2.10. Оценка химического сродства элементов к кислороду

В процессе сварки происходит окисление основного металла и приме-сей. Образующиеся окислы могут быть жидкими, твердыми или газообраз-ными; растворимыми в металле и нерастворимыми.

Если образуются окислы, нерастворимые в металле, они, как правило, переходят в шлак, но могут частично оставаться и в металле в виде шлако-вых включений, что недопустимо, так как снижа­ются механические свойства сварного соединения. Наибольшие же затруднения вызывают окислы, растворимые в металле, так как они во всех случаях ухудшают свойства сварного соединения. Например, если окислы газообразные и если они могут растворяться в металле, то при охлаждении в результате уменьшения растворимости газов в металле они частично удаляются в окружающую среду, а частично остаются в металле. Оставшиеся в металле газы образуют в твердом растворе поры, рыхлоты и, как следствие, являя-ются причинами трещинообразования. Поэтому одна из существенных мер борьбы с окис­лением — его предупреждение. С этой целью сварку выпол-няют под флюсом, в среде защитных газов, в вакууме и т. п.

Однако защита сварочной ванны не всегда оказывается эффективной, поэтому применяют раскисление, т. е. восстановление элементов сплава из окислов (химическое раскисление) или удаление окислов из ме­талла дру-гим путем (диффузионное раскисление, раскисление осаждением).

Окисление и раскисление — это два направления одной и той же реакции, общий вид которой следующий

(2.34)

Реакция вправо — окисление, влево — раскисление.

При определенной температуре и определенном давлении, согласно уравнению (2.34), в системе одновременно присутствуют и чистый металл, и его окислы при определенном соотношении. Если изменить темпера­туру или давление, произойдет смещение реакции в ту или иную сто­рону, т. е. будет протекать интенсивнее либо реакция окисления, либо реакция рас-кисления. Процесс протекает до тех пор, пока не наступит равновесное состояние при заданных внешних условиях.

В любом техническом сплаве одновременно присутствуют различ­ные элементы в разных концентрациях и с разным сродством к кисло­роду. Окисляться будут одновременно все элементы, но с различной скоростью, так как последняя зависит от концентрации элемента в растворе и его химического сродства к кислороду. У некоторых элементов скорость оки-сления настолько мала, что их можно считать неокисляющимися. Так как раскисление протекает до равновесного состояния, полного раскисления получить нельзя и некоторое количество метал­ла остается окисленным. Поскольку реакции окисления и восстановления элементов из окислов являются частью металлургических процессов, протекающих при сварке, для правильного выбора элементов-раскислителей необ­ходимо уметь оце-нивать химическое сродство элементов к кислороду.

2.10.1. Оценка степени сродства элементов к кислороду по изменению изобарно-изотермного потенциала образования окисла

При наличии в системе газовой фазы — кислорода — направление протекания процессов можно определить по изменению изобарно-изотер-много потенциала. Изменение изобарно-изотермного потенциа­ла в процес-се образования окисла рассчитывают по константе равновесия, для чего в уравнение Вант-Гоффа вместо подставляют . Тогда уравнение нормального химического сродства примет вид

(2.35)

По результатам количественных расчетов изменения изобарно-изотер-много потенциала можно судить о качественных превращениях в ходе химических реакций:

а) уменьшается — процесс самопроизвольно развивается в направ-лении окисления элементов;

б) увеличивается — самопроизвольное окисление невозмож­но;

в) — наступило равновесие.

Таким образом, с уменьшением изобарно-изотермного потенциа­ла сродство элемента к кислороду возрастает.

Кривые, характеризующие зависимость изобарно-изотермного по­тен-циала образования окислов от температуры, показывают, что в интервале температур 1000...3500 К изобарно-изотермный потенциал с повышением температуры для подавляющего большинства элементов увеличивается, т. е. с повышением температуры степень химического сродства элементов к кислороду уменьшается.

Недостаток рассмотренного способа оценки химического сродства эле-ментов к кислороду заключается в том, что изобарно-изотермный потен-циал характеризует это сродство при концентрации элементов, равной единице (1 моль/литр), в то время как упругость диссоциации окислов рас-считывается при любых концентрациях элементов.