Раскисление водородом.

В общем виде идёт реакция:

Недостатки водорода, как раскислителя:

1. Высокая растворимость в Ме.

2. Опасность образования пор и холодных трещин.

Вывод: Говоря об эффективности раскисления на основе обменных реакций следует иметь в виду, что даже когда процесс протекает длительно не достигается равновесия реакции. Поэтому при сварке отклонение от равновесия будет в сторону более высокого содержания закиси железа. В связи с этим на практике часто применяется несколько раскислителей.

Диффузионное раскисление.

Оно основано на частичном переходе закиси железа из жидкого Ме в шлак, т.к. её распределение между шлаком и Ме подчиняется закону распределения Нернста.

константа равновесия.

Для развития этого вида раскисления важно, чтобы концентрация свободной закиси Ме уменьшалась, тогда новые порции закиси Ме будут переходить из Ме в шлак. Уменьшение содержания свободной закиси железа в шлаке достигается следующими путями:

1. С вязыванием её в комплексное соединение – кислотный оксид (с образованием силикатов или титанитов).

2. Дополнительное применение раскисления на основе обменных реакций.

3. Разбавление шлаков нейтральными, в химическом смысле, добавками.

Константа распределения, определяющая степень перехода закиси железа из Ме в шлак, с увеличением температуры уменьшается.

При высоких температурах меньшее количество закиси Ме может перейти в шлак, нежели при низких.

При диффузионном раскислении закись железа удаляется из Ме в шлак путём диффузии, следовательно все химические процессы протекают на границе Ме – шлак, или в самом шлаке.

Недостатки: Само раскисление протекает медленно, поэтому, хотя при температурах близких к температуре плавления Ме L высока, скорость диффузии замедляется и общий процесс оказывается не очень высоким.

Процесс диффузионного раскисления наиболее заметен при образовании капли на торце электрода и при переносе её через дугу. Этому способствует очень высокая температура. Ме в капле энергично перемешивается и непрерывно контактирует со свежими порциями шлака. В сварочной ванне процесс диффузионного раскисления протекает лишь в верхнем тонком слое Ме, прилегающем к шлаку. В результате диффузионное раскисление не играет значительной роли при дуговой сварке и наиболее заметно при ЭШС.

Легирование металла при сварке.

Легирование осуществляется с соблюдением двух важных требований:

1. в качестве раскислителя следуют применять элементы родство которых к кислороду больше, чем сродство легирующего элемента;

2. наряду с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его оксид, наличие которого сохраняет легирующий элемент от выгорания.

Принципиально возможно легирование металла как через металлическою, так и через шлаковую фазу. Легирование через газовую фазу возможно, но не применяется.

Легирование через металлическую фазу.

Это основной способ легирования Ме шва при сварке. Легирование происходит в результате:

• поступление легирующего элемента из расплавляющегося при сварке основного металла;

• поступление легирующего элемента из присадочного металла (электродная проволока, стержень, мундштук);

• поступление легирующего элемента из состава покрытия при сварке штучного электрода или при сварке под слоем керамического флюса при механизированной сварке.

Легирование наплавленного Ме и Ме шва в результате обменных реакций.

Этот способ легирования используется если необходимо ввести небольшое количество легирующего элемента. Наиболее распространённой в этом случае является обменная реакция с окислением

– легирующий элемент.

Легирование воздействием газовой фазой на Ме.

При газовой сварке (углеводороды) посредством соответствующего регулирования пламени можно науглераживать Ме, если он растворяет углерод.

Рафинирование металла при сварке.

Рафинирование протекает одновременно с раскислением и легированием.

Рафинирование – очищение Ме шва от вредных примесей. Для сплавов на основе железа это удаление S и P.

Источники поступления S и P в Ме:

1. Расплавляющийся основной и присадочный Ме;

2. Шлаки.

Сера вызывает красноломкость стали, а значит повышает склонность к образованию к горячим трещинам. Такое влияние серы на свариваемый Ме при высоких температурах объясняется следующим. Сера образует с Fe легкоплавкие эвтектики. На первой стадии образуется FeS (Т_пл = 1195С). Этот сульфид почти не растворяется в твёрдом железе, а выделяется в нём в виде эвтектики или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектика FeS + Fe имеет Т_пл = 985С. Низкую Т_пл имеет эвтектика типа 2FeO  SiO₂ + FeS (T_пл < 980С). Чем больше серы, тем больше появляется легкоплавкой эвтектики, тем сильнее красноломкость стали, т.е. содержание серы ограничивают. Особенно вредным оказывается наличие серы в легированных сталях, особенно в сплавах, содержащих Ni, т.к. образуется эвтектика NiS (Т_пл = 644С). Усиливать вредное влияние серы могут и другие элементы. В низколегированной стали это углерод. Аналогичное воздействие может оказать и Si.

Вывод: Для более полного удаления серы из Ме или для более благоприятного распределения оставшейся её части в сварочную ванну нужно вводить элементы, которые исеют большее сродство к сере, чем к железу. По степени возрастания прочности образующихся сульфидов эти элементы можно расположить в следующий ряд:

Al, Ca, Na, Mg, Mo, Mn, Fe, Ni.

Однако использовать в сварочной практике первые 4 неудобно, т.к. все они имеют высокое сродства к O₂; т.е. связываются в оксиды, а потом в сульфиды.

Наибольший интерес представляет Mn, т.к.

• имеет высокое сродство к серк;

• всегда присутствует в стали в достаточно больших количествах;

• образует тугоплавкий сульфид, который равносерно распределяется по всему объёму Ме шва;

• При концентрации в стали > 0,5 – 0,6% способствует переходу серы в шлак.

При сварке сталей применяют связывание серы в MnS (Т_пл = 1610С).

Удаление серы в шлак посредством воздействия оксидов Mn и Ca.

Связывание серы происходит следующим образом:

Концентрация FeS в Ме уменьшается, при увеличении в нём концентрации Mn. Однако реакция (1) в направлении связывания серы в MnS развивается только при понижении температуры Ме. Следовательно при большом количестве марганца в Ме значительная часть серы остаётся в шве, связанной в FeS. Уменьшить содержание FeS в жидком Ме можно воздействием шлака, содержащего оксиды Mn и Ca. При этом происходят реакции:

Уменьшению FeS в шве способствует лучшая раскисляемость Ме и увеличение содержания оксидов Mn и Ca в шлаках.

В ряде случаев для десульфурации серу связывают в летучие соединения типа Al₂S₃, SnS с Т_кип = 1550С и Т­_кип = 940С .

Фосфор в сплавах на основе Fe является очень вредной примесью. Он ухудшает механические свойства низколегированных и углеродистых сталей, вызывая хладноломкость. В сталях аустенитного класса повышается склонность к образованию горячих трещин.

Уменьшение количества фосфора добиваются за счёт ограничения его содержания в основном и присадочном Ме, в покрытиях, флюсах, шлаках, газовой фазе. Удаление фосфора из Ме шва основывается на его окислении и последующем связывании фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соединения. Окисление фосфора осуществляется по следующим реакциям:

P₂O₅ – кислый окисел, следовательно он должен образовывать комплексное соединение с основными окислами (FeO, MnO, MgO, CaO).

Наиболее активно связывание происходит по следующим реакциям:

Если представить в общем виде, то получится:

Анализ выражения (7) показывает:

Уменьшение содержания фосфора в Ме шва будет возрастать с увеличением содержания в шлаке свободных окислов Fe и Ca и с уменьшением количества CaO связанного с P₂O₅ в комплексные соединения с SiO₂ и TiO₂. Отсюда следует, что их свободные концентрации будут гораздо меньшими и удаление фосфора из Ме в шлак будет затруднено.

Основные шлаки более благоприятны для процесса обесфосфоривания. В основных шлаках концентрация комплексных соединений (3CaO P₂O₅) уменьшается путём разбавления шлака нейтральными добавками (плавиковый шпат CaF₂). Такая добавка улучшает ряд физических свойств шлака увеличивая его жидкотекучесть, а это приводит к большёму участию её относительно объёма в реакциях с Ме. Константа реакции (7) с повышением температуры возрастает, а это указывает на смещение равновесия в сторону усиления перехода фосфора в Ме. Следовательно, более активно процесс обесфосфоривания Ме при сварке при обработке его шлаком будет происходить при понижении температуры. Аналогично, но слабее, происходит процесс обесфосфоривания, если вместо CaO применить MnO. Однако, всегда следует учитывать, что фосфор является спутником примесях Mn, следовательно увеличение марганца в покрытиях и флюсах будет сопровождаться увеличением фосфора в шлаке. При сварке фосфор будет переходить в Ме. Широкое применение MnO при сварке не получил.

Интенсификация процесса взаимодействия Ме – флюс при повышении температуры приводит к тому, что применение тонкой электродной проволоки и больших плотностей тока увеличивает содержание P в Ме шва по сравнению с более толстой сварочной проволокой. Даже если P в добавочном Ме и флюсе содержится одинаковое количество.

Модифицирование металла при сварке.

Одна из важнейших функций флюсов или электродных покрытий. Металлургическая обработка включает:

• раскисление;

• легирование;

• модифицирование;

• рафинирование.

В связи с активным развитием окислительных процессов при сварке плавлением всегда есть потребность раскисления Ме. Однако, чтобы получить наплавленный Ме требуемого состояния и свойств одной операции раскисления недостаточно, т.к. Ме теряет некоторое количество полезных примесей не только при раскислении, но и под действием прямого испарения при действии высоких температур. Для компенсации этих потерь, а также введения в наплавленный Ме специальных добавок параллельно с раскислением осуществляют легирование Ме. Наряду с раскислением и легированием обязательно нужно рафинировать Ме (очищать Ме от серы и фосфора). Для улучшения структуры первичных кристаллов, её измельчения и упорядочения вводят небольшие количества специальных модификаторов. Для сталей: Nb, Ti, Zr, V.