Свариваемость материалов

ческой добавке в покрытии. Обозначив отношение F J F b c ^ m , получим

Если известно отношение массы расплавленного покрытия или флюса к массе расплавленного электродного стержня или сварочной проволоки Км.п, можно написать

где Me — доля металлической добавки в покрытии или флюсе;

[Ме]а, [Ме]ь и [Ме]с процентное со­

[Me] в шве [Ме]ш позволяет судить о тех изменениях, которые претерпела концентрация этого элемента в процессе металлур­ гического цикла сварки.

Обозначив прирост (убыль) элемента через Д[Ме], получим

± Д (Me] = (Ме]ш - [Ме]„.

Если величина Д[Ме] положительна, имеет место прирост элемента за счет его перехода из покрытия или шлака; при отрицательном Д[Ме] наблюдается переход элемента в газовую или шлаковую фазы; при Д[Ме] = 0 концентрация элемента не претерпевает изменений в процессе сварки.

Иногда пользуются суммарным коэффициентом усвоения

Степень усвоения элементов сварочной ванной является различной в зависимости от того пути, посредством которого элемент поступает в ванну (основной металл, электродная про­

волока, покрытие, сварочный флюс). Обозначив соответственно через г|а, Лъ и YJC коэффициенты усвоения металла [Me] из ос­ новного металла, электродного стержня и металлической до­ бавки в покрытии или флюсе и принимая во внимание, что

[Ме]ш = a [MeJa x\a + b [Me]* п* + с [Ме]с т)с,

получим

3.2.2. Коэффициенты усвоения элементов

всварочной ванне

Вформуле (3.14) приведено приближенное выражение сум­ марного коэффициента усвоения (перехода) rjs элемента Me

сварочной ванной (металлом шва), которое можно предста­ вить в несколько измененном виде:

___________ [Ме]ш__________

(3.15)

а [Ме]в + b [Me]* - f с [Ме]с

где [Ме]ш — концентрация элемента Me в металле шва, %; [Ме]0, [Ме]ь, [Ме]с — концентрации указанного элемента в основном металле, сварочной проволоке и металлической добавке в по­ крытии, % соответственно; а, Ь, с — соответственно доли уча­ стия основного металла, сварочной проволоки и металличе­ ской добавки в покрытии в образовании металлической сва­ рочной ванны.

Если обозначить через [Ме]н — содержание элемента [Me] в наплавленном металле (без разбавления его основным ме­ таллом), то из формулы (3.14) получим

тии; Км— коэффициент массы покрытия.

Формулы (3.14) и (3.17) служат для определения суммар­ ного коэффициента усвоения. При известном значении T]S и требующейся концентрации рассматриваемого элемента в на­ плавленном металле [Ме]н можно приближенно найти количе­

где (Ме)с — в массовых долях.

Для получения той же величины в процентах данные, полу­ ченные в формуле (3.18), необходимо умножить на 100.

ТАБЛИЦА 3.2

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕХОДА НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ДУГОВОЙ СВАРКИ [3]

ки УОНИ-13/45

При известной величине (Ме)с ожидаемую концентрацию элемента Me в наплавленном металле [Ме]н можно определить из выражения

Значения коэффициентов перехода для некоторых видов дуго­ вой сварки приведены в табл. 3.2.

Растворимость кислорода в железе в форме FeO невелика и может быть описана при контактировании жидкого железа со шлаками, состоящими практически только из оксида же­ леза, уравнением

массе).

Последним представлениям на основе исследования хими­ ческих равновесий типа Ме0 + Н2 = Ме + Н20, больше соответ­ ствует гипотеза о том, что кислород находится в железе в виде

самостоятельной фазы О. Существенно меньшая электроотри­ цательность железа по сравнению с кислородом позволяет предположить, что кислород может существовать в железе в анионной форме О-2. Значительные размеры названных анио­ нов обусловливают ничтожную их подвижность при пропуска­ нии через железо постоянного тока.

Вместе с тем практически все металлургические расчеты основаны на предположении о растворении кислорода в железе в форме FeO, и независимо от формы присутствия кислорода

сбольшой достоверностью установлено, что растворимость его

втвердом a -железе составляет 0,03%, а в у-железе ~ 0,003%.

Результаты расчетов по уравнению приведены в табл. 3.4. При снижении температуры происходит перераспределение FeO между шлаком и металлом в соответствии с константой распределения

L = (FeO!/(FeO),

где [FeO] и (FeO) — концентрации оксидов в металле и шлаке соответственно.

Константа расЯРеделения изменяется в зависимости от тем­ пературы по формУле

Выделяющейся из РаствоРа FeO может не только перехо­ дить в шлак но И вступать во взаимодействие с элементами-

раскислителями Mn’ Si> Ti> AI и др. при наличии таковых в жидкой сварочИ°й ванне- И поскольку сродство к кислороду у названных э Л е м е нт0В Ра5тет ПРИ снижении температуры, про­ дукты раскисления реакций вида

частично переХОдЯт в шлаковую фазу, но остаются и в закри­ сталлизовавшемся металле в виде неметаллических включений, повышая общую концентрацию в нем кислорода (рис. 3.4). Оксидные включения часто имеют неоднородный минералоги­ ческий состав, a f aK>Ke могут образовывать сложные кисло­ родосодержащие включения, например, оксисульфиды или кислородофторсодержащие включения.

Взаимодействие наплавляемого металла с азотом

Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. В зависимости От температуры азот может находиться в газо­ вой фазе в различных состояниях: молекулярном, атомарном и ионизированном, растворимость атомарного азота при постоян­ ной температуре опРеДелявтся соотношением

[% NJ = KPn.

При наличии азота в газовой фазе в молекулярной форме его растворимость определяется уравнением

1% ы] = / с у ^ 7

Последняя зависимость косвенно указывает на то, что про­ цессу растворения азота предшествует диссоциация молеку­

Fe2N начинает разлагаться в атмосфере чистого азота при температуре ~550 °С. Дальнейшее повышение температуры

вызывает диссоциацию нитрида Fe4N. При относительно не­

Взаимодействие наплавляемого металла с водородом

Источниками водорода в газовой фазе зоны сварки могут слу­

Степень диссоциации молекулярного водорода на атомарный в зависимости от температуры пока­

зана на рис. 3.6. Из приведенных данных следует, что в столбе сварочной дуги (7^=5000—6000 К) подавляющее количество водорода находится в атомарном состоянии. Практически пол­ ное разложение водяного пара с образованием свободного

водорода или гиДРоксида происходит при его взаимодействии с железом, ферросплавами и расплавленным шлаком по ре-

акциям:

М е + Н 20 « : М е 0 + Н2;

2FeO + Н20 я* Fea^s "Ь

Me + 2Н20 ** МеО + о н + з н ;

С 0 + Н 20*сС 02 + н 2-

Концентрация водорода в металле швов зависит от темпе­ ратуры, до которой нагревается в дуге металл, химического состава металла и парциального давления водорода в атмо-

сфере дуги.

Значительное влияние на содержание водорода в швах ока­ зывает парциальное давление его в атмосфере дуги. По дан­ ным работы [5], введение в зону сварки ржавчины и последую­ щее увеличение ее количества приводят к возрастанию общего объема выделившихся газов. При этом количество выделив­

в металле шва.

Если водород находится в атомарном состоянии, раствори­ мость его в металле при постоянной температуре в состоянии

в молекулярной форме, подчиняется закону квадратного корня из его парциального давления:

где рн, — парциальное давление молекулярного водорода в га­ зовой фазе.

Зависимость (3.24) косвенно указывает на то, что процессу растворения молекулярного водорода предшествует его дис­ социация на атомы. Если в газовой фазе водород находится в атомарном и молекулярном состояниях, то его растворимость при постоянной температуре может быть выражена зависи­ мостью

(3.25)

где Ряд — общее парциальное давление атомарного и молеку­ лярного водорода; %— степень диссоциации водорода при дан­ ной температуре.