8.11 Окиснювальні процеси

В реакційній зоні зварювання відбувається окиснення металу.

Оксиди можуть бути:

1. Розчинні у металі шва.

2. Не розчинні у металі шва.

У першому випадку оксиди утворюють розчини з підвищеним вмістом кисню, а це значно погіршує властивості металу шва.

Оксиди, що відносяться до другої групи, присутні у вигляді окремих фаз і легко відводяться у шлак. Сам процес окиснення металу у зварювальній ванні може іти по трьом схемам:

1. Пряме окиснення

. (8.33)

2. Окиснення нижчих оксидів до вищих (див. пункт 8.3).

3. Окиснення в результаті обмінних реакцій

. (8.34)

Кисень передається металу зварювальної ванни повітрям, вуглецевим

газом, карбонатами, вищими оксидами, які дисоціюють, виділяючи вільний кисень.

8.12 Розкиснювальні процеси

Це процес звільнення металу з його оксидів. Елементи, що звільняють метал з його оксидів мають назву розкиснювачі (алюміній, титан, марганець, вуглець, кремній, хром, тощо). Крім розкиснювання розкиснювачами, розкиснення може іти дифузійним шляхом.

8.12.1 Розкиснення з утворенням конденсованих продуктів

реакцій (на прикладі сталі)

Розкиснення протікає з утворенням нового оксиду розкиснювача, що переводиться у шлак, а відновлений метал переходить у зварювальну ванну.

В загальному випадку реакція розкиснення заліза має вигляд

, (8.35)

, (8.36)

де К _с — константа рівноваги.

Для сталі , тоді

. (8.37)

Можна рахувати, що концентрація =const і включити її в константу рівноваги. Тоді

. (8.38)

Чим більша концентрація розкиснювача, тим менша концентрація оксидів у металі.

Використовуючи формулу (8.38) та задаючись концентрацією закисі заліза у зварювальній ванні, визначають необхідну кількість розкиснювача.

Властивості розкиснювачей:

1. Кремній. Температура плавлення 1440 °C, густина 2,4 гсм^–3. Окиснюється до SіO₂, не розчиняється у воді, схильний до утворення комплексних сполук, які переводяться у шлак. Чим більша концентрація Sі, тим інтенсивніше процес розкиснення і чим нижча температура, тим більш розкиснююча спроможність кремнію.

2. Марганець. Температура плавлення 1244 °C, густина 7,5 гсм^–3. При взаємодії з киснем утворює відносно сильний основний оксид, який не розчинний у металі. MnO утворює з FeO нерозривний ряд розчинів як у рідкому, так і у твердому стані. Чим більша концентрація марганцю і чим нижча температура, тим більша його розкиснююча спроможність.

3. Титан. Температура плавлення 1660 °C, густина 4,5 гсм^–3. Є більш сильнішим розкиснювачем, ніж марганець та кремній. Утворює TіO₂, який не розчиняється у воді, з оксидами металу утворює титанати, які переводяться у шлак. При взаємодії з азотом утворює нітриди. Хороший модифікатор.

4. Алюміній. Температура плавлення 658 °C, густина 2,7 гсм^–3. Один з найсильніших розкиснювачів. Утворює амфотерний оксид Al₂O₃, процес розкиснення супроводжується звільненням великої кількості тепла, що додатково підігріває зварювальну ванну. Al₂O₃ погано виходить на поверхню, часто знаходиться у вигляді включень у зварному шві. Алюміній взаємодіє з азотом з утворенням нітридів.

8.12.2 Розкиснення з утворенням газоподібних продуктів

реакцій

Розкиснення вуглецем. Може іти у два етапи.

Перший етап

. (8.39)

Другий етап

. (8.40)

CO при великих температурах стійкий, тому вважають, що процес розкиснення обмежується реакцією (8.39), константа рівноваги якої буде визначатися згідно формули (8.41).

. (8.41)

Так, як , то

, (8.42)

де р_СО — парціальний тиск CO.

Якщо зварювання проводиться при нормальних атмосферних умовах, то р_СО = 1 атм і

. (8.43)

З формули (8.43) бачимо, що чим вища концентрація вуглецю, тим менша концентрація FeO, тим активніше іде процес розкиснення, але введення великої кількості вуглецю у зварювальну ванну може привести до кипіння сталі і зниженню технологічної міцності.

Розкиснення воднем.

. (8.44)

. (8.45)

Приймаємо , а також замінюємо на ,

а на .

Тоді

, (8.46)

. (8.47)

Водень є хорошим розкиснювачем, але його використання приводить до утворення пор і тріщин.

Розкиснювачі, що використовуються, можна розташувати в порядку зменшення розкиснюючих здібностей у ряд: Al, Tі, Sі, C, H, Mn, Cr.