9.2. Деякі загальні подання про взаємодію металів з газами

Взаємодія металів з газами при зварюванні та споріднених технологіях викликає утворення пір, зниження тривалої міцності сполук зі сталей і сплавів, зниження тендітної міцності.

Для розробки оптимального технологічного процесу необхідне знання характеру взаємодії металів з газами взагалі.

Гази, що поглинаються металами, можуть рівномірно розподілятися по об'єму або концентруватися в поверхні. Поглинання газів поверхнею називається адсорбцією. Об'ємне поглинання газів називають абсорбцією або оклюзією. Поглинання газів і поверхнею, і об'ємом (обома способами) називається сорбцією.

Поглинання газів металами може бути також пов'язане з утворенням поверхневих плівок, хімічних сполук (окислів, нітридів і ін.). На поверхні гази втримуються силами хімічної природи - процес хемосорбції або більше слабкими силами - процес фізичної адсорбції.

Поглинання металами газів являє собою складний процес, що складається з ряду елементарних процесів. До їхнього числа ставляться:

1. підхід молекули газу до поверхні металу;

2. адсорбування газу на поверхні металів;

3. дисоціація молекул газу на атоми під впливом атомів поверхневого шару металу;

4. іонізація атомів;

5. перехід атомів газу через границю газ – метал і нагромадження їхньому поверхневому шарі металу;

6. дифузія газу (масопереніс атомів газу) через об'єм металу;

7. розчинення атомів газу в металах;

8. утворення хімічних сполук газів з металами;

9. розчинення хімічних сполук у металах.

Перераховані елементарні процеси в різних умовах можуть протікати й одночасно, в деякій послідовності.

У той же час молекули газу можуть не тільки адсорбовуватися, розчинятися, але й десорбуватися з поверхні виробу, тобто процес може йти у зворотному напрямку, зокрема при охолодженні виробу.

У багатостадійному процесі взаємодії газу з металом масопереніс атомів газу в об'ємі розплавленого металу не обмежується швидкістю розподілу азоту й водню між металом і газовою фазою. Загальна швидкість насичення металу краплі газами визначається швидкістю підходу атмосферного повітря до металу, тобто адсорбцією й переходом газу через границю газ-метал.

У той же час, протікання таких етапів, як адсорбція й дисоціація газових молекул, їхнє нагромадження в поверхневому шарі залежить від структури й властивостей самого поверхневого шару, а значить і від наявності в металі поверхнево активних елементів.

Але, крім властивостей поверхні металу, на швидкість насичення й виділення газів буде впливати й здатність самих газів до адсорбції, тому що в кожному із цих двох процесів однієї із проміжних стадій є адсорбція газів у поверхневому шарі металу. При цьому чим вище буде здатність газу до адсорбції, тобто чим вище буде його активність, тим легше повинне відбуватися й поглинання й виділення газу металом.

А) Насичення металу газами, і в першу чергу азотом, воднем і киснем, призводить до зміни механічних властивостей металу й до порушення щільності сполуки.

Наприклад, наявність азоту в металі, хоча призводить до підвищення міцності стали, але знижує пластичність через утворення нітридів.

Досить значний негативний вплив водню на якість металу та з’єднання металів. При наявності водню знижується пластичність, втомлювальна і тривала міцність. Спостерігається фізична і хімічна дія водню. Фізична дія пов'язана зі створенням підвищеного тиску водню в мікропорах, що виникає в результаті перетворення на поверхнях дефекту атомарного водню в молекулярний. Хімічна дія водню пов'язана з зневуглецюванням і руйнуванням границь зерен. Присутність водню в розплавленому металі сприяє також утворенню тріщин в основному металі й виникненню дефектів.

Б) Механізм кінетики поглинання й виділення газів обумовлюється їхньою поверхневою активністю. У свою чергу активність визначається впливом газів (азоту, водню, кисню) на одну з найважливіших поверхневих характеристик – на поверхневий натяг металу.

Установлено, що водень володіє не дуже великою активністю з погляду впливу на поверхневий натяг металів і їхніх сплавів. У той же час азот більше активний. Азот є поверхнево активним елементом як у чистому залізі, так і в сплавах на основі заліза. Знизити поверхневу активність азоту, а також і водню можна шляхом введення в метал інших більше активних елементів.

До поверхнево активних елементів, що знижують поверхневий натяг сталей ставляться сірка, вуглець, марганець, кремній, хром, фосфор.

У той же час нікель, титан, молібден, вольфрам підвищують поверхневий натяг сплавів на основі заліза.

У загальному випадку кількісний вплив окремих елементів залежить від їхнього змісту й змісту в сплаві інших добавок.

Концентрація атомів газу в поверхневому шарі металу приблизно може бути визначена за рівнянням

(9.1)

де – величина адсорбції, відповідно до рівняння Гіббса;

N – число Авогадро; М – молекулярна маса газу; d – щільність розплаву; с – концентрація поверхово активного елемента; σ – поверхневий натяг розплаву.

Відповідно до цього рівняння адсорбція водню падає з ростом змісту вуглецю в розплаві. За допомогою даного рівняння також можна знайти залежність адсорбції азоту від змісту в рідкому залізі активних елементів.

Самим поверхово активним елементом у сталях є кисень, тому його невеликі добавки істотно знижують поверхневий натяг.