16.Рафинирование металла сварочной ванны. Способы снижения содержания серы и фосфора.

Рафинирование металла при сварке заключается в очистке жидкого металла от вредных примесей (для стали главным образом от серы и фосфора). Эти элементы попадают в расплав из основно­го металла, а также через материалы электродных покрытий и сва­рочную проволоку, из которой изготавливают электродные стержни.

Содержащаяся в стали сера практически нерастворима в твердом железе и находится в виде сульфида железа FeS с тем­пературой плавления 1193*С. С железом сульфид железа образует легкоплавкую смесь (эвтектику) с более низкой темпе­ратурой плавления - 985"С (температура плавления стали 1400-1500'С). При затвердевании сварочной ванны и росте кри­сталлов эвтектические образования долгое время не твердеют и остаются в жидком состоянии в виде прослоек между зернами, ослабляя связи между ними. При возникновении растягивающих напряжений (а такие напряжения при сварке присутствуют все­гда) эти связи разрываются, образуя горячие трещины.

С повышением содержания серы в расплаве склонность ста­ли к образованию трещин резко возрастает. Возрастает она также и при сварке сталей, содержащих в повышенных концентрациях никель. В этом случае па базе сульфида никеля NiS образуются эвтектики с очень низкой для стали температурой плавления - всего 644'С. Усиливать вредное действие серы могут и другие элементы, в частности углерод, особенно при сварке углеродис­тых и низколегированных сталей.

В связи с этим для получения качественного шва содержание серы в расплавленном металле сводят к минимально возможному уровню. С этой целью ограничивают содержание серы в основ­ном металле и в электродах, а расплав в процессе сварки подвер­гают специальной рафинирующей обработке. Эта обработка за­ключается в переводе серы из расплавленного металла в шлак с помощью вводимого в расплав марганца и посредством воздейст­вия содержащихся в шлаке оксидов марганца и кальция. При этом проходят следующие реакции:

FeS+Mn=Fe+MnS; FcS+MnO=FеO+MnS; FeS+CaO=FеO+CaS

Нерастворимые в жидком металле сульфиды марганца и кальция переходят в шлак.

Присутствие фосфора в стали также ухудшает ее механичес­кие свойства, вызывая хладоломкость — резкое снижение пластичности и вязкости, особенно при пониженных температурах. Он по­вышает склонность металла к образованию горячих трещин. В отличие от серы фосфор растворится в железе и может находить­ся в металле шва как в растворенном состоянии, так и в виде лег­коплавких включений — фосфидов железа Fe₂P и Fe₃P, а также фосфидных эвтектик, располагающиеся по границам зерен. Воз­можность образования таких включений и, как следствие, склон­ность к образованию горячих трещин тем больше, чем выше кон­центрация фосфора и ниже его растворимость в твердом металле. Так как растворимость фосфора в аустените меньше, чем в ферри­те, опасность образования .трещин от фосфора значительно больше в швах с аустенитной структурой, часто получаемых при сварке высоколегированных сталей.

Влияние серы и фосфора на образование горячих трещин взаимно усиливается тем, что места ликвации соединений этих элементов в металле шва совпадают. Углерод также усиливает вредное действие фосфора. Можно отметить, что при обычных концентрациях фосфора в швах, получаемых при сварке углеро­дистых и низколегированных сталей, он горячих трещин не вы­зывает.

Уменьшения концентрации фосфора в расплавленном метал­ле добиваются, ограничивая его содержание в основном металле и в электродах, а также удаляя фосфор из расплава путем его окисления и связывания полученного фосфорного ангидрида в нерастворимые в металле шлакующиеся комплексные соедине­ния. Процесс обесфосфоривания расплавленного металла при сварке можно описать следующими реакциями;

2Fe₂P+5FеO=P₂0₅+9Fe; 2Fe₃P+5FeO=P₂0₅+llFe;

ЗСаО+ Р₃0₅=(СаО)₃Р₂0₅; 4СаО+Р₂0₅-(СаО)₄Р₂0₅.

В металле швов, выполненных ручной дуговой сваркой, содержание серы, как правило, не превышает 0,030-0,040% для углеродистых и низколегированных сталей и 0,015 0,025% для высоколегированных сталей; содержание фосфора не превышает соответственно 0,035-0,045 и 0,015-0,035%.