентрацией закиси железа. Тогда, задаваясь допустимым содержанием [FeO], определяют концентрацию в металле. Типичные реакции раскисления:

3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe

2FeO + Ti = TiO2 + 2Fe

FeO + Mn = MnO + Fe

3FeO + 2Cr = Cr2O3.

Характерные черты наиболее важных раскислителей этой группы:

1.Кремний (Тпл = 14400С; Ткип = 26300С;γ = 2,37 г/см3). При окислении образует нерастворимый в металле кислотный оксид, который легко создает

комплексы, в том числе и с FeO. Силикаты железа всплывают на поверхность металла и переходят в шлак.

Так как оксиды кремния увеличивают кислотность шлака, а вместе с тем и его вязкость, введение кремния в сварочную ванну ограничивают.

2.Марганец. При окислении марганец превращается в закись MnO – относительно сильный основной оксид, нерастворимый в металле. С увеличением марганца в металле концентрация в нем закиси железа уменьшается, однако влияние кремния оказывается сильнее.

3.Титан относится к числу сильных раскислителей, более сильных, чем кремний и марганец. Образующийся кислотный оксид TiO2 нерастворим в металле, легко вступает в комплексы, переходящие в шлак. Вместе с этим, титан сильный модификатор, т.е. элемент, способствующий измельчению зерна в металле.

91

4.Алюминий – наиболее сильный раскислитель этой группы. Образует амфотерный оксид Al2O3. Раскисление жидкого металла алюминием сопровождается значительным выделением тепла, что благотворно влияет на протекающие процессы.

Однако окись алюминия с трудом всплывает на поверхность сварочной ванны и частично остается в шве в виде неметаллических включений. Это одна из причин незначительного применения алюминия как раскислителя при сварке сталей.

Раскисление с получением газообразных продуктов реакции. Две типичные реакции – раскисление углеродом и раскисление водородом.

Раскисление углеродом. Этот процесс идет по реакции: [FeO] + [C] = CO + [Fe].

Константа равновесия для этой реакции:

= [CO]×[Fe]

Kc [FeO]×[C].

Равновесная концентрация закиси железа в металле, считая, что содержание железа в стали близко к единице, и выразив концентрацию окиси углерода через

парциальное ее давление рСО

[FeO]= pCO[ K] C . C

Если полагать приближенно, что в процессе сварки в области высоких температур рСО = 1 ат, то

[FeO]= K[CC].

Таким образом, концентрация закиси железа в сварочной ванне обратно пропорционально концентрации углерода. Растворимость окиси углерода в расплавленном железе ничтожно мала. Вследствие этого образующаяся окись углерода выделяется в виде пузырьков, стремящихся всплыть из сварочной ванны и вызывающие ее кипение. Если реакция раскисления углеродом продолжается и при температуре кристаллизации металла, то газовые пузыри не успеют удалиться из металла и останутся в твердом металле в виде пор. Поэтому всегда желательно

подавить эту реакцию при понижении температуры сварочной ванны другими реакциями раскисления, при которых газы не выделяется. Это достигается повышением концентрации других раскислителей (Ti, Si, Mn и др.) в металле и понижением концентрации углерода.

Аналогичные процессы раскисления с образованием газообразной фазы могут происходить при взаимодействии окисленного металла с водородом. Недостатком водорода как раскислителя является его высокая растворимость в металлах, которая может привести к образованию пор и трещин.

Реакция раскисления водородом:

[FeO] + [H2] = [H2O] + [Fe].

Раскисление металла кислыми шлаками. В таких шлаках наблюдается реакция связывания закиси железа в силикаты железа, нерастворимые в металле:

(FeO) + (SiO2) = (FeO*SiO2)

с константой равновесия реакции

K = (FeO × SiO2 ) . (FeO)×(SiO2 )

92

Связывание FeO в силикаты вызовет дополнительный переход ее из металла в шлак (FeO) = L[FeO], где L – константа распределения.

Тогда

K =	(FeO × SiO2 )			.
	L[Feo]× (SiO2 )
Разрешим эту зависимость относительно [FeO]:
[FeO]=		(FeO × SiO	)	K.
		2
		(SiO2 )

Таким образом, при использовании кислых шлаков для уменьшения закиси железа в металле следует увеличить содержание кислотного оксида SiO2 в шлаке, т.е.

повысить кислотность шлака и одновременно уменьшить количество образующихся в нем силикатов железа.

Однако повышение содержания SiO2 в шлаке приводит к ухудшению его свойств. Шлак становится длинным, густым, его активность резко падает, нарушается и стабильность процесса сварки. Поэтому целесообразно:

1.Заменять SiO2 двуокисью титана TiO2 полностью или частично. Этим удается сохранить нужную степень кислотности шлака, сделать его более жидкотекучим и коротким, придать ему нужную химическую активность.

2.Попутно вносить в такие шлаки элементы-раскислители, дающие основные оксиды. Их роль сводится к восстановлению железа из силиката и уменьшению в шлаке содержания силикатов железа, например:

(FeO*SiO2) +(Mn) = (MnO*SiO2) + [Fe].

Раскисление металла основными шлаками. В основных шлаках, в отличие от кислых, есть избыток основных оксидов, наиболее сильным из которых является СаО. Такие шлаки не обладают способностью к диффузионному раскислению, так как имеющиеся в них незначительные количества SiO2 (или TiO2) сразу же будут связываться в комплексные соединения с основными оксидами шлака:

(CaO) + (SiO2) = (CaO*SiO2)

и шлак не будет извлекать FeO из металла.

Для раскисления металла в основные шлаки вводят специальные добавки – раскислители:

m[FeO] + n[Pa] = (PanOm) + m[Fe]

с константой равновесия

(Pa O )×[Fe]m

K = [ n ]m [ ] .

FeO m × Pa n

Считая, что в сталях [Fe] = 1, решаем уравнения относительно [FeO];

[FeO]= m (Pa[ nO] )K .

Pa n

Чтобы снизить содержание FeO в металле, следует увеличить в нем количество раскислителя (Pa) и уменьшить содержание (PanOm) оксида раскислителя в шлаке. Продукты раскисления (PanOm) перейдут в шлак. Обогащаясь этими оксидами, шлак теряет свою раскисляющую способность. Для повышения ее нужно:

1.Одновременно вносить несколько раскислителей.

93

2.Разбавлять шлаки специальными добавками, которые уменьшают в них содержание оксида раскислителя.

4.9 Легирование наплавленного металла.

Принципиально возможно легирование, как через металлическую, так и через шлаковую фазу.

Легирование через металлическую фазу осуществляется введением легирующего элемента в электродный стержень или присадочную проволоку, а также

за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствующих элементов в сварочную ванну. Легирование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие или флюсы.

Легирование осуществляется с соблюдением двух важных требований:

1.В качестве раскислителей следует применять элементы, сродство которых к кислороду больше, чем сродство легирующего элемента.

2.Наряду с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его оксид, наличие которого сохраняет легирующий элемент от выгорания.

Степень легирования при данном количестве вводимого элемента будет тем выше, чем меньше сродство элемента к кислороду. При прочих равных условиях (концентрация, температура, состав шлаковой и газовой фаз) элементы по убывающей степени сродства к кислороду при температуре до 16000С могут представлены в виде следующего ряда:

Al, Zr, Ti, Si, V, Mn, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Cu.

Элементы, находящиеся в этом ряду справа от железа, практически полностью усваиваются сварочной ванной; Элементы, находящиеся слева от железа, окисляются и лишь частично легируют металл шва. Степень легирования тем ниже, чем дальше элемент расположен слева от железа.

Для оценки использования данного элемента вводят понятие коэффициента усвоения, под которым понимают отношение содержание в металле шва к суммарному содержанию его в электродном стержне, покрытии, флюсе и в доле основного металла, вошедшего в состав металла шва.

Для раздельной оценки степени перехода в шов легирующего элемента из электродного стержня, покрытия, флюса т.д. вводят понятие коэффициента перехода. Для стержня:

кпер с = Х н.м ,

Х

С

где кперс – коэффициент перехода элемента Х из стержня; Хн.м – содержание элемента Х в наплавленном металле за счет перехода из электродного стержня; Хс – содержание того же элемента в стержне.

Коэффициентом перехода легирующего элемента из покрытия является отношение содержания элемента в наплавленном металле, перешедшего из покрытия, к содержанию того же элемента в покрытии, отнесенному к весу покрытой части стержня:

кперп = Х н.м ,

Х п Gn

Gc

94

где кперп – коэффициент перехода элемента Х из покрытия; Хн.м – содержание в наплавленном металле элемента Х за счет перехода его из покрытия; Хп – содержание того же элемента в покрытии; Gn/Gc – относительный вес покрытия (отношение веса покрытия к весу покрытой части стержня).

Суммарный коэффициент усвоения легирующего элемента:

кусв =	Х	м.ш			,
	аХ о.м + bX c + cX n		Gn
			Gc

где кусв – суммарный коэффициент усвоения;

Хм.ш – содержание элемента Х в металле шва; Хо.м, Хс, Хп – содержание элемента Х в основном металле, электродном

стержне (проволоке) и покрытии (флюсе);

а, b,c – доли участия в образовании сварочной ванны основного металла, электродного металла и металлических добавок во флюс или покрытие.

Зная площадь проплавления основного металла и площадь поперечного сечения наплавленного металла, можно определить пропорциональные им доли

участия в образовании сварочной ванны основного металла и проволоки вместе с металлическими добавками, перешедшими из покрытия.

Обозначим: Fпр – площадь провара основного металла, Fн.м – площадь поперечного сечения наплавленного металла, тогда:

	m =	Fnp	=	а	.
		F		b + c
		н.м

Обозначив ψ долю металлической добавки, перешедшую в ванну, и имея в виду что отношение c/b пропорционально относительному весу покрытия Gn/Gc,

можно написать

n = Gn ψ = c .

Gc b

Так как а + b + c =1, то решая совместно эти три уравнения, найдем:

	m		1			n
a =			;b =		;c =		.
	m +1			(m +1)(n +1)		(m +1)(n +1)

4.10 Рафинирование металла.

Рафинирование металла – это очищение его от вредных примесей серы и фосфора. Источниками поступления серы и фосфора в зону являются:

1.Шлаки, в состав которых входят компоненты, содержащие серу и фосфор. 2.Расплавленный металл. Следует иметь в виду, что по распределение серы

сечению основного металла может быть крайне неравномерным.

Сера и ее удаление из металла шва. Содержание серы в металле в количестве, превышающим допустимые нормы, отрицательно сказывается на его механических свойствах, служит причиной красноломкости металла и появления в нем кристаллизационных трещин.

95

Сера образует с железом сульфид железа FeS, температура плавления которого 11950С. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе и выделяется в нем или в виде эвтектики, или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектики могут быть двойные либо тройные, например: FeS + Fe (Тпл

=9850С); FeS*SiO2 + FeS; FeS + Fe + MnS (Тпл = 9800С) и др.

Впроцессе кристаллизации металла, протекающем в интервале температур Тл

– Тс (ликвидус – солидус), эти сернистые эвтектики оттесняются растущими

кристаллами металла шва к границам между ними и к месту стыка кристаллов в центральную часть сварочной ванны и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту окончания кристаллизации шва такие прослойки могут быть еще в жидком состоянии. Тогда возникновение

растягивающих напряжений в шве может вызвать появление на этих участках кристаллизационных или горячих трещин.

Для более полного удаления серы из металла в сварочную ванну нужно вводить такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо.

Образующие сульфиды должны обладать высокой температурой плавления и не создавать эвтектик. По степени возрастания прочности сульфидов их можно расположить вряд:

NiS, FeS, MnS, MoS2, MgS, Na2S, CaS, Al2S3.

Наибольшим сродством к сере обладают Al, Ca, Na, Mg. Однако все они имеют большое сродство к кислороду и связываются им в оксиды.

В сварочной практике связывают и удаляют серу чаще всего двумя способами: с помощью Mn и MnO, а также CaO. Сера образует с марганцем относительно прочный сульфид MnS с температурой плавления 16000С. Сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо – в шлаке; поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле MnS распределяется равномерно и не образует легкоплавких эвтектик.

[FeS] + [Mn] = (MnS) + [Fe]

с константой равновесия

= [Fe]× (MnS) K [FeS]×[Mn],

откуда

	[FeS]=	(MnS)		K.
		[Mn]

Однако эффективность связывания серы в сульфид марганца по такой реакции мала, так как направо она развивается при пониженных температурах, когда скорости протекающих процессов весьма замедляются. Поэтому реакция дополняется второй:

[FeS] + (MnO) = (MnS) + [FeO],

для которой константа равновесия

= (MnS)×[FeO] K [FeS]×(MnO),

откуда

[FeS]=	(MnS)×[FeO]K.
	(MnO)

96

Эта реакция с ростом температуры сдвигается вправо, т.е. в сторону большего выхода (MnS) и [FeO].

Итак, из рассмотрения этих двух реакций следует, что превращению FeS в MnS способствуют:

1.Лучшая раскисленность металла.

2.Увеличение содержания марганца в металле.

3.Высокая концентрация (MnO) в шлаке.

Обычно принимают отношение [Mn]/[S] в металле равным 20 – 25, что позволяет избежать кристаллизационных трещин.

Своеобразным поведением как десульфатор отличается Са. Газообразный Са активно реагирует с серой и кислородом расплавленной стали, образуя только ему специфическое соединение – оксисульфиды. Даже при весьма низкой концентрации в металле (10-4 %), кальций вследствие своей поверхностной активности оказывает заметное влияние на процесс рафинирования, особенно при совместном введении Са и присадок редкоземельных элементов – церия и лантана. Связывание серы известью основано на образовании весьма прочного сульфида кальция, практически нерастворимого в металле. Процесс протекает в соответствии с реакцией

[FeS] + (CaO) = (CaS) + [FeO].

Константа равновесия реакции растет с увеличением температуры, т.е. при этом процесс интенсивнее развивается вправо, в сторону образования (CaS).

Фосфор и его удаление из металла шва. Фосфор также является вредной примесью, ухудшающей механические свойства стали и вызывающей ее хладноломкость. В сталях фосфор образует частично растворимые в феррите фосфиды двух видов:

3Fe + P = Fe3P (15,63 % P);

2Fe + P = Fe2P (21,75 % P).

Фосфор относится к числу сильно ликвирующих примесей, т.е. таких, которые весьма неравномерно распределяется в металле. Ликвацию фосфора усиливает углерод. При этом возможно образование легкоплавкой эвтектики тройного типа Fe + P + C, еще более снижающей прочность металла.

Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окислении и последующим связывании фосфорного ангидрида Р2О5 в прочное легкоотшлаковываемое комплексное соединение. По возрастающей силе сродства к ангидриду Р2О5 основные и амфотерные оксиды можно расположить в следующий ряд:

Fe2O3 → Al2O3 → FeO → MnO → MgO → CaO.

Окисление фосфора в сварочной ванне происходит по реакциям:

2Fe2P + 5FeO = P2O5 + 9Fe

2Fe3P + 5FeO = P2O5 + 11Fe.

Затем идет процесс связывания фосфорного ангидрида. Наиболее активен

процесс

3CaO + P2O5 = (CaO)3*P2O5

или

4СаО + Р2О5 = (СаО)4*Р2О5.

Менее активны процессы

97

3MnO + P2O5 = (MnO)3*P2O5;

4MnO + P5O5 = (MnO)4*P2O5.

Итак, при данной концентрации фосфора в сварочной ванне полнота удаления его в шлак будет зависеть от содержания в шлаке:

1.Свободных окислов (СаО) и (FeO), с увеличением содержания которых реакции сдвигаются вправо, т.е. в направлении очищения металла от фосфора.

2.Комлексного соединения, связывающего фосфор, например (СаО)3*Р2О5 или (СаО)4*Р2О5. Уменьшение их содержания в шлаке способствует очищению металла от фосфора. Этого достигают разбавлением шлаков нейтральными добавками, например плавиковым шпатом, который разжижает шлак и повышает его общую реакционную способность.

Кислые шлаки значительно хуже удаляют фосфор из металла.

4.10Контрольные вопросы к разделу 4

1.Какие силы действуют на каплю электродного металла при дуговой сварке?

2.Назовите виды переноса электродного металла через дуговой промежуток.

3.Как изменяется время существования капель и величина их удельной поверхности с ростом сварочного тока или напряжения на дуге?

4.Напишите уравнения диссоциации двух и трехатомных газов, наиболее часто встречающихся в атмосфере дуги.

5.В чем проявляется влияние кислорода на свойства стали?

6.Как влияет азот на свойства стали?

7.Как влияет водород на свойства стали?

8.Какими путями попадают кислород, азот и водород в реакционное пространство при дуговой сварке?

9.Назначение шлаков при сварке.

10.Что такое кислотность или основность шлака?

11.Охарактеризуйте основные физические свойства сварочных шлаков.

12.В чем различие длинных и коротких шлаков?

13.Дайте характеристику важнейших простых оксидов, входящих в состав сварочных шлаков.

14.В чем заключаются металлургические функции шлаков?

15.Что такое коэффициент эффективности массообмена и как его определяют?

16.Виды раскислительных процессов.

17.Приведите пример раскисления стали с получением конденсированных продуктов реакции.

18.Дайте характеристику основных раскислителей.

19.Опишите процесс раскисления стали углеродом и водордом.

20.В чем особенность раскисления стали кислыми и основными шлаками. 21.Пути легировния металла шва, их особенности достоинства и

недостатки.

98

22.Что такое коэффициент перехода и коэффициент усвоения? 23.Каков механизм рафинирования стали от серы и фосфора?

24.Какова роль СаО и марганца в процессе рафинирования стали от серы? 25.Опишите механизм удаления фосфора и з стали в процессе

рафинирования.

26.Как осуществляется газовая защита при сварке покрытыми электродами?

99

РАЗДЕЛ 5. СВАРОЧНАЯ ВАННА, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПРИ СВАРКЕ И ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА

5.1 Сварочная ванна

В результате воздействия сварочных источников тепла основной металл расплавляется. Металл, ограничиваемый изотермической поверхностью Т = Тпл, образует ванну расплавленного металла – сварочную ванну.

Рис. 5.1. Сварочная ванна.

Сварочная ванна разделяют на головную (рис.5.1) 1 – 2 – 3 и хвостовую 4 – 5 –6 (заднюю) части. После затвердевания ванны образуется металл шва. Поперечное сечение переплавленного металла делят на площадь наплавки Fн и площадь провара (проплавления) основного металла Fo. При этом доля основного металла в шве может

быть рассчитана по выражению

γ = Fo/(Fo + FH),

а наплавленного

1 – γ = FH/(Fo + FH).

Очертания зоны проплавления основного металла характеризуются

коэффициентом формы проплавления ψпр = b/h или обратной ему величиной – относительной глубиной проплавления, т.е. h/b, а также коэффициентом полноты проплавления μ = Fo/bh, где b и h – соответственно ширина и глубина проплавления.

Очертания зоны наплавки характеризуется коэффициентами формы валика ψB = b/c и полноты валика μB = FH/bc, где с – величина усиления шва.

Строгих методов расчета всех основных размеров сварочной ванны и шва нет. Но приближенные методы расчета возможны по методам расчета температурных полей. Так, для сосредоточенного источника тепла на полубесконечном теле длина

ванны может быть определена

L =	q
		.
	2πλT
	пл

Так как при сварке определенного материала λ и Тпл являются постоянными,

то L = kq.

Ширина проплавляемой зоны при b = 2r для точечного источника на

массивном теле приближенно определится уравнением

b = 2		2q			= 0,968		q
								.
		πecρvT	пл				cρvT
							пл

Соотношение длины ванны к ее ширине (коэффициент формы ванны φ =L/b) получается из этих уравнений:

100