№83 Окисление и раскисление металла при сварке

Окисление и раскисление металла при сварке.

При сварке на воздухе расплавленный металл окисляется атомарным и ионным свободным или связанным кислородом. Свободным называют кислород, который получается в зоне дуги из атмосферы воздуха; связанным — кислород, находящийся в оксиде, например SiО₂.

При сварке стали в значительном количестве окисляется железо, например

[Fe] + (¹⁄₂ О₂) → [FeO], где квадратными скобками (как принято в теории металлургических процессов) обозначены вещества в металлическом, а круглыми — в шлаковом расплаве. В результате реакции получается низший оксид железа — закись железа FeO.

В сварочном расплаве закись железа растворяется в железе меньше, чем в сталеплавильной печи, что объясняется, прежде всего, малым промежутком времени, в течение которого происходит окисление и растворение компонентов при сварке.

При охлаждении сварочной ванны происходит обратное явление: закись железа (или отрицательные ионы кислорода) выпадают из раствора, так как их растворимость уменьшается со снижением температуры. Скорость охлаждения металла в сварочной ванне влияет на количество выпавшей закиси железа из раствора. При относительно низких скоростях охлаждения закись железа полностью выпадает из раствора и располагается по границам зерен как более легкоплавкий компонент, затем при дальнейшем охлаждении ниже 570°С свободная закись железа преобразуется в более высший оксид железа Fe₂О₄(4FeО → Fe₃О₄ + Fe) в виде глобулей (шлаковых шариков), которые нарушают прочную связь между зернами и вызывают красноломкость металла, а при комнатной температуре — хрупкость.

Кроме оксида железа металл шва засорен и другими оксидами, образующимися от окисления других элементов, например Mn, Si, С.

Окисление марганца, кремния и углерода свободным кислородом протекает по формулам:

[Мn] + (¹⁄₂ О₂) →[МnО]

[Si] + (2¹⁄₂ О₂) →[SiО₂]

[С] + (¹⁄₂ О₂) → [СО]

[СО] + (¹⁄₂ О₂) →[СО₂]

Улучшение прочностных свойств стали достигается восстановительным процессом, называемым раскислением.

Различают осаждающее и диффузионное раскисление.

Сущность осаждающего раскисления сводится к тому, что железо восстанавливается из растворенной закиси железа металлом, обладающим более высоким химическим сродством к кислороду и дающим оксид с очень малой растворимостью в железе. Химическая реакция осаждающего раскисления

[FeO] + (Ме) → [Fe] + (МеО).

Оксид МеО выпадает при охлаждении из раствора в виде отдельной фазы (шлаковой частицы), всплывает на поверхность сварного шва и образует совместно с другими оксидами сварочный шлак.

В качестве осаждающих раскислителей при сварке применяют чистые материалы (С, Аl), ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.), комплексные раскислители (сплавы, содержащие два раскисляющих элемента и более одновременно).

При подборе раскислителя учитывают его раскислительную способность. Например, при раскислении большим количеством углерода в процессе затвердевания расплава в шве могут от раскисления оставаться газы СО и СО₂, образуя в швах поры:

[FeO] + (С) → [СО] + [Fe]

[FeO] + [СО] → [СО₂] + [Fe]

Чтобы этого не было, нужно иметь остаточного кислорода такое количество, которое обеспечивало бы кристаллизацию без излишнего количества газовыделений.

Стремятся также к тому, чтобы продукты раскисления равномерно распределялись в металле шва.

Содержание азота или его вредное влияние в металле шва можно снизить при раскислении и введением в металл химических элементов, образующих с азотом нерастворимые в жидком металле нитриды, которые в лучшем случае поднимаются из металла шва в сварочный шлак, а в худшем случае — остаются в металле шва с незначительным ухудшением механических свойств. Например, алюминий, применяемый для раскисления железа, соединяется со свободным азотом, образуется нитрид алюминия Аl + N → A1N, который из сварочной ванны удаляется в шлаковую фазу.

При пользовании несколькими раскислителями подбирают их так, чтобы продуктами раскисления являлись бы основные, кислотные и амфотерные оксиды. Эти оксиды, соединяясь между собой, быстрее поднимаются вверх (в сварочный шлак) и не оказывают вредного влияния.

Сущность диффузионного раскисления состоит в том, что для удаления закиси железа из металлического расплава пользуются такими сварочными материалами (покрытием, флюсом, порошком), при плавлении которых образуются сложной структуры шлаки, восстановительные шлаки. Принципиальная химическая реакция диффузионного раскисления [FeO] + (SiО₂) → (SiО₂ · FeO).

В качестве минералов для диффузионного раскисления пользуются такими, в которых содержится малое количество оксидов основного металла.

При сварке сталей раскисление железа и других химических элементов стали обязательно, так как при существующей технологии в металле шва кислорода может оказаться больше, чем в свариваемом металле.