8.1. Методы определения содержания кислорода в сварных швах

При изучении количества, состава и форм присутст­вия кислорода в металле сварных швов обычно исполь­зуют следующие основные методы: химическое опреде­ление содержания общего количества кислорода в ме­талле; определение кислорода в металле шва вакуум­ным плавлением; комплексное исследование количества и состава оксидных включений в металле шва.

Химические методы определения содержания кисло­рода в твердом металле шва включают алюми­ниевый метод Герти, вакуумный алюминиевый метод П. С. Лебедева, диффу­зионно-алюминиевый метод, водородный метод Ледебура, водородно-алюминиевый метод.

Процесс определения кислорода в этом случае со­стоит из трех последовательных этапов: отбора пробы металла в виде стружки; выделения кислорода из ото­бранной пробы (включая и выделение кислорода в виде химического соединения); определения количества и со­става извлеченного кислорода (включая и случаи опре­деления количества химического соединения, в состав которого входит кислород).

На практике химические способы определения содер­жания кислорода применяют сравнительно редко из-за трудоемкости методов и недостаточной их точности.

Из существующих способов определения кислорода в металле шва наиболее универсальным, обоснованным и надежным считается метод вакуумной плавки.

Универсальность и надежность метода вакуумной плавки обусловлена тем, что в его основе лежит прин­цип извлечения газов, осуществляемый комбинирован­ным воздействием на металл избытком углерода и высо­кого вакуума в условиях высоких температур.

Метод вакуумной плавки требует специальной слож­ной аппаратуры, а производство анализов по этому ме­тоду, не считая отбора и подготовки проб, состоит из трех этапов: выделения газов из анализируемой пробы; откачки и отбора экстрагируемых газов; определения количества и состава собранных газов.

В методе вакуумной плавки кислород из анализируе­мого металла извлекается в газовую фазу в виде оксида углерода по реакции

МеО + С → Ме + СО

или МеО + 2С → МеС + СО.

В соответствии с законом действующих масс [МеО][С]~[Ме][СО], где в квадратных скобках приведены активности участвующих в реакции веществ.

Поскольку при этом методе проба плавится в графи­товом тигле и в процессе анализа металл насыщается уг­леродом, то концентрация последнего в расплаве будет постоянной. Кроме того, концентрация металла или элемента-раскислителя в результате восстановления соот­ветствующих оксидов изменяется в незначительных пре­делах, поэтому можно считать, что концентрация металла будет также постоянной.

В результате при установившемся равновесии в систе­ме количество остающегося в расплаве кислорода будет пропорционально парциальному давлению оксида угле­рода в газовой фазе: [МеО] = Крсо.

Это означает, что при определенных температурах, достаточных для достижения равновесия в краткие сро­ки, кислород, содержащийся в металле, может быть пол­ностью переведен в газовую фазу в виде СО при вы­держке пробы в условиях высокого вакуума.

Температура, необходимая для экстракции имеющего­ся в пробе кислорода, зависит от вида оксида в металле. При этом чем прочнее оксид, тем более высокая темпе­ратура необходима для его восстановления, вернее, для достижения равновесия с практически приемлемой ско­ростью. Критерием прочности оксидов принято считать теплоту их образования, отнесенную к молю кислорода.

При использовании метода вакуумной плавки кислород извлекают из металла не за счет термической диссо­циации оксида, а при восстановлении его углеродом. Поэтому оценку возможности протекания реакции вос­становления целесообразно производить сопоставлением величин свободной энергии образования СО при одних и тех же температурах.

При плавлении металла в вакууме благодаря ничтож­но малым величинам парциального давления СО и яв­лению карбидообразовання, соответствующему процессу плавки, фактические температуры оказываются значительно меньшими.

Ориентируясь на экспериментальные данные о температурных интервалах восстановления некоторых наиболее часто встречающихся оксидов в металле (приведены в справочниках) можно осуществлять фракционный газовый анализ по извлечению из металла кислорода, находящегося в опре­деленных соединениях.

Комплексные исследования количества и состава ок­сидных включений в металле шва. Новые или малоизучен­ные включения рекомендуется исследовать в следующей последовательности:

металлографическим путем на поперечных шлифах из сварного соединения;

определением количества и состава оксидных включе­ний с помощью электролитического растворения образ­цов, вырезанных из металла шва;

химическим анализом оксидного осадка после элект­ролиза;

петрографическим анализом того же осадка; вторичным металлографическим контролем попереч­ного шлифа из металла шва в сопоставлении с резуль­татами химического и петрографического анализов;

рентгеноструктурным или электронно-графическим анализом того же осадка для определения кристаллогра­фической природы неметаллических включений;

электронно-микроскопическим анализом осадка для определения формы, структурных составляющих и выяв­ления особо мелких включений.

Комплексный подход позволяет установить характе­ристики и особые признаки большей части включений, встречающихся в сварных швах (наплавленном метал­ле). Однако имеются упрощенные методы количествен­ного определения включений, позволяющие в порядке первого приближения оценить степень чистоты металла шва, например метод подсчета включений на попереч­ных шлифах и метод сравнения загрязненности шлифа с эталонными шкалами.

Упрощенные методы количественного определения ок­сидных включений в сварных швах. В основу метода, предложенного Герти, поло­жено допущение, что включения по площади распреде­ляются равномерно. Подсчет проводится при определен­ном увеличении (х250) на полосе от периферии до цен­тра квадратного образца. При этом включения в каж­дой части полоски группируют по типу и размеру. Со­держание включений (% по массе) получают из выра­жения

где F₁ — общая площадь включений; F₂ — просмотренная площадь образца; d_B и d_M - плотности включений и металла соответственно.

Метод Герти по сравнению с химическими методами анализа дает лучшую сходимость и более высокую точность. Особенно ценен этот метод применительно к литому металлу, каким является металл сварных швов

Более упрощенным является способ оценки степени ' загрязненности металла по эталонным шкалам. В этом случае фактическую степень загрязненности участка шлифа, попадающего в поле зрения микроскопа, сравнивают с эталонами стандартной шкалы и выражают соответствующими баллами. Принципы построения эталонных шкал и способы оценки по ним могут быть различными. По мере совершенствования методов контроля по эталонным шкалам выявилась необходимость введения новой, дополнительной шкалы для шаровидных включений. В ГОСТ 801—78 наряду с эталонами для строчечных включений, которые наблюдаются в катаной стали, имеются эталоны по шаровидным час­тицам.

Вместе с тем следует отметить, что ни одна из дей­ствующих шкал не отражает полностью действительной степени загрязнения стали. Их можно использовать только для приближенной оценки.