- •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
4. Источники кислорода в сварочной ванне
Окисление металла в сварочной ванне может происходить разными путями: при наличии в защитной среде свободного кислорода или его соединений; при наличии на свариваемых кромках оксидов, способных при нагреве диссоциировать и выделять свободный кислород; в случае присутствия во флюсе или электродном покрытии оксидов, растворяющихся в жидком металле: при использовании в электродных покрытиях или флюсах химически активных оксидов, вступающих в обменные окислительно-восстановительные реакции с металлом сварочной ванны.
4.1. Окисление свободным кислородом газовой фазы.
При наличии свободного кислорода в газовой фазе над сварочной ванной, он взаимодействует с жидким металлом по реакции
. (13)
Кроме того, вследствие высокой температуры столба дуги, наряду с молекулярным над сварочной ванной обязательно присутствует атомарный кислород. В этом случае окисление металла идет по реакции
. (14)
Причем реакция (14) идет более интенсивно, чем реакция (13).
Рассмотрим простейший случай окисления металла газообразным кислородом при сварке плавлением. В простейшем виде (для FeO, NiO и других оксидов) реакция (13) примет вид
. (15)
Реакция обратима и может идти как в сторону окисления (с выделением теплоты), так и в сторону восстановления (с поглощением Q). Направление реакции определяется стремлением системы к равновесию и задается соотношением температуры и давления. Равновесие реакции определяется константой равновесия.
(16)
Где - равновесное парциальное давление кислорода, называемое упругостью диссоциации оксида и характеризующее его химическую прочность при данной температуре.
Когда металл и оксид являются конденсированными фазами и не находятся в растворе константа равновесия (16) выражается одним парциальным давлением кислорода:
или .
В рассматриваемом случае значение упругости диссоциации оксида позволяет судить о том, каковой является среда по отношению к металлу: нейтральной, окислительной или восстановительной. Так если текущее парциальное давление кислорода в газовой фазе над сварочной ванне равно , то газовая фаза по отношению к металлу нейтральна; при > газовая фаза окислительная; при < газовая фаза восстановительная.
Упругость диссоциации различных оксидов, наиболее часто встречающихся при сварке, существенно зависит от температуры. Элемент , имеющий большое сродство к кислороду, чем , может обеспечить протекание обменных реакций вида (10). Т.е. элементы с большим средством к кислороду являются раскислителями для оксидов элементов с меньшим сродством к кислороду.
При сварке наиболее часто идет взаимодействие металлов в растворах, причем их оксиды также присутствуют в растворах (например в жидком шлаке). В этом случае упругость диссоциации оксида для реакции (15) выражается как
,
где и - соответственно активности оксида и металла.
Заменив на (упругость диссоциации чистого оксида), получим
.
Если раствор насыщен оксидом металла, то и тогда имеем
(17)
Активности меняются не строго согласно изменению концентраций, т.к. понятие термодинамической активности определяется как отношение давления пара данного вещества над раствором к давлению пара над чистым веществом при той же температуре. В термодинамических расчетов применяют коэффициент активности, представляющий собой отношение активности к концентрации:
,
где - концентрация вещества в растворе в мольных долях;
- термодинамическая активность вещества.
Упругость диссоциации оксида железа в зависимости от абсолютной температуры описывается уравнением
Расчеты равновесных концентраций кислорода в газовой фазе при различных содержаниях оксида железа в жидком металле для интервала температур от 1813 до 2573К свидетельствуют о том, что даже незначительное парциальное давление кислорода (концентрация) в газовой фазе может вызвать окисление жидкого металла.
Таким образом, при дуговой сварке необходимо принимать меры к ограничению парциального давления в газовой фазе над сварочной ванной, особенно если есть ограничения по его содержанию в наплавленном металле. Например, для сварных конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера.
Окисление сварочной ванны поверхностными оксидами.
При сварке сталей такими оксидами являются окалина и ржавчина. В сварочной ванне высшие оксиды железа будут раскисляться жидким железом по реакциям:
(18)
(19)
Константы равновесия этих реакций (рассчитанные С.Т. Ростовцевым)
говорят о возможности реакций (18) и (19) слева направо в интервале температур сварочной ванны. Образующийся в результате реакций оксид железа будет распределяться между металлом и шлаком в соответствии с константой распределения.
Экспериментальные данные (получены К.В. Любавским) свидетельствует, что при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом ОСЦ-45 при зачищенных кромках содержание кислорода в металле шва составляет 0, 035 %, а при сварке по кромкам с окалиной – достигает 0,055 %.