2.5. Окисление оксидами, находящимися на поверхности

На свариваемых поверхностях (свариваемых кромках) могут быть оксидные пленки (на сталях оксиды железа находятся в виде окалины или ржавчины). При нагреве ржавчины присутствующая в ней влага будет испаряться и, входя в газовую среду, окружающую металл, повышать ее окислительную способность. Окись железа и окалина при нагреве переходят в закись железа с выделением О₂ ↑

3Fe₂O₃ → 2Fe₃O₄ + O₂ → 6FeO + O₂.

окись окись-закись закись

При этом и кислород и FеО окисляют металл. Окисление за счет ржавчины и окалины особенно большое значение имеет при автоматической и дуговой сварке качественными электродами. Других каналов окисления в этом случае относительно мало.

3. Раскисление металла при сварке

Кислород в свариваемом металле может находиться в виде оксидных пленок на поверхности как твердого металла, так и на поверхности жидкого металла сварочной ванночки, а также в растворенном виде как в железе, так и в других металлах (например, в меди). При охлаждении растворенные оксиды выделяются в виде твердых включений. Если в металле присутствуют элементы с большим сродством к кислороду, то кислород может входить также в состав оксидов этих элементов.

В условиях сварки под раскислением понимают удаление кислорода в любых его формах. Основным способом раскисления при сварке с использованием обмазок или флюсов является обработка (промывка) жидкого металла шлаками, образующимися при плавлении этих флюсов и покрытий. Для облегчения промывки жидкого металла шлаком и более полного удаления оксидов необходимо перевести кислород из растворимого состояния в нерастворимое. Например, в низкоуглеродистые стали вводят раскислители, переводящие закись железа в оксиды типа MnO, SiO₂ и т.п., которые нерастворимы в железе.

3.1. Низкоуглеродистые стали

Восстановление закиси железа в жидкой стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом СО, Si и в небольшой степени Mn. Восстановление углеродом протекает по реакции

FeO + C = Fe + CO.

растворим в Fe

В исходном металле содержание закиси железа (FeO) мало. Однако, с начала нагрева и плавления происходит его окисление газами и шлаками (см. ранее). Поэтому при обычном содержании в стали углерода (0,1-0,2%) можно ожидать его (углерода) окисления. Окись углерода (СО) в стали, практически, не растворима, поэтому она удаляется в окружающую атмосферу в виде всплывающих пузырей. При последующем охлаждении реакция окисления углерода приостанавливается, т.к. уменьшается его концентрация. Кроме того, с понижением температуры изменяется равновесие концентрации С и О₂ (большее содержание О₂ будет находится в равновесии с углеродом). При охлаждении большое значение в восстановлении закиси железа могут иметь также Si и Mn.

Процесс раскисления углеродом имеет важное значение при сварке углеродистых сталей.

Кроме углерода раскисление металла шва при сварке низкоуглеродистых сталей осуществляется промывкой шлаком с удалением закиси железа или с предварительным переводом её в нерастворимые оксиды. Шлаки могут быть основными и кислыми. Это определяется основностью шлака, т.е. соотношением в нем основных окислов и кислородных окислов ). Шлаки целесообразно выбирать кислыми, если удаляется закись железа, и основными, если закись железа была предварительно восстановлена кремнием.

Однако наиболее эффективно процесс раскисления происходит в результате предварительного перевода кислорода, который растворен в стали (FeO - растворим в стали) в нерастворимую форму при помощи кремне – марганцевосстановительных процессов. Продуктами такого взаимодействия являются нерастворимые в железе MnO и SiO₂, которые затем вступают во взаимодействие друг с другом и дают легкоплавкие комплексные соединения типа (MnO  SiO₂), которые легко переходят в шлак.

FeO + Mn  MnO + Fe;

2FeO + Si  SiO₂ + 2Fe

Если сопоставлять роль Si и Mn, то следует отметить, что сродство к кислороду Mn меньше, чем Si. Поэтому основную роль в раскислении играет Si. Марганец играет главную роль в образовании легкоплавких силикатов.

Введение в металл шва Si и Mn возможно осуществлять тремя основными способами:

1. Через электродную проволоку,

2. Через электродные покрытия или керамические флюсы, содержащие соответствующие ферросплавы (FeMn и FeSi),

3.Через развитие кремне – марганцевосстановительных процессов (в направлении ).

Практика показывает, что при сварке плавлением покрытыми электродами или под флюсом такой путь наиболее эффективен. При высоком содержании MnO и SiO₂ во флюсе (или покрытии электрода) и низком содержании FeO, а также благодаря высокой температуре процесс идет активно в направлении (). В покрытиях же исходная низкая концентрация оксидов железа достигается введением в них ферросплавов. Отметим, что для более полного удаления продуктов раскиления необходим правильный подбор состава шлака. Отметим также, что если продукты реакции кислые, то шлак должен быть основным и наоборот (т.к. FeО - основной окисел, то для н/у сталей шлак должен быть кислым).

При сварке в атмосфере защитных газов (CO₂, Ar или смеси газов) шлака как такового нет, поэтому раскисление возможно только при введении раскислителей в сварочную ванночку через присадочную проволоку. В этих случаях применяют сварочную проволоку, содержащую Si и Mn: Св-10ГС; Св- 08ГС; Св-08Г2С (в проволоке содержится  1,4 - 2,4% Mn и 0,6 - 1,0% Si). Шлак в этих случаях тем не менее образуется в небольших количествах. Он является результатом науглероживания продуктов раскисления: Fe; MnO; SiO₂.