Взаимодействие кислорода с расплавленным металлом сварочной ванны

В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.

Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.

Железо с кислородом образуют три соединения (оксида) имеющих весьма важное значение в металлургических процессах, происходящих при сварке плавлением:

Оксид железа FeO, содержащий 22, 27% O₂; оксид железа Fe₃O₄, содержащий 27, 64% О₂; оксид железа Fe₂O₃ содержащий 30, 06% О₂.

Из всех трех оксидов растворим в железе только FeO, остальные оксиды практически не растворимы.

Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках содержащие высшие оксиды, свободным железом могут раскисляться по реакциям.

Fe₃O₄+Fe=4FeO, Fe₂O₃+Fe=3FeO

Образующийся оксид Fe растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследствие чего в сварном шве образуются поры.

Если жидкий металл содержит элементы раскислители, которые имеют большие средство к О₂ чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация О₂ в сварочной ванне может бать значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Азот. При нормальных условиях азот химически активен и при обычной температуре он вступает в реакцию, только с литием образует нитрид лития. Азот способствует образованию пор в металле шва. Увеличение его концентрации в низкоуглеродистых сталях влияет на прочностные и пластические свойства этих сталей и способствует старению металла.

По влиянию на растворимость азота в железе элементы могут быть распложены примерно в следующий ряд: Ti, V, Cr, Ta, Mn, Mo, W.

Эти элементы увеличивают в определенных условиях и пределах растворимость азота, а Al, Cu, Zn, S, As, Co, Ni, Si, P, O, C, Mg, уменьшают его растворимость.

Взаимодействие металла со шлаком

При расплавлении электродного покрытия образуется шлак, который изолирует расплавленный металл от воздуха. Шлаки бывают кислые и основные.

Влияние серы и фосфора на количество сварных соединений. Сера, соединяясь с Fe, образует сульфид железа FeS, который является вредной примесью в металле шва. Сульфид железа в период кристаллизации сварочной ванны образует легкоплавкую эвтектику FeS-Fe с температурой плавления 940°C и малую растворимость в жидкой стали, это является причиной образования горячих трещин.

Фосфор также оказывает вредное влияние, он снижает ударную вязкость металла шва. Для ликвидации вредного влияния серы и фосфора необходимо уменьшить их содержание в металле шва созданием их соединений не растворимых в металле.

 

Легирование расплавленного металла

 

Легирование металла шва может быть получено расплавлением присадочной проволоки, введением в покрытие (или флюс) порошкообразных металлических добавок или восстановлением из окислов металлов.

Активность некоторых широко распространенных элементов по отношению к кислороду повышается в следующем порядке:

До температуры 1660°С: Cu – Ni – Со – Fe – W – Mo – Cr – Mn – V – Si – Ti – Zn – Al.

Элементы, стоящие левее от железа, при сварке сталей будут практически полностью усваиваться сварочной ванной. Большую трудность представляет легирование шва титаном и алюминием, так как чем правее от железа расположен элемент, тем быстрее он окисляется.

Влияние примесей в сталях

Примеси в сталях можно разбить на две группы: полезные (Ni, Si V, Cr V, Cr Mn C Mo) и вредные (H, N, S, O, P).

Углерод повышает прочность, а виде Fe₃С делает ее хрупкой.

Кремний (Si) – образует с O₂ тугоплавкие силикаты (SiO₂) являющийся центрами кристаллизации, уменьшающими величину зерна. Металл, имеющий мелкую структуру, является более прочным и пластичным. Кремний повышает механические свойства, но при содержании около 1% коррозионные свойства понижаются.

Марганец (Mn) – образует простые Mn₃C карбиды и легко растворяются в феррите и цементите, упрочняя их прослойки и являясь ценной легирующей добавкой, повышающей прочность и вязкость. При содержании Mn более 1÷ 1, 5% сталь приобретает хрупкость.

Хром улучшает вязкость и коррозионную стойкость стали, хорошо растворяется в феррите, хорошо также растворяются в феррите Mo, Ni, W, V.

Кислород образует закись FeO, которая снижает механические свойства.

 

 

Рисунок 12. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения.

 

Азот образует с Fe нитриды, которые расщепляют и блокируют зерна феррита, в следствии чего сталь становится малопластичный и вельми хрупкой. Азот способствует старению стали но делает сталь более прочной и износоустойчивой.

Сера образует FeS – сульфид железа. Наличие серы способствует образованию горячих трещин. Нейтрализуется марганцем.

Фосфор образует не стойкий раствор с ферритом, и вызывает сильный рост зерна. Фосфор повышает коррозионные свойства стали.

Железо в зависимости от температуры имеет следующие решетки:

до 911°С – объемно центрированный куб (α - железо);

от 911 до 1392°С (гамма - железо) гранецентрированный куб;

от 1392°С до 1536°С (температура плавления) объемно-центрированный куб (δ - железо).

Твердый раствор углерода в гамма – железо называют аустенитом.

Твердый раствор углерода и других легирующих элементов в α и δ – железе называют цементитом (карбид железаFe₃С). Механическую смесь феррита и цементита называют перлитом.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: