№85 Рафинирование металла шва

Рафинирование металла шва.

Удаление избыточного количества вредных примесей и газов из

металла шва называют рафинированием металла.

Обычно в сталях вредными примесями и газами являются кислород, азот, водород, сера, фосфор и др. (если рассматривать легированные стали). Рафинирование выполняют с помощью окислительно-восстановительных химических реакций, офлюсованием, медленным охлаждением, вакуумированием и др. Существенную роль в очищении металла шва от вредных примесей приносит офлюсование (флюсование). Некоторые минералы, и вещества (например, плавиковый шпат CaF₂, рутил ТiО₂ и др.) при высоких температурах обладают свойством растворять в себе некоторые вредные неметаллические включения и образовывать с ними легкоплавкую смесь, которая всплывает наверх и переводит вредные вещества из сварочной ванны в шлак.

Рафинирование металла от серы называют десульфорацией (обессериванием). Сера снижает механическую прочность, вызывает горячие трещины. Отрицательное влияние серы на свойства стали сказывается при её содержании более 0,01%.

Сера имеет высокую склонность к ликвации — выпадению из раствора в виде сульфида железа FeS. При кристаллизации металла шва из-за низкой температуры плавления примеси серы заполняют в виде жидкости пространство между кристаллитами и от растягивающих напряжений, возникающих в процессе усадки металла шва, образуются горячие трещины в швах.

Снижение прочности стали при высоких температурах серой называют красноломкостью стали. Явление красноломкости существенно ослабляется введением в металл элементов, обладающих большим сродством к сере, чем железо; тогда образуются тугоплавкие и малорастворимые сульфиды, которые поднимутся из сварочной ванны в сварочный шлак или образуют тугоплавкие сульфиды по границам кристаллитов, но не вызовут горячих трещин. Химическими элементами, которые образуют малорастворимые сульфиды, являются марганец, алюминий и др., они же (MnS, Al₂S₃) могут снижать прочность металла шва.

Лучший способ борьбы с серой — процесс десульфорации, протекающий по реакции

[FeS] + [СаО] → (CaS) + [FeO].

Оксид кальция СаО получают разложением мрамора СаСО₃ на СаО и СО₂. В состав мраморного порошка вводят до 10% от количества мрамора фтористого кальция CaF₂, который ускоряет разложение СаС0₃ на СаО и СО₂ и сам процесс десульфорации.

В последнее время при сварке сталей с повышенным содержанием серы в защитный газ добавляют кислород, необходимый для окисления серы по формуле [S] + (2O) → (SO₂), где газ SO₂ улетучивается из сварочной ванны в атмосферу.

Рафинирование металла от фосфора называют дефосфорацией (обесфосфориванием) металла. Фосфор в сталях большинства марок является вредной примесью. Он выделяется по границам зерен металла в виде относительно легкоплавких фосфидов железа Fe₃P (Т_пл = 1170°С). В результате снижается пластичность металла, особенно ударная вязкость при низких температурах, такое явление называют хладноломкостью стали. Особенно отрицательное влияние фосфор оказывает на сталь с содержанием углерода 0,1 % и более и кремния 0,5% и более.

С кислородом фосфор образует Р₂О₅ (фосфорный ангидрид); температура плавления и кипения Р₂О₅ соответственно 569 и 590°С.

Дефосфорация металла шва протекает по реакции [Р₂О₅] + (СаО)₃ → (Са₃Р₂О₈) плюс нейтральные добавки, обычно плавиковый шпат. Тогда фосфаты кальция Са₃Р₂О₈будут разжижены и поднимутся в сварочный шлак.