9.10.3. Снижение содержания фосфора в металле шва

Фосфор, как и сера, является вредной примесью, ухудшающей механические свойства стали, особенно при пониженной темпера­туре, т. е. вызывающей ее хладноломкость. Это объясняется тем, что в сталях фосфор образует частично растворимые в феррите фосфиды Fе₃Р (или Fe₂P) по реакции

(9.86)

Фосфор относится к числу сильно ликвирующих примесей, ко­торые неравномерно распределяются в металле. Ликвацию фосфо­ра усиливает углерод. При этом возможно образование легкоплав­кой эвтектики тройного типа Fe + Р + С, еще более снижающей прочность и пластичность шва в температурном интервале хруп­кости в сталях (Т_пл ≈ 1173 К). Особенно низкой является темпера­тура плавления фосфидной эвтектики (Т_пл ≈923 К) и соответст­венно низкой является ее стойкость против образования горячих трещин при сварке никелевых сплавов.

Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окис­лении в составе фосфидов и последующем связывании фосфорно­го ангидрида Р₂О₅ в прочное комплексное соединение, легко пере­ходящее в шлак. Окисление фосфора развивается в сварочной ван­не в соответствии со следующей реакцией:

(9.87)

Затем идет процесс связывания шлаком фосфорного ангидри­да. По возрастающей силе сродства к ангидриду Р₂О₅ основные и амфотерные оксиды можно расположить в следующей последова­тельности:

(9.88)

т. е. наиболее активными по отношению к фосфорному ангидриду являются CaO, MgO и МnO. Запишем уравнения реакции связыва­ния фосфорного ангидрида:

-наиболее активный процесс

(9.89)

-менее активный процесс

(9.90)

Для процесса удаления фосфора из сварочной ванны, объеди­нив, например, уравнения (9.87 и 9.89), получим

Константа равновесия для этой реакции равна

откуда, полагая, что в стали [Fe] ≈ 1, получаем

(9.92)

Из выражения (9.92) следует, что при данной концентрации фос­фора в сварочной ванне полнота его удаления в шлак будет зави­сеть от содержания в шлаке следующих соединений:

1. свободных оксидов СаО и FeO, с увеличением содержания которых реакция (9.89) сдвигается вправо, т. е. в направлении очищения металла от фосфора;

2. комплексного соединения, связывающего фосфор, например (СаО)₄ · Р₂О₅- Уменьшение содержания свободных оксидов и ком­плексных соединений в шлаке способствует очищению металла от фосфора. Этого достигают разбавлением шлаков соответствую­щими нейтральными добавками, например плавиковым шпатом, который одновременно разжижает шлак, а также повышает его общую реакционную способность.

Таким образом, основные шлаки могут обеспечить необходи­мое очищение металла шва от фосфора. Кислые шлаки значитель­но хуже удаляют фосфор из металла. Имеющиеся в них основные оксиды СаО, МпО, FeO связаны в силикаты, и развитие реакции (9.89) происходит влево. При этом увеличивается содержание фосфора в металле шва и тормозится его удаление в шлак. Кон­станта равновесия реакции (9.89) с ростом температуры уменьша­ется, что свидетельствует об интенсификации реакции перехода фосфора из шлака в металл. Поэтому при пониженных температу­рах следует ожидать более активного перехода фосфора в шлак. В этом отношении «короткие» шлаки эффективнее «длинных».

При сварке в среде защитных газов удаление фосфора из ме­талла шва связано с большими трудностями. Главным фактором сохранения высоких значений механических свойств является предельное снижение фосфора в основном металле, а в шве - предотвращение образования ликватов линейной формы путем управ­ления схемой кристаллизации. В легированных и высоколегиро­ванных сталях содержание фосфора снижается до 0,002...0,003 %.

9.10.4. Модифицирование металла шва

Модифицирование металла шва направлено на измельчение кристаллитов шва. Оно осуществляется введением в жидкий ме­талл зародышей, т. е. твердых частиц, на гранях которых могут оседать атомы металла. Чем больше таких активных частиц, тем больше число зарождающихся кристаллитов и тем меньше их раз­меры. В качестве зародышей служат атомы тугоплавких металлов или их соединения, обладающие изоморфностью, т. е. таким же, как у металла шва, типом кристаллической решетки и близкими размерами. При выборе элементов-модификаторов необходимо предотвратить возможность их окисления, образования карбидов или интерметаллидов с другими компонентами сплава. Это дости­гается использованием весьма малых долей элементов-модифи­каторов (в малых долях их химическая активность снижается). Наи­более часто модифицируют сталь титаном и цирконием. В алюми­ниевых сплавах наилучшим модификатором является скандий Sc. При вводе скандия в жидкий алюминий образуется соединение AI₃Sс (Т_пл = 1593 К) с ОЦК-решеткой, параметр которой равен 0,4105 - т. е. такой же, как и у алюминия. Другие модификаторы (Ti, Zr) менее эффективны, так как образуют неизоморфные со­единения Al₃Ti и Al₃Zr с тетрагональной решеткой (а = 0,40, с =1,7315).