- •Оглавление
- •1. Основные понятия и базовые законы
- •1.1. Химическое равновесие.
- •1.2. Окислительно-восстановительные реакции.
- •2. Плавление металла в сварочной ванне
- •3. Формы присутствия кислорода в металле сварных швов
- •4. Источники кислорода в сварочной ванне
- •4.1. Окисление свободным кислородом газовой фазы.
- •4.2. Окисление влагой сварочных материалов.
- •4.3. Окисление сварочной ванны шлаками, содержащими FeO.
- •4.4. Окисление сварочной ванны химически активными оксидами.
- •5.Окисление металла защитными газами
- •6. Окисление металла при сварке под флюсом
- •6.1. Совместное протекание восстановительных реакций кремния и марганца.
- •6.2. Особенности окисления металла шва оксидами алюминия и титана.
- •6.3. Окисление металла диоксидом циркония.
- •7. Особенности окисления металла при сварке покрытыми электродами
- •7.1.Окисление металла газовой защитной средой.
- •8. Состав и форма оксидных включений в сварных швах
- •8.1. Методы определения содержания кислорода в сварных швах
- •8.2. Свойства, состав и форма силикатных оксидных включений в сварных швах
- •8.3. Свойства, состав и форма алюмосиликатных и других оксидных включений в сварных швах
- •8.4. Оксисульфидные и оксифосфидные сложные включения в сварных швах
- •9. Влияние оксидных включений в металле швов на их свойства
- •Заключение
- •Библиографический список
3. Формы присутствия кислорода в металле сварных швов
Кислород в металле шва может находиться в виде оксида железа, в виде фазы, в твердом растворе, в виде оксидных включений, в виде твердых растворов и эвтектик, образованных оксидными и сульфидными включениями, а также в виде молекул и частиц. Растворимость кислорода в железе в форме FeO мала и может быть описана для контактирования жидкого железа со шлаками, состоящими практически только из оксида железа, уравнением
(11)
где [%O] – содержание кислорода в % по массе.
Существенно меньшая электроотрицательность железа по сравнению с кислородом позволяет предположить, что кислород может существовать в железе в анионной форме О2-. Значительные размеры анионов обуславливают их ничтожную подвижность при пропускании через железо постоянного тока.
Однако практически все металлургические расчеты основаны на предположении о растворении кислорода в железе в форме FeO, и независимо от формы присутствия кислорода установлено, что растворимость его в твердом α-железе составляет 0,03 %, а в γ-железе – 0,003%.
В жидком железе, как показывают оценочные расчеты для температурного интервала выплавки стали, растворимость кислорода, соответствующая максимальным температурам в зоне плавления достаточно велика.
Например, при 2073 К в виде атомарного кислорода О она составляет 0,485 %, в виде FeO – 2,18 %; при 2573 К в виде О – 1,88 %; в виде FeO - 8,5 %.
При снижении температуры в сварочной ванне растворимость О2 в жидком железе уменьшается. Например, при снижении температуры происходит перераспределение FeO между шлаком и металлом в соответствии с константой распределения
где [FeO] и (FeO) – концентрации оксидов в металле и шлаке соответственно.
Константа распределения изменяется в зависимости от температуры по формуле
Выделяющийся из раствора FeO может не только переходить в шлак, но и вступать во взаимодействие с элементами-раскислителями, присутствующими в сварочной ванне (Mn, Si, Al, Ti и др.). Так как сродство у таких элементов к кислороду растет при снижении температуры, продукты раскисления образующиеся по реакции
(12)
частично переходят в шлак, но частично остаются и в закристаллизовавшемся металле в виде неметаллических включений, повышая общую концентрацию кислорода в нем. Поэтому при дуговой сварке плавлением концентрация кислорода по экспериментальным данным существенно выше того количества, которое способно раствориться в твердом железе.
При повышении содержания Si и Mn в металле шва заметно повышаются концентрации оксидов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно количество оксидов железа в них уменьшается.
Введение Al уменьшает общее количество оксидных включений в металле шва и приводит к появлению в их составе герцинита и даже глинозёма .
При наличии в шве образуются включения хромита .
Присутствие ванадия V способствует образованию его оксида .
При низкой концентрации в металле шва образуются включения титаната железа . При высоком – оксид титана .
В сварных швах, полученных ручной дуговой сваркой, оксидные включения по составу делят на три основных типа:
- смешанные железомарганцевые оксиды в виде непрозрачных включений в основном круглой формы. Образуются при значительной окисленности наплавленного металла при низком содержании активных раскислителей;
- железомарганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных с вкраплениями темных частиц округлых включений;
- стекловидный кремнезем, имеющий вид прозрачных частиц округлой или неправильной формы.
При сварке под флюсом вид и состав оксидных включений зависит от состава флюса и химического состава свариваемого металла. При сварке под высококремнистыми марганцевыми флюсами, включения, как правило, железомарганцевые силикаты.
При сварке под безмарганцевыми флюсами-силикатами в шве преобладают включения стекловидного кремнезема.
При сварке в активных защитных газах и их смесях вид и состав оксидных включений определяются химическим составом наплавленного металла и активностью по кислороду защитной среды.
Количество оксидных включений в швах, выполненных в голой проволокой, как правило, не превышает содержания этих включений в швах, полученных другими способами сварки плавления. Преимущественно оксиды, образующиеся при сварке в , по-видимому, зарождаются на поверхности металла или успевают выделиться из него в виде шлака. В шве остается не более 2 % , образующихся в сварочной ванне продуктов раскисления с наибольшим содержанием оксидов алюминия.
Встречаются и другие оксиды. Эти оксиды имеют неоднородный минералогический состав, могут образовывать сложные кислородосодержащие включения, например, оксисульфиды или фосфорсодержащие соединения.