9.2.4 Влияние со2, со и паров н2о на свойства стали

Оксиды углерода СО₂ и СО в тех или иных количествах всегда есть в газовой среде. Степень диссоциации и окислительная спо­собность СО₂ при температурах дугового разряда весьма значи­тельны (см. рис. 9.1). В отличие от СO₂ окись углерода СО не дис­социирует в дуговом разряде. Кроме того, СО не растворяется в жидком металле и поэтому непосредственной опасности для него Не представляет. В то же время СО может создавать защитную атмосферу у поверхности жидкого металла, связывая кислород по реакции

Окись углерода может непосредственно образовываться и при сварке угольным электродом, создавая достаточную газовую за­щиту. Иную роль играет окись углерода, образующаяся в самом металле при взаимодействии углерода с кислородом или углерода с оксидами металлов. В этом отношении наиболее характерна ре­акция между углеродом и закисью железа:

(9.23)

Наблюдающееся кипение металла (выделение пузырей обра­зующейся окиси углерода) способствует удалению посторонних включений. Однако если в металле шва в момент его кристаллиза­ции нет нужных раскислителей (например, Si, Mn), способных подавить реакцию дальнейшего образования окиси углерода, то кипение металла сварочной ванны может продолжаться до окон­чания кристаллизации и привести к нежелательному снижению содержания углерода, а также к образованию пор в металле шва.

Пары воды диссоциируют в зоне столба дуги полностью на во­дород и кислород. Их влияние на свойства стали при сварке опи­сано в разд. 9.2.3 и 9.2.1.

Итак, состав газовой среды в зоне столба дуги и степень актив­ности ее компонентов при сварке плавлением позволяет сделать общий вывод о необходимости защиты жидкой фазы сварочной ванны (стали) от контакта с воздухом и тщательной металлургиче­ской обработки ее для получения качественного сварного соеди­нения.

9.2.5. Влияние атмосферных газов на свойства цветных металлов

Медь при взаимодействии с кислородом дает стабильный ок­сид Сu₂ О, растворимый в жидкой меди:

(9.24)

В расплаве оксид меди Сu₂О весьма устойчив, но при кристал­лизации вследствие ликвации образуется эвтектика Сu - Сu₂О и фаза Сu₂О теряет свою устойчивость, вызывая под воздействием О₂ и Н₂ так называемую «водородную болезнь» меди, которая приводит к разрушению металла и является результатом последо­вательного взаимодействия меди с кислородом по реакции (9.24), а затем с водородом по следующей реакции:

(9.25)

Иными словами, водород, растворенный в окисленном металле, взаимодействует с оксидом Сu₂О, находящимся в эвтектике и вос­станавливает его до Сu, но образующиеся при этом пары воды не диффундируют через металл и разрушают его по границам зерен.

Равновесная диаграмма плавкости Сu-О приведена на рис. 9.14. Как следует из диаграммы, в области температур ниже 1065 °С (1338 К) существует раствор Сu + Сu₂О, но растворимость Сu₂О в твердой фазе ничтожно мала. Таким образом, при сварке меди и ее спла­вов необходимо принимать все меры для снижения степени ее окисления или вводить раскислители.

Аналогичная ситуация имеет место при сварке деталей из никеля и его сплавов. Никель с О₂ образует два соединения: Ni₂Оз и NiO. Пер­вый из них неустойчив, является сильным окислителем (он применя­ется в щелочных аккумуляторах). Второй - NiO - устойчивый оксид. Он хорошо растворим в жидком никеле, но не растворим в твердом никеле. Диаграмма плавкости, приведенная на рис. 9.15, показыва­ет, что содержащиеся в металле оксиды никеля при нагревании выше 1700 К легко диссоциируют, выделяя кислород, который об­разует поры с водородом, находящимся в жидком металле, при его кристаллизации. Никель, в отличие от железа, не взаимодействует с азотом, который может служить для него так же, как и для Сu, защитной средой.

Титан является особо активным химическим элементом по отношению к кислороду, с которым он образует ряд устойчивых оксидов, обладающих различной степенью окисления. Кроме то­го, кислород растворяется в твердом металле. Оксиды, особенно имеющие низкую степень окисления: TiO, Ti₂O₃, ТiO₂, обладают большим температурным интервалом гомогенности, т. е. сущест­вуют в однофазном твердом растворе при охлаждении до нор­мальной температуры (рис. 9.16).

При температурах этого интер­вала наиболее устойчив оксид TiO. Для оксидов титана характерна ступенчатая диссоциация, которая идет по двум вариантам:

(9.26)

Из оксидов титана наименьшую температуру диссоциации имеет TiО₂ (∆G = 0 при 3500 К), диссоциация которого происхо­дит согласно уравнению

(9.27)

Титан также активно взаимодействует с азотом и водородом (см. рис. 9.7), образуя нитриды и гидриды, поэтому требуется осо­бо тщательная защита его сплавов от атмосферы при сварке.

Алюминий соединяется с кислородом в устойчивый амфотерный оксид А1₂O₃ (корунд), образующий соли как в кислой, так и в щелочной среде. Оксид А1₂O₃ не растворим в алюминии и образует плотную оксидную пленку, имеющую весьма высокие температуру плавления (T > 2500 К) и плотность (выше, чем у металла). При сварке с окислением в шве образуются включения AI2O3, т. е. шла­ки, которые приводят к охрупчиванию металла шва. Кроме того, поверхностные пленки из А1₂O₃ склонны к адсорбции Н₂O, т. е. к гидратации во влажной среде. Гидратная вода, входящая в А1₂O₃ •

п Н₂O, при сварке диссоциирует и это приводит к повыше­нию парциального давления водорода в столбе дуги. При охлажде­нии до температуры кристаллизации растворимость водорода резко снижается практически до нулевых значений (см. рис. 9.6, а) и при кристаллизации часть выделяющегося газа создает поры в шве. Второй продукт диссоциации - кислород - окисляет основу сплава или его главный легирующий компонент (Mg, Li) и тем самым уве­личивает долю шлака в шве в виде легкоплавкой эвтектики.

Таким образом, попадание атмосферных газов в большей или меньшей степени в зону столба дуги вследствие несовершенства газовой защиты или в виде примесей в защитных газах оказывает вредное воздействие на конструкционные металлы и сплавы в шве и в зоне термического влияния, так как приводит к образованию в них горячих либо холодных трещин и пор, а также к снижению прочности и пластичности сварных соединений.