ТСП конспект
.pdfвязкости, плотности и т.п.; от гидродинамической обстановки в реакционной зоне. Обстановка в сою очередь определяется величиной сварочного тока, напряжением дуги, величиной и направлением электромагнитных сил, газовых потоков и т.д.
Раскисление металла шва с получение конденсированных продуктов реакции
сопровождается образованием конденсированных оксидов, нерастворимых в металле и всплывающих в шлак. К числу раскислителей, образующих такие оксиды, относятся Si, Mn, Ti, Al и др.
В общем виде реакция раскисления железа:
m[FeO] + n[Pa] = [PanOm] + m[Fe],
где Ра – расислитель.
Константа равновесия реакции
Kc = |
[PanOm ]×[Fe]m |
|
|
. |
|
[FeO]m ×[Pa]n |
Но в сталях [Fe] ≈ 1, поэтому равновесная концентрация свободной закиси
железа в металле
[FeO]m = [Pa[ nO]nm ]Kc . Pa
Следовательно, концентрация закиси железа уменьшается с повышением
содержания раскислителя и уменьшением концентрации оксидов данного раскислителя в металле.
Таким образом, для определенных температур можно установить зависимость
между концентрацией раскислителя и находящей с ней в равновесии концентрацией закиси железа. Тогда, задаваясь допустимым содержанием [FeO], определяют концентрацию в металле. Типичные реакции раскисления:
3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe
2FeO + Si = SiO2 + 2Fe
2FeO + Ti = TiO2 + 2Fe
FeO + Mn = MnO + Fe
3FeO + 2Cr = Cr2O3.
Характерные черты наиболее важных раскислителей этой группы:
1.Кремний (Тпл = 14400С; Ткип = 26300С;γ = 2,37 г/см3). При окислении образует нерастворимый в металле кислотный оксид, который легко создает
комплексы, в том числе и с FeO. Силикаты железа всплывают на поверхность металла и переходят в шлак.
Так как оксиды кремния увеличивают кислотность шлака, а вместе с тем и его вязкость, введение кремния в сварочную ванну ограничивают.
2.Марганец. При окислении марганец превращается в закись MnO – относительно сильный основной оксид, нерастворимый в металле. С увеличением марганца в металле концентрация в нем закиси железа уменьшается, однако влияние кремния оказывается сильнее.
3.Титан относится к числу сильных раскислителей, более сильных, чем кремний и марганец. Образующийся кислотный оксид TiO2 нерастворим в металле, легко вступает в комплексы, переходящие в шлак. Вместе с этим, титан сильный модификатор, т.е. элемент, способствующий измельчению зерна в металле.
91
4.Алюминий – наиболее сильный раскислитель этой группы. Образует амфотерный оксид Al2O3. Раскисление жидкого металла алюминием сопровождается значительным выделением тепла, что благотворно влияет на протекающие процессы.
Однако окись алюминия с трудом всплывает на поверхность сварочной ванны и частично остается в шве в виде неметаллических включений. Это одна из причин незначительного применения алюминия как раскислителя при сварке сталей.
Раскисление с получением газообразных продуктов реакции. Две типичные реакции – раскисление углеродом и раскисление водородом.
Раскисление углеродом. Этот процесс идет по реакции: [FeO] + [C] = CO + [Fe].
Константа равновесия для этой реакции:
= [CO]×[Fe]
Kc [FeO]×[C].
Равновесная концентрация закиси железа в металле, считая, что содержание железа в стали близко к единице, и выразив концентрацию окиси углерода через
парциальное ее давление рСО
[FeO]= pCO[ K] C . C
Если полагать приближенно, что в процессе сварки в области высоких температур рСО = 1 ат, то
[FeO]= K[CC].
Таким образом, концентрация закиси железа в сварочной ванне обратно пропорционально концентрации углерода. Растворимость окиси углерода в расплавленном железе ничтожно мала. Вследствие этого образующаяся окись углерода выделяется в виде пузырьков, стремящихся всплыть из сварочной ванны и вызывающие ее кипение. Если реакция раскисления углеродом продолжается и при температуре кристаллизации металла, то газовые пузыри не успеют удалиться из металла и останутся в твердом металле в виде пор. Поэтому всегда желательно
подавить эту реакцию при понижении температуры сварочной ванны другими реакциями раскисления, при которых газы не выделяется. Это достигается повышением концентрации других раскислителей (Ti, Si, Mn и др.) в металле и понижением концентрации углерода.
Аналогичные процессы раскисления с образованием газообразной фазы могут происходить при взаимодействии окисленного металла с водородом. Недостатком водорода как раскислителя является его высокая растворимость в металлах, которая может привести к образованию пор и трещин.
Реакция раскисления водородом:
[FeO] + [H2] = [H2O] + [Fe].
Раскисление металла кислыми шлаками. В таких шлаках наблюдается реакция связывания закиси железа в силикаты железа, нерастворимые в металле:
(FeO) + (SiO2) = (FeO*SiO2)
с константой равновесия реакции
K = (FeO × SiO2 ) . (FeO)×(SiO2 )
92
Связывание FeO в силикаты вызовет дополнительный переход ее из металла в шлак (FeO) = L[FeO], где L – константа распределения.
Тогда
K = |
(FeO × SiO2 ) |
|
. |
|
L[Feo]× (SiO2 ) |
||||
Разрешим эту зависимость относительно [FeO]: |
||||
[FeO]= |
(FeO × SiO |
) |
K. |
|
2 |
|
|||
(SiO2 ) |
|
Таким образом, при использовании кислых шлаков для уменьшения закиси железа в металле следует увеличить содержание кислотного оксида SiO2 в шлаке, т.е.
повысить кислотность шлака и одновременно уменьшить количество образующихся в нем силикатов железа.
Однако повышение содержания SiO2 в шлаке приводит к ухудшению его свойств. Шлак становится длинным, густым, его активность резко падает, нарушается и стабильность процесса сварки. Поэтому целесообразно:
1.Заменять SiO2 двуокисью титана TiO2 полностью или частично. Этим удается сохранить нужную степень кислотности шлака, сделать его более жидкотекучим и коротким, придать ему нужную химическую активность.
2.Попутно вносить в такие шлаки элементы-раскислители, дающие основные оксиды. Их роль сводится к восстановлению железа из силиката и уменьшению в шлаке содержания силикатов железа, например:
(FeO*SiO2) +(Mn) = (MnO*SiO2) + [Fe].
Раскисление металла основными шлаками. В основных шлаках, в отличие от кислых, есть избыток основных оксидов, наиболее сильным из которых является СаО. Такие шлаки не обладают способностью к диффузионному раскислению, так как имеющиеся в них незначительные количества SiO2 (или TiO2) сразу же будут связываться в комплексные соединения с основными оксидами шлака:
(CaO) + (SiO2) = (CaO*SiO2)
и шлак не будет извлекать FeO из металла.
Для раскисления металла в основные шлаки вводят специальные добавки – раскислители:
m[FeO] + n[Pa] = (PanOm) + m[Fe]
с константой равновесия
(Pa O )×[Fe]m
K = [ n ]m [ ] .
FeO m × Pa n
Считая, что в сталях [Fe] = 1, решаем уравнения относительно [FeO];
[FeO]= m (Pa[ nO] )K .
Pa n
Чтобы снизить содержание FeO в металле, следует увеличить в нем количество раскислителя (Pa) и уменьшить содержание (PanOm) оксида раскислителя в шлаке. Продукты раскисления (PanOm) перейдут в шлак. Обогащаясь этими оксидами, шлак теряет свою раскисляющую способность. Для повышения ее нужно:
1.Одновременно вносить несколько раскислителей.
93
2.Разбавлять шлаки специальными добавками, которые уменьшают в них содержание оксида раскислителя.
4.9 Легирование наплавленного металла.
Принципиально возможно легирование, как через металлическую, так и через шлаковую фазу.
Легирование через металлическую фазу осуществляется введением легирующего элемента в электродный стержень или присадочную проволоку, а также
за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствующих элементов в сварочную ванну. Легирование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие или флюсы.
Легирование осуществляется с соблюдением двух важных требований:
1.В качестве раскислителей следует применять элементы, сродство 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.
Степень легирования при данном количестве вводимого элемента будет тем выше, чем меньше сродство элемента к кислороду. При прочих равных условиях (концентрация, температура, состав шлаковой и газовой фаз) элементы по убывающей степени сродства к кислороду при температуре до 16000С могут представлены в виде следующего ряда:
Al, Zr, Ti, Si, V, Mn, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Cu.
Элементы, находящиеся в этом ряду справа от железа, практически полностью усваиваются сварочной ванной; Элементы, находящиеся слева от железа, окисляются и лишь частично легируют металл шва. Степень легирования тем ниже, чем дальше элемент расположен слева от железа.
Для оценки использования данного элемента вводят понятие коэффициента усвоения, под которым понимают отношение содержание в металле шва к суммарному содержанию его в электродном стержне, покрытии, флюсе и в доле основного металла, вошедшего в состав металла шва.
Для раздельной оценки степени перехода в шов легирующего элемента из электродного стержня, покрытия, флюса т.д. вводят понятие коэффициента перехода. Для стержня:
кпер с = Х н.м ,
Х
С
где кперс – коэффициент перехода элемента Х из стержня; Хн.м – содержание элемента Х в наплавленном металле за счет перехода из электродного стержня; Хс – содержание того же элемента в стержне.
Коэффициентом перехода легирующего элемента из покрытия является отношение содержания элемента в наплавленном металле, перешедшего из покрытия, к содержанию того же элемента в покрытии, отнесенному к весу покрытой части стержня:
кперп = Х н.м ,
Х п Gn
Gc
94
где кперп – коэффициент перехода элемента Х из покрытия; Хн.м – содержание в наплавленном металле элемента Х за счет перехода его из покрытия; Хп – содержание того же элемента в покрытии; Gn/Gc – относительный вес покрытия (отношение веса покрытия к весу покрытой части стержня).
Суммарный коэффициент усвоения легирующего элемента:
кусв = |
Х |
м.ш |
|
, |
|
аХ о.м + bX c + cX n |
Gn |
|
|||
|
|
|
|||
|
Gc |
|
|
||
|
|
|
|
|
где кусв – суммарный коэффициент усвоения;
Хм.ш – содержание элемента Х в металле шва; Хо.м, Хс, Хп – содержание элемента Х в основном металле, электродном
стержне (проволоке) и покрытии (флюсе);
а, b,c – доли участия в образовании сварочной ванны основного металла, электродного металла и металлических добавок во флюс или покрытие.
Зная площадь проплавления основного металла и площадь поперечного сечения наплавленного металла, можно определить пропорциональные им доли
участия в образовании сварочной ванны основного металла и проволоки вместе с металлическими добавками, перешедшими из покрытия.
Обозначим: Fпр – площадь провара основного металла, Fн.м – площадь поперечного сечения наплавленного металла, тогда:
m = |
Fnp |
= |
а |
. |
|
F |
b + c |
||||
|
|
|
|||
|
н.м |
|
|
|
Обозначив ψ долю металлической добавки, перешедшую в ванну, и имея в виду что отношение c/b пропорционально относительному весу покрытия Gn/Gc,
можно написать
n = Gn ψ = c .
Gc b
Так как а + b + c =1, то решая совместно эти три уравнения, найдем:
|
m |
1 |
|
n |
|||
a = |
|
|
;b = |
|
;c = |
|
. |
m +1 |
(m +1)(n +1) |
(m +1)(n +1) |
4.10 Рафинирование металла.
Рафинирование металла – это очищение его от вредных примесей серы и фосфора. Источниками поступления серы и фосфора в зону являются:
1.Шлаки, в состав которых входят компоненты, содержащие серу и фосфор. 2.Расплавленный металл. Следует иметь в виду, что по распределение серы
сечению основного металла может быть крайне неравномерным.
Сера и ее удаление из металла шва. Содержание серы в металле в количестве, превышающим допустимые нормы, отрицательно сказывается на его механических свойствах, служит причиной красноломкости металла и появления в нем кристаллизационных трещин.
95
Сера образует с железом сульфид железа FeS, температура плавления которого 11950С. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе и выделяется в нем или в виде эвтектики, или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектики могут быть двойные либо тройные, например: FeS + Fe (Тпл
=9850С); FeS*SiO2 + FeS; FeS + Fe + MnS (Тпл = 9800С) и др.
Впроцессе кристаллизации металла, протекающем в интервале температур Тл
– Тс (ликвидус – солидус), эти сернистые эвтектики оттесняются растущими
кристаллами металла шва к границам между ними и к месту стыка кристаллов в центральную часть сварочной ванны и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту окончания кристаллизации шва такие прослойки могут быть еще в жидком состоянии. Тогда возникновение
растягивающих напряжений в шве может вызвать появление на этих участках кристаллизационных или горячих трещин.
Для более полного удаления серы из металла в сварочную ванну нужно вводить такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо.
Образующие сульфиды должны обладать высокой температурой плавления и не создавать эвтектик. По степени возрастания прочности сульфидов их можно расположить вряд:
NiS, FeS, MnS, MoS2, MgS, Na2S, CaS, Al2S3.
Наибольшим сродством к сере обладают Al, Ca, Na, Mg. Однако все они имеют большое сродство к кислороду и связываются им в оксиды.
В сварочной практике связывают и удаляют серу чаще всего двумя способами: с помощью Mn и MnO, а также CaO. Сера образует с марганцем относительно прочный сульфид MnS с температурой плавления 16000С. Сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо – в шлаке; поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле MnS распределяется равномерно и не образует легкоплавких эвтектик.
[FeS] + [Mn] = (MnS) + [Fe]
с константой равновесия
= [Fe]× (MnS) K [FeS]×[Mn],
откуда
[FeS]= |
(MnS) |
K. |
||
[Mn] |
|
|||
|
|
Однако эффективность связывания серы в сульфид марганца по такой реакции мала, так как направо она развивается при пониженных температурах, когда скорости протекающих процессов весьма замедляются. Поэтому реакция дополняется второй:
[FeS] + (MnO) = (MnS) + [FeO],
для которой константа равновесия
= (MnS)×[FeO] K [FeS]×(MnO),
откуда
[FeS]= |
(MnS)×[FeO]K. |
|
(MnO) |
96
Эта реакция с ростом температуры сдвигается вправо, т.е. в сторону большего выхода (MnS) и [FeO].
Итак, из рассмотрения этих двух реакций следует, что превращению FeS в MnS способствуют:
1.Лучшая раскисленность металла.
2.Увеличение содержания марганца в металле.
3.Высокая концентрация (MnO) в шлаке.
Обычно принимают отношение [Mn]/[S] в металле равным 20 – 25, что позволяет избежать кристаллизационных трещин.
Своеобразным поведением как десульфатор отличается Са. Газообразный Са активно реагирует с серой и кислородом расплавленной стали, образуя только ему специфическое соединение – оксисульфиды. Даже при весьма низкой концентрации в металле (10-4 %), кальций вследствие своей поверхностной активности оказывает заметное влияние на процесс рафинирования, особенно при совместном введении Са и присадок редкоземельных элементов – церия и лантана. Связывание серы известью основано на образовании весьма прочного сульфида кальция, практически нерастворимого в металле. Процесс протекает в соответствии с реакцией
[FeS] + (CaO) = (CaS) + [FeO].
Константа равновесия реакции растет с увеличением температуры, т.е. при этом процесс интенсивнее развивается вправо, в сторону образования (CaS).
Фосфор и его удаление из металла шва. Фосфор также является вредной примесью, ухудшающей механические свойства стали и вызывающей ее хладноломкость. В сталях фосфор образует частично растворимые в феррите фосфиды двух видов:
3Fe + P = Fe3P (15,63 % P);
2Fe + P = Fe2P (21,75 % P).
Фосфор относится к числу сильно ликвирующих примесей, т.е. таких, которые весьма неравномерно распределяется в металле. Ликвацию фосфора усиливает углерод. При этом возможно образование легкоплавкой эвтектики тройного типа Fe + P + C, еще более снижающей прочность металла.
Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окислении и последующим связывании фосфорного ангидрида Р2О5 в прочное легкоотшлаковываемое комплексное соединение. По возрастающей силе сродства к ангидриду Р2О5 основные и амфотерные оксиды можно расположить в следующий ряд:
Fe2O3 → Al2O3 → FeO → MnO → MgO → CaO.
Окисление фосфора в сварочной ванне происходит по реакциям:
2Fe2P + 5FeO = P2O5 + 9Fe
2Fe3P + 5FeO = P2O5 + 11Fe.
Затем идет процесс связывания фосфорного ангидрида. Наиболее активен
процесс
3CaO + P2O5 = (CaO)3*P2O5
или
4СаО + Р2О5 = (СаО)4*Р2О5.
Менее активны процессы
97
3MnO + P2O5 = (MnO)3*P2O5;
4MnO + P5O5 = (MnO)4*P2O5.
Итак, при данной концентрации фосфора в сварочной ванне полнота удаления его в шлак будет зависеть от содержания в шлаке:
1.Свободных окислов (СаО) и (FeO), с увеличением содержания которых реакции сдвигаются вправо, т.е. в направлении очищения металла от фосфора.
2.Комлексного соединения, связывающего фосфор, например (СаО)3*Р2О5 или (СаО)4*Р2О5. Уменьшение их содержания в шлаке способствует очищению металла от фосфора. Этого достигают разбавлением шлаков нейтральными добавками, например плавиковым шпатом, который разжижает шлак и повышает его общую реакционную способность.
Кислые шлаки значительно хуже удаляют фосфор из металла.
4.10Контрольные вопросы к разделу 4
1.Какие силы действуют на каплю электродного металла при дуговой сварке?
2.Назовите виды переноса электродного металла через дуговой промежуток.
3.Как изменяется время существования капель и величина их удельной поверхности с ростом сварочного тока или напряжения на дуге?
4.Напишите уравнения диссоциации двух и трехатомных газов, наиболее часто встречающихся в атмосфере дуги.
5.В чем проявляется влияние кислорода на свойства стали?
6.Как влияет азот на свойства стали?
7.Как влияет водород на свойства стали?
8.Какими путями попадают кислород, азот и водород в реакционное пространство при дуговой сварке?
9.Назначение шлаков при сварке.
10.Что такое кислотность или основность шлака?
11.Охарактеризуйте основные физические свойства сварочных шлаков.
12.В чем различие длинных и коротких шлаков?
13.Дайте характеристику важнейших простых оксидов, входящих в состав сварочных шлаков.
14.В чем заключаются металлургические функции шлаков?
15.Что такое коэффициент эффективности массообмена и как его определяют?
16.Виды раскислительных процессов.
17.Приведите пример раскисления стали с получением конденсированных продуктов реакции.
18.Дайте характеристику основных раскислителей.
19.Опишите процесс раскисления стали углеродом и водордом.
20.В чем особенность раскисления стали кислыми и основными шлаками. 21.Пути легировния металла шва, их особенности достоинства и
недостатки.
98
22.Что такое коэффициент перехода и коэффициент усвоения? 23.Каков механизм рафинирования стали от серы и фосфора?
24.Какова роль СаО и марганца в процессе рафинирования стали от серы? 25.Опишите механизм удаления фосфора и з стали в процессе
рафинирования.
26.Как осуществляется газовая защита при сварке покрытыми электродами?
99
РАЗДЕЛ 5. СВАРОЧНАЯ ВАННА, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПРИ СВАРКЕ И ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА
5.1 Сварочная ванна
В результате воздействия сварочных источников тепла основной металл расплавляется. Металл, ограничиваемый изотермической поверхностью Т = Тпл, образует ванну расплавленного металла – сварочную ванну.
Рис. 5.1. Сварочная ванна.
Сварочная ванна разделяют на головную (рис.5.1) 1 – 2 – 3 и хвостовую 4 – 5 –6 (заднюю) части. После затвердевания ванны образуется металл шва. Поперечное сечение переплавленного металла делят на площадь наплавки Fн и площадь провара (проплавления) основного металла Fo. При этом доля основного металла в шве может
быть рассчитана по выражению
γ = Fo/(Fo + FH),
а наплавленного
1 – γ = FH/(Fo + FH).
Очертания зоны проплавления основного металла характеризуются
коэффициентом формы проплавления ψпр = b/h или обратной ему величиной – относительной глубиной проплавления, т.е. h/b, а также коэффициентом полноты проплавления μ = Fo/bh, где b и h – соответственно ширина и глубина проплавления.
Очертания зоны наплавки характеризуется коэффициентами формы валика ψB = b/c и полноты валика μB = FH/bc, где с – величина усиления шва.
Строгих методов расчета всех основных размеров сварочной ванны и шва нет. Но приближенные методы расчета возможны по методам расчета температурных полей. Так, для сосредоточенного источника тепла на полубесконечном теле длина
ванны может быть определена
L = |
q |
|
|
. |
|
2πλT |
||
|
пл |
Так как при сварке определенного материала λ и Тпл являются постоянными,
то L = kq.
Ширина проплавляемой зоны при b = 2r для точечного источника на
массивном теле приближенно определится уравнением
b = 2 |
|
2q |
|
|
= 0,968 |
|
q |
|
|
|
|
|
|
. |
|||||
πecρvT |
пл |
cρvT |
|||||||
|
|
|
|
|
|
пл |
Соотношение длины ванны к ее ширине (коэффициент формы ванны φ =L/b) получается из этих уравнений:
100