- •Глава 9. Физико-химические
- •9.1. Анализ состава газовой фазы в зоне столба дуги
- •9.1.2. Образование соединений между компонентами газовой смеси
- •9.1.3. Насыщение расплавленного металла газами в капле и сварной ванне
- •9.2. Влияние атмосферных газов на свойства стали и сплавов при сварке
- •9.2.1. Влияние кислорода на свойства стали
- •9.2.3. Влияние водорода на свойства стали
- •9.2.4 Влияние со2, со и паров н2о на свойства стали
- •9.2.5. Влияние атмосферных газов на свойства цветных металлов
- •9.3. Взаимодействие металла с защитными флюсами при сварке
- •9.3.1. Строение и свойства сварочных флюсов
- •9.3.2. Характеристика важнейших простых оксидов, входящих в состав шлаковой фазы
- •9.3.3. Основные системы сварочных шлаков
- •9.4. Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком
- •9.5. Расплавление электрода и перенос капель в ванну
- •9.6. Источники водорода при сварке под флюсом
- •9.7. Окисление металла шва флюсом
- •9.8. Переход вредных примесей из флюса в металл шва
- •9.9. Раскисление металла при сварке
- •9.9.1. Виды раскисли тельных процессов
- •9.9.2. Легирование наплавленного металла
- •9.10. Рафинирование сварочной ванны и модифицирование металла шва
- •9.10.1. Влияние серы на структуру и свойства шва
- •9.10.2. Десульфурация сварочной ванны
- •9.10.3. Снижение содержания фосфора в металле шва
- •9.11. Дефекты металлургического происхождения в сварных швах
- •9.11.2. Шлаковые включения в металле шва
- •9.11.3. Ликвационная неоднородность в металле шва
9.10.2. Десульфурация сварочной ванны
Для снижения содержания серы в металле шва нужно вводить в сварочную ванну такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо. Кроме того, образующиеся сульфиды этих элементов должны удовлетворять следующим требованиям: обладать более высокой, чем у железа или никеля, температурой плавления и не создавать сульфидных легкоплавких эвтектик. По степени возрастания химической прочности образующихся сульфидов, т. е. их энтальпии, элементы, вводимые для десульфурации сварочной ванны, располагаются в следующей последовательности: А1, Са, Na, Mn, Mg. Однако использование их для связывания серы сопряжено с трудностями, так как все эти элементы имеют и более высокое сродство к кислороду, т. е. связываются им в оксиды, практически не удаляющиеся из кристаллизующегося шва и образующие включения. Из числа перечисленных элементов наибольший интерес с этой точки зрения представляет марганец, поскольку:
1)он имеет сравнительно высокое сродство к сере;
2)как правило, он присутствует в свариваемых сталях в сравнительно больших количествах (0,5...0,65 %);
Мn мало растворим в Fe и образует тугоплавкий и пластичный сульфид MnS шаровидной формы (Тпл = 1893 К), равномерно распределяющийся преимущественно в объемах зерен;
4)при концентрации марганца в стали более 0,6 %, он способствует переходу серы из FeS в MnS, т. е. в шлак.
Марганец полезен главным образом как элемент, переводящий серу в более благоприятную форму существования в стали (рис. 9.33). Кроме того, сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо в шлаке; поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле MnS распределяется в мелкодисперсном виде достаточно равномерно в объеме зерен и не образует легкоплавких эвтектик.
В сварочной практике связывают и удаляют серу чаще всего двумя способами: с помощью Мn и МnO, а также СаО. Рассмотрим первый из элементов-десульфураторов - марганец.
Основная реакция связывания серы марганцем описывается уравнением
(9.81)
с константой равновесия
Учитывая, что для стали [Fe] ≈ 1, получаем
(9.82)
Следовательно, чем больше марганца, тем меньше FeS в металле шва.
При этом чистый Мn вводят в сварочную проволоку или в основной металл. Однако эффективность связывания серы в сульфид марганца по реакции (9.81) мала, так как вправо реакция заметно развивается лишь при пониженных температурах, когда протекающие процессы замедляются. В итоге в металле шва оказывается значительное количество FeS. Поэтому реакция (9.81) дополняется второй реакцией сульфида железа с дополнительно введенным оксидом марганца:
(9.83)
Для этой реакции константа равновесия имеет вид
откуда
(9.84)
Преимущество реакции (9.83) по сравнению с реакцией (9.81) состоит в том, что константа равновесия Кс растет с увеличением температуры, т. е. с ростом температуры реакция сдвигается в сторону большего выхода (MnS) и [FeO].
Рассматривая реакции (9.81) и (9.83) совместно, можно отметить, что превращению FeS в MnS способствуют: лучшая раскисленность металла (т. е. уменьшение [FeO]); увеличение содержания марганца в металле; высокая концентрация (МnO) в шлаке. В углеродистых сталях обычно отношение [Mn]/[S] равно 20...25, что позволяет избежать кристаллизационных трещин. В легированных сталях это соотношение должно быть существенно выше, чтобы получить швы без трещин.
Вторым элементом-десульфуратором служит кальций. Ввод кальция дает следующие положительные результаты.
Во-первых, газообразный кальций активно реагирует одновременно с серой и кислородом расплавленной стали, образуя свойственные только ему специфические соединения - оксисульфиды. Даже при весьма низкой концентрации в металле (не выше 0,0001 %) кальций вследствие своей поверхностной активности оказывает заметное влияние на процесс рафинирования, особенно при совместном введении кальция и присадок редкоземельных элементов - церия и лантана.
Во-вторых, при использовании кальция как элемента-десульфуратора возможно связывание серы известью СаО. Эта реакция приводит к образованию весьма прочного и тугоплавкого сульфида кальция, практически не растворимого в металле. Процесс протекает в соответствии с реакцией
(9.85)
Константа равновесия реакции (9.85) растет с увеличением температуры, при этом процесс интенсивнее развивается вправо -в сторону образования в шлаке CaS. Лучшее раскисление металла и введение в шлак окиси кальция будет способствовать уменьшению содержания FeS в металле. Увеличение содержания СаО в шлаке приводит к росту константы распределения L = (S)/[S], что обеспечивает более полный переход серы из металла в шлак.
Установлено, что наличие кремния и алюминия в металле значительно ускоряет процесс десульфурации сварочной ванны, причем сера удаляется одновременно с кислородом. Это является следствием как прямого испарения серы в виде соединений AI2S3 (температура возгонки равна 1823 К) и SiS (температура возгонки равна 1213 К), так и включения ее в состав образующихся шлаковых частиц.