Лекція 8

ВЗАЄМОДІЯ МІЖ РОЗПЛАВЛЕНИМ МЕТАЛОМ, ГАЗОВИМ СЕРЕДОВИЩЕМ І ШЛАКОМ (РОЗКИСНЕННЯ, ЛЕГУВАННЯ І РАФІНУВАННЯ МЕТАЛУ)

У зв'язку з можливим розвитком окисних процесів при зварюванні виникає необхідність розкиснення металу. Однак однієї операції розкиснення недостатньо для одержання наплавленого металу необхідного складу і властивостей, тому що метал утрачає деякі корисні домішки в результаті не тільки окиснювання, але і прямого випару під дією високих температур. Для компенсації цих утрат, а також для введення в наплавлений метал спеціальних добавок окремих елементів з метою підвищення якості металу, паралельно з розкисненням здійснюється і легування металу.

Нарешті, поряд з розкисненням і легуванням обов'язково робити рафінування металу, тобто очищення його від шкідливих домішок — сірки і фосфору, що попадають у метал зі шлаку,

Таким чином, взаємодія газової і жужільної фаз з рідким металом являє собою складний комплекс фізико-хімічних процесів, з яких найважливішими є реакції окиснювання, розкиснення, легування і рафінування металу.

Окисні процеси

Оксиди металу можуть бути розчинні чи нерозчинні в рідкому металі. У першому випадку вони утворять розчини з підвищеним змістом кисню, що різко погіршує якість металу.

Розчиняється в металі окисел заліза FeО, міді Cu₂O, нікелю NiО, титана TiО₂. У цьому випадку видалення залишків кисню з металу зв'язано з великими труднощами.

Нерозчинні в металі оксиди алюмінію Аl₂О₃, цинку ZnО, магнію MgО. Ці оксиди утворюють окрему фазу і порівняно легко видаляються в шлак, дозволяючи звести до мінімуму вміст кисню в металі. У залізі розчиняється його власний окисел FeО, інші ж оксиди, наприклад, MnО, SiО₂, Al₂O₃, TiО₂, у ньому практично не розчиняються.

Вуглець і водень, що знаходяться в металі, дають газоподібні оксиди, нерозчинні в рідкому металі і здебільшого встигаючі покинути метал до затвердіння (СО, Н₂О). Однак при відомих умовах частина їх може залишитися в металі і викликати пористість.

Можливі наступні три основні види окиснювання складових металу і шлаку:

1) пряме окиснювання;

2) окиснювання нижчих оксидів до вищих оксидів;

3) окиснювання на основі обмінних реакцій.

Пряме окиснювання в загальному виді може бути представлено реакцією

. (215) (8.1)

У цьому випадку здійснюється безпосереднє окиснювання металу вільним киснем з утворенням відповідного оксиду. Більшість таких процесів супроводжується виділенням тепла, тобто екзотермічно.

Постачальником вільного кисню в зону зварювання, крім повітряної атмосфери, може служити двоокис вуглецю CO₂, пари води, карбонати, вищі оксиди, що дисоціюють при нагріванні і виділяють вільний кисень.

Однак варто пам'ятати, що всі реакції, що йдуть з виділенням тепла, у тому числі й окисні, при високих температурах протікають в'яло.

Процеси прямого окиснювання можуть спостерігатися і на поверхні відкритої зварювальної ванни. Тут інтенсивність окисних реакцій значно вища, чому сприяє їхній екзотермічний характер.

Окиснювання на основі обмінних реакцій представляється в загальному виді наступним рівнянням:

, (216) (8.2)

де Me₁ і Ме₂ — метали.

Істотний вплив на напрямок реакції (8.2), крім зовнішніх умов, справляють концентрація реагуючих речовин і спорідненість елементів до кисню.

Види процесів розкиснення

Розгляд обмінних реакцій типу (8.2) дозволяє висновок, що стосовно металу такі реакції можуть мати не тільки окисний, але і відновний характер (якщо реакція зсувається вліво). Для цього варто застосовувати елементи, що мають підвищену спорідненість до кисню й у даних умовах здатні енергійно зв'язувати кисень, звільняючи метал з оксиду. Такі елементи називаються розкиснювачами, а сам процес відновлення металу з оксиду — розкисненням.

Крім розкиснення дією розкиснювачів існує особливий процес — дифузійне розкиснення, на якому ми окремо зупинимося далі.

Розглянемо процеси розкиснення на прикладі сталей, де результатом окисних процесів є утворення розчинного в металі оксида FeО.

Розкиснення з одержанням конденсованих продуктів реакції

При цьому виді розкиснення процес супроводжується утворенням конденсованих оксидів, нерозчинних у металі і спливаючих у шлак. До числа розкиснювачів, що утворять такі оксиди, відносяться титан, кремній, марганець, алюміній і ін.

У загальному виді реакція розкиснення заліза представляється наступним рівнянням:

, (217) (8.3)

де Pо — розкиснювач. Константа рівноваги реакції Але в сталях [Fe] ≈ 1, тому рівноважна концентрація вільного закису заліза в металі

Отже, концентрація вільного закису заліза зменшується з підвищенням вмісту розкиснювача і при зменшенні оксидів даного розкиснювача в металі. Якщо ж врахувати, що розкиснювачами є, як правило, елементи, що утворюють нерозчинні в металі оксиди, які видаляються у шлак, то концентрацію [Po_nO_m] можна вважати величиною постійною. Тоді, включаючи величину [Po_nO_m] у константу рівноваги реакції, одержимо

(218) (8.4)

Таким чином, при певних температурах можна установити залежність між концентрацією розкиснювача і концентрацією вільного закису заліза, що знаходиться з ним в рівновазі; тоді, задаючись припустимим вмістом [FeО], визначають концентрацію, що відповідає цьому вмісту, розкиснювача в металі.

У табл. 8.1 приведені дані про найважливіші обмінні реакції розкиснення з одержанням конденсованих оксидів. Як видно з таблиці, ці процеси екзотермічні, тобто супроводжуються виділенням тепла.

Таблиця 8.1

Реакції	Тепловий эфект, кал
	+187300 +62 994 -- +24 047 -- +35 8J5

Розглянемо характерні риси найбільш важливих розкиснювачів цієї групи, що застосовуються в зварювальній техніці.

а) Кремній — Si (T_пл = 1440 °С, T_кип = 2630 °С, густина γ= 2,37 г/см³). При окиснюванні утворює нерозчинний у металі кислий оксид SiО₂, котрий легко створює комплекси, у тому числі і з FeО. Силікати заліза спливають на поверхню металу і переходять у шлак, унаслідок чого підвищується розкиснююча здатність кремнію.

Н а рис. 8.1 показані ізотерми рівноваги між кремнієм і закисом заліза. Як видно з рисунка, з підвищенням концентрації кремнію в металі зменшується вміст у ньому закису заліза. При цьому розкиснююча здатність кремнію помітно збільшується зі зниженням температури. Оскільки оксиди кремнію збільшують кислотність шлаку, а разом з тим і його в'язкість, уведення кремнію в зварювальну ванну обмежують.

б ) Марганець - Мn (T_пл = 1244° С, T_кип = 2027° С, густина γ = 7,46 г/см³). При окиснюванні марганець перетворюється в закис МnО - відносно сильний основний оксид, нерозчинний у металі. Закис марганцю утворює із закисом заліза безперервний ряд розчинів як у рідкому, так і у твердому стані. Фізичне взаємне розчинення закису заліза і закису марганцю приводить до зменшення вмісту в шлаку вільного закису заліза, і тому створюються умови для відповідного переходу з металу в шлак нових порцій закису заліза.

На рис. 8.2 показана залежність концентрації закису заліза від вмісту марганцю в сталі, що відповідає рівноважному стану при різних температурах. Так само як і для кремнію, зі збільшенням вмісту марганцю в металі зменшується концентрація в ньому закису заліза, однак вплив кремнію виявляється сильніше. З рисунка видно, що зі збільшенням температури дія марганцю як відновлювача слабшає.

в) Титан - Tі (T_пл = 1750° С, T_кип = 3400° С, густина γ= 4,54 г/см³) відноситься до числа сильних розкиснювачів, більш сильних, ніж кремній і марганець.

Кислий оксид ТіО₂, що утворюється, нерозчинний в металі, легко вступає в комплекси, котрі переходять у шлак.

На рис. 8.3 зображена залежність між вмістом закису заліза і титана в металі, що відповідає рівноважним концентраціям, при температурі 1600° С. Тут також зі збільшенням вмісту титана зменшується кількість закису заліза.

Т итан активно реагує з азотом, утворюючи міцні нітриди, нерозчинні в металі. Разом з тим, він є сильним модифікатором, тобто елементом, що сприяє подрібнюванню зерна в металі.

г) Алюміній — Аl (Т_пл = 658° С, Т_кип = 1800° С, густина γ = 2,7 г/см³) є найбільш сильним розкиснювачем цієї групи. Утворює амфотерний оксид Al₂O₃. Розкиснення рідкого металу алюмінієм супроводжується значним виділенням тепла, а це забезпечує додатковий підігрів металу зварювальної ванни, що благотворно впливає на перебіг процесів. Однак окис алюмінію погано спливає на поверхню зварювальної панни і частково залишається у шві у виді неметалічних вкраплень. Це є однією з причин незначного застосування алюмінію як розкиснювача при зварюванні сталей.

Як видно з рис. 8.4, розкиснююча здатність алюмінію є досить високою.

Алюміній, як і титан, схильний утворювати з азотом стійкі нітриди.