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:

где к_перс – коэффициент перехода элемента Х из стержня; Х_н.м – содержание элемента Х в наплавленном металле за счет перехода из электродного стержня; Х_с – 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:

где к_перп – коэффициент перехода элемента Х из покрытия; Х_н.м – содержание в наплавленном металле элемента Х за счет перехода его из покрытия; Х_п – содержание того же элемента в покрытии; G_n/G_c – относительный вес покрытия (отношение веса покрытия к весу покрытой части стержня).

Суммарный коэффициент усвоения легирующего элемента:

где к_усв – суммарный коэффициент усвоения; Х_м.ш – содержание элемента Х в металле шва; Х_о.м, Х_с, Х_п – 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: F_пр – площадь провара основного металла, F_н.м – площадь поперечного сечения наплавленного металла, тогда:

Обозначив ψ долю металлической добавки, перешедшую в ванну, и имея в виду что отношение c/b пропорционально относительному весу покрытия G_n/G_c, можно написать

Так как а + b + c =1, то решая совместно эти три уравнения, найдем: