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/C_s – степень пересыщения расплава.

Из приведенной формулы следует, что критический радиус включении будет тем меньше, чем ниже значение σ_м.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.