4.5Взаимодействие с азотом и водородом при сварке плавлением
Основным источником азота при сварке является воздух. Молекулярный азот при высоких температурах диссоциирует на атомы
N2 = 2N – 170200 кал/моль.
Частично в присутствии кислорода при высоких температурах образуются и окислы азота, в частности NO.
Азот в некоторых металлах (медь, серебро, золото) практически нерастворим и может применяться при сварке таких металлов как защитный нейтральный (инертный) газ.
В железе и железных сплавах азот растворяется и при температурах ниже 6000С образует химические соединения – нитриды Fe2N, Fe4N. Зависимость растворимости азота в твердом и жидком железе от температуры показана на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Зависимость растворимости азота и водорода в железе от температуры.
При переходе железа из жидкого состояния в твердое растворимость азота скачкообразно уменьшается; газ стремится из раствора в виде газовой фазы (нитриды при этих температурах не образуются), что может привести к образованию пор.
Источником водорода при сварке являются продукты горючих углеводородов (при газовой сварке) и углеводов из покрытий, а также продукты диссоциации паров воды.
Водород в газовой фазе может присутствовать в виде молекулярного, атомарного и ионизированного. Ионизация водорода происходит по реакции Н2 = Н + Н+ + е- - 417480 кал/моль.
Различные металлы по-разному взаимодействуют с водородом. Одни из них (титан, тантал, ниобий, ванадий и др.) образуют с водородом химические соединения – гидриды (как правило, ухудшающие свойства металла). Многие гидридобразующие металлы сильно поглощают водород и в твердом состоянии. При более высоких температурах гидриды распадаются, вследствие чего водород может выделяться из металла (у титана при температурах более 7000С).
Другая группа металлов (железо, никель, кобальт, медь) гидридов не образует. Водород адсорбируется этими металлами; при плавлении растворимость водорода резко повышается. Растворимость водорода при постоянной температуре подчиняется зависимостям:
[Н] = К1рН; [Н] = К2√(рН2),
где К1, К2 – коэффициенты, зависящие от температуры; рН и рН2 – парциальные давления водорода (атомарного и молекулярного) в газовой фазе.
Общий характер изменения растворимости водорода в железе при различных температурах и рН2 = 1 кгс/см2 показан на рис. 4.6.
Для жидкого железа растворимость водорода [Н] (см3/100г) в зависимости от парциального давления рН2 (мм рт.ст.):
lg[H]ж = 0,5lg pH2 – 1745/Т + 0,888.
Часть водорода со временем удаляется из металла диффузией, а часть остается в металле в различных несплошностях. И диффузионно-подвижный остаточный водород в целом ухудшают свойства сварных соединений, в связи с чем его количество в металле следует ограничивать. Ограничение содержания водорода в металле в основном достигается уменьшением парциального давления свободного водорода в газовой фазе при сварке. Для этого:
1.Удаление и ограничение источников водорода при сварке;
2.Связывание газообразного водорода в стойкие при высоких температурах соединения;
3.Уменьшение растворимости водорода в жидком металле, в частности его окислением.
Методы удаления источников водорода сводятся к предварительной очистке кромок от водных окислов (например, ржавчины), их просушке от адсорбированной воды, очистке электродной проволоки от жиров, просушке и прокалке сварочных материалов (электродов, флюсов), предохранению флюсов от засорения ржавчиной и пр.
Связывание водорода в условиях сварки осуществляется либо во фтористый водород (HF), либо в гидроксил (ОН). Более распространенным является связывание во фтористый водород:
2CaF2 + 3SiO2 = 2CaSiO3 + SiF4
SiF4 + 3H = SiF + 3HF
SiF4 + 2H2O = SiO2 + 4HF.
Окисленность металла приводит к снижению содержания в нем водорода. Поэтому хорошо раскисленный металл является более чувствительным к водороду газовой фазы и требует применения более сильных мер защиты (введения фторидов, прокалки сварочных материалов и пр.).