36. Металлургические процессы при сварке: диссоциация веществ, насыщение металла o, n, h, процессы раскисления, шлакования, рафинирования металла сварного шва. Способы раскисления металла шва
Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве
В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.
Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.
Окисление металла при сварке. Металл окисляется преимущественно газами пламени горелки или при проникновении кислорода воздуха из окружающей среды. Некоторое значение может иметь и окисление расплавляемого металла окислами (окалина, ржавчина), находящимися на поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки.
Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение не только с железом, но и с примесями, что увеличивает общее содержание кислорода в стали. Наличие кислорода в стали (в виде окислов или в чистом виде) приводит к понижению механических свойств металла.
В процессе окисления содержание в металле некоторых элементов уменьшается, так как они выгорают. Так, при сварке стали выгорают углерод, кремний и марганец. В результате выгорания указанных элементов свойства стали изменяются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя из ванны, вызывает кипение ее и усиливает разбрызгивание металла сварочной ванны, — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.
Раскисление металла. При совместном существовании в жидком металле нескольких разнородных окислов между ними могут происходить химические реакции, в результате чего получаются соединения, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления исходных окислов.
Эта особенность облегчает удаление окислов из металла, так как полученные соединения, имея низкую температуру плавления, находятся все время в жидком состоянии и легко удаляются из расплавленной ванны.
При сварке ряда металлов применяются флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.
Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов.
Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязано. Так, например, восстановление окислов железа и стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом, кремнием и в небольшой степени марганцем, т. е. при этом окисляются три элемента за счет кислорода окислов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.
Наличие в стали легирующих примесей (кремния, марганца, хрома, титана и др.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление окислов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.
Раскисление сварочной ванны может в некоторой степени осуществляться углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени горелки. При этом пламя не только восстанавливает окислы, но и предохраняет расплавленный металл от окисления его кислородом и насыщения азотом воздуха, при растворении которых шов получается хрупким. Нужно иметь в виду, что ацетиленокислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют главным образом лишь на поверхности сварочной ванны. Поэтому газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу правильнее рассматривать не как раскислитель, восстанавливающий окислы железа, а как защитную среду, затрудняющую доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющую окисление металла. Это особенно ярко выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем оказывается недостаточным. В таких случаях требуется применять флюсы, которые способствуют удалению окислов из металла.
Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления окислов, которые растворены в ванне, необходимо применять более сильные раскислители. Такими раскислителями, в частности, могут быть кремний и марганец. Вводить эти элементы можно путем применения специальных легированных присадочных проволок или путем нанесения специальных обмазок на малоуглеродистую сварочную проволоку.
Имеющиеся в проволоке отдельные примеси влияют на процесс сварки различно: одни примеси улучшают механические свойства металла шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязких и тугоплавких шлаков в сварочной ванне, что приводит к пористости металла шва и загрязнению его неметаллическими включениями.
Рассмотрим, как влияют отдельные элементы присадочной проволоки на процесс сварки.
Углерод при большом содержании усложняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение ее в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и уменьшает его пластические свойства. Нормальным содержанием углерода в присадочной проволоке для сварки малоуглеродистой стали следует считать 0,06—0,18%. В присадочных стержнях для сварки серого чугуна количество углерода доводится до 3,5—4%, что необходимо для получения в шве структуры серого чугуна.
Марганец при содержании его в малоуглеродистой проволоке приблизительно до 1% является хорошим раскислителем. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному образованию в металле шва шлаков. Если же в присадочной проволоке наряду с высоким содержанием марганца имеет место повышенное содержание углерода, то сварной шов может приобрести склонность к закалке. В стержнях для сварки чугуна содержание марганца как элемента, способствующего отбеливанию чугуна, ограничивается 0,5-0,6%.
Кремний является раскислителем при сварке стали. При большом содержании его на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, препятствующий выходу газов из сварочной ванны при ее застывании. Металл шва при этом получается пористым и загрязненным шлаками. Поэтому в малоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничивается 0,03%.
При раскислении и легировании наплавленного металла более благоприятные результаты дает проволока, содержащая в необходимых количествах одновременно как марганец, так и кремний.
Сера вызывает красноломкость сварного шва, способствует появлению в нем пористости и трещин. Поэтому содержание серы в проволоке допускается в количестве не более 0,03—0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, так как сообщает ему тугоплавкость, способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничивается 0,08%.
Фосфор вызывает хладноломкость стали, сильно понижает ее пластические свойства. Содержание фосфора в присадочной проволоке не должно быть выше 0,03—0,04%. В чугунных прутках содержание фосфора доходит до 0,5—0,8%, так как он способствует жидко текучести чугуна и хорошему заполнению расплавленным металлом резделки кромок чугунного изделия.
Помимо указанных элементов, в состав проволоки могут входить хром, никель, молибден. Содержание их в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, восполняют выгорающие элементы, улучшают химический состав металла шва.
При сварке меди для раскисления сварочной ванны применяют медную проволоку с небольшим содержанием фосфора, который является раскислителем по отношению к окиси меди.
Водород, имеющийся в пламени с избытком ацетилена, растворяясь в металле, ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления могут наблюдаться при растворении водорода в стали.
Растворение в металле шва серы и фосфора может происходить при большом содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут образоваться горячие трещины; Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), необходимо применять только хорошо очищенный ацетилен.
Читайте также
Добавить комментарий
electrowelder.ru
Раскисление металла при сварке | Теория сварочных процессов
Раскисление металла при сварке
Раскисление металла при сварке – это процесс удаления из него кислорода любыми путями.
Необходимость раскисления объясняется неизбежностью некоторого окисления металла газовой или шлаковой фазами и сваркой недостаточно раскисленных сталей (кипящих или полуспокойных). Так, при сварке углеродистых кипящих сталей проволокой марок Св-08, Св-08А или Св-08АА даже в аргоне в хвостовой части сварочной ванны будет протекать реакция восстановления железа углеродом:
[C] + [FeO] = [Fe] + CO . (4.27)
Нерастворимая в жидком металле окись углерода может не успеть выделиться из кристаллизующегося металла сварочной ванны. Образуются поры – газовые включения. Чтобы не допустить выгорания углерода в металле сварочной ванны надо иметь не менее 0,15 % кремния и 0,75 % марганца.
Раскисление металла может идти двумя путями – химическим (осаждающее раскисление) и физическим (диффузионное раскисление).
При химическом раскислении реакция протекает по следующей схеме:
[FeO] + [Pa] = (PaO) + [Fe]. (4.28)
Продукты раскисления (PaO) нерастворимы в металле (как бы выпадают в осадок, поэтому и называют осаждающим раскислением), а растворимы в шлаке.
Элементы-раскислители должны иметь сродство к кислороду больше, чем раскисляемый элемент. Окисел раскислителя должен быть конденсированным, нерастворимым в металле, а растворимым в шлаке. Температура плавления окисла должна быть ниже температуры плавления раскисляемого металла, а удельный вес меньше удельного веса металла.
Обычно для химического раскисления применяют не менее двух раскислителей. Это объясняется следующим:
– ни один раскислитель не может полностью удалить кислород, так как реакция всегда идет до равновесного состояния;
– при наличии двух раскислителей в передней части сварочной ванны действует более сильный раскислитель, в хвостовой – менее сильный. При наличии только одного раскислителя по мере его сгорания в хвостовой части сварочной ванны усиливается реакция выгорания углерода, что может привести к пористости металла шва;
– применяемые раскислители должны образовавать разные по своему характеру оксиды (кислотные и основные или основные и амфотерные), чтобы взаимодействуя между собой, они образовывали комплексные соединения, легко растворимые в шлаке. В этом случае удается вывести в шлаковую фазу большую часть эндогенных продуктов реакции раскисления.
Для химического раскисления сталей углерод обычно не используют, так как углерод:
– приводит к пористости металла шва;
– увеличивает радиационную хрупкость металла;
– увеличивает склонность нержавеющих сталей к межкристаллитной коррозии;
– при увеличении своего содержания в сталях на 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 0С;
– способствует крупнокапельному переносу электродного металла.
Поэтому обычно при сварке сталей содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12 %.
Для раскисления сталей чаще всего применяют кремний и марганец. Например, для сварки низкоуглеродистых сталей используют сварочные проволоки Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2, Св-10ГС, Св-12ГС.
Вводить Si и Mn в сварочную ванну можно из электродного покрытия или керамического флюса, где данные элементы содержатся в виде ферросплавов – Fe-Mn, Fe-Si. В составе керамического (неплавленного) флюса содержание металлических добавок ограничивают до 20 % во избежание перехода дугового процесса в электрошлаковый.
Введение Si и Mn в сварочную ванну в небольших количествах (до 1%) возможно за счет восстановительных процессов. Для перехода из флюса кремния в сварочную ванну в количестве (0,1 ¸ 0,2) % необходимо иметь во флюсе двуокиси кремния не менее (40 ¸ 45) %. Для перехода марганца из флюса в сварочную ванну в количестве (0,3 ¸ 0,4) % надо иметь во флюсе закиси марганца не менее (35 ¸ 38) %.
При использовании бескремнистого флюса, содержащего двуокись титана TiO2 = (10 ¸ 20) %, возможен переход титана в сварочную ванну в количестве (0,02 ¸ 0,10) %.
Диффузионное (физическое) раскисление основано на образовании комплексных оксидов на поверхности раздела фаз шлак-металл. Образовавшиеся комплексные соединения переходят в шлаковую фазу. Для удаления FeO из сталей необходимо иметь в шлаке свободные кислотные оксиды – SiO2 или TiO2. Реакция протекает следующим образом:
[FeO] + (SiO2) ® (FeO×SiO2). (4.29)
Диффузионное раскисление протекает медленно. С увеличением содержания в шлаке SiO2 шлак становится густым, длинным, малоподвижным. Для увеличения его химической активности повышают содержание в нем CaF2 или заменяют часть SiO2 на TiO2. По своему характеру SiO2 и TiO2 сильные кислотные оксиды, но если SiO2 увеличивает вязкость шлака, то TiO2 ее уменьшает. Кроме того, замена SiO2 на TiO2 улучшает сварочно-гигиенические условия труда, так как образующийся при изготовлении флюса и в процессе сварки SiF4 существует в газообразном состоянии до температуры –95 0С, а ТiF4 – только до +290 0С. Следовательно, в зоне дыхания сварщика ТiF4 будет отсутствовать.
Для повышения химической активности шлака его еще могут раскислять, например, следующим образом:
(FeO×SiO2) + (Mn) ® (MnO×SiO2) + [Fe]. (4.30)
Диффузионное раскисление в процессе сварки не играет большой роли, оно сопровождает химическое раскисление, способствуя большему удалению продуктов раскисления из сварочной ванны.
Раскисление цветных металлов осуществляется как и сталей химическим и диффузионным путем.
При сварке медных сплавов в принципе можно использовать те же раскислители, что и при сварке сталей, так как сродство меди к кислороду меньше, чем у железа. Но коэффициент теплопроводности меди почти в 10 раз больше, чем у низкоуглеродистых сталей. Поэтому скорость охлаждения больше, а время существования сварочной ванны соответственно меньше. Следовательно, для лучшего раскисления надо применять более сильные раскислители.
Диффузионное раскисление осуществляется за счет использования во флюсах борной кислоты Н3ВО3 или буры Na2B4O7×10h3O. В этом случае образуются бораты ZnO×B2O3, Cu2O×B2O3, MnO×2B2O3, удаляемые в шлаковую фазу.
Никелевые сплавы используются главным образом в химической промышленности. Поэтому в металле шва не должно быть шлаковых включений. Никель имеет высокую чувствительность к примесям (прежде всего к углероду и сере) и растворенным газам. Сварка в среде аргона в настоящее время является основным способом сварки никеля и его сплавов. При этом применяют комплексное легирование титаном, алюминием, кремнием, марганцем (£ 1,5 %), магнием (£ 0,1 %) путем использования соответствующей проволоки.
Титан и его сплавы раскисляют только соответствующей проволокой.
Используют комплексное легирование алюминием (до 1%), цирконием (до 1%), рением (Re £ 0,2 %), редкоземельными металлами (иттрием U, гадолинием Gd), гафнием Hf.
Алюминий и его сплавы раскисляют растворением алюминиевой пленки во флюсе. Входящий во флюс криолит – Na3AlF6 при температуре 1000 0С (средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке алюминия) растворяет до 20 % от своего веса Al2O3. Входящие в состав флюсов фтористые и хлористые соли приводят к образованию HCl и HF, которые переводят Al2O3 в летучее соединение. Кроме того, при взаимодействии Al2O3 с фтористыми солями образуется оксифторид алюминия переменного состава AlxOyFz, легко растворяющийся в шлаке.
Серия статей МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ:
1. Общая характеристика процессов в зоне плавления2. Шлаковая фаза при сварке плавлением3. Раскисление металла при сварке4. Легирование металла шва при сварке плавлением5. Рафинирование металла шва при сварке плавлением
theorysp.ru
Способы раскисления стали
Во всех способах производства стали — мартеновском, конвертерном, электросталеплавильном —по ходу плавки по мере выгорания примесей (кремния, марганца и углерода) имеет место постепенное повышение содержания кислорода. В конце окислительного периода плавки содержание растворенного кислорода в жидком металле определяется в основном концентрацией углерода, причем максимальных значений кислород достигает при низком содержании углерода. Задачей раскисления является снижение концентрации растворенного кислорода и возможно полное удаление из металла продуктов раскисления. Оставшийся в металле кислород в неактивной форме в гораздо меньшей степени сказывается на ухудшении свойств готовой стали.
В металлургической практике применяются следующие способы раскисления стали:
- осаждающее раскисление;
- диффузионное раскисление;
- раскисление синтетическими шлаками;
- раскисление в вакууме.
Осаждающее раскисление является наиболее распространенным способом, при котором снижение концентрации растворенного в жидком металле кислорода достигается связыванием его элементами-раскислителями (Mn, Si, Ti, Zr, Al, Са, РЗМ), обладающими большим сродством к кислороду, чем железо.
При присадке раскислителя Е в металле имеет место взаимодействие х [O] + у [Е] = ЕУOХ (г, ж, тв) с образованием окисла элемента-раскислителя в газообразном, жидком или твердом состоянии, нерастворимого в стали. Степень понижения концентрации растворенного кислорода обусловлена раскислительной способностью элемента-раскислителя, обычно определяемой концентрацией растворенного в жидком железе кислорода, находящегося в равновесии с определенной концентрацией элемента-раскислителя. С увеличением сродства элемента-раскислителя к кислороду растет его раскислительная способность.
Термодинамические данные реакций раскисления приведены в табл.
Образующиеся продукты раскисления в силу их меньшей плотности в той или иной степени удаляются из металла. Полнота очищения жидкой стали от продуктов раскисления зависит от величины, состава и физико-химических свойств частиц, способности их к укрупнению, от вязкости и температуры металла. Наиболее благоприятные условия для укрупнения частиц и их всплывания из жидкой стали создаются при образовании жидких, легкоплавких продуктов раскисления, что свойственно окислам элементов (марганца, кремния) с низкой раскислительной способностью. С повышением раскислительной способности элементов (алюминия, титана, циркония) обычно повышается температура плавления частиц; целесообразно применение комплексных раскислителей Si—Мn, Si—Са, Са—Аl, Аl—Мn—Si, Аl—Si—Са и др.), при действии которых образуются сравнительно легкоплавкие, способные к укрупнению и быстрому всплыванию продукты раскисления.
Наиболее широко в качестве раскислителей применяются марганец, кремний (в виде ферросплавов) и алюминий. Марганец является сравнительно слабым раскислителем, однако он применяется при раскислении всех сталей и незаменим при производстве кипящей стали. При раскислении марганцем, в зависимости от его содержания в жидкой стали образуются растворы х МnО • у FеО в твердом или жидком состоянии. По мере повышения остаточного марганца в металле возрастает МnО в продуктах раскисления, вплоть до образования свободной МnО.
Кремний — более сильный раскислитель. Продуктами раскисления кремния, при повышении содержания его в стали являются жидкие силикаты железа вплоть до твердого кремнезема. При совместном раскислении марганцем и кремнием образуются силикаты марганца и железа, состав которых зависит от соотношений концентрации марганца, кремния и кислорода. В присутствии марганца раскислительная способность кремния повышается.
Алюминий является весьма активным раскислителем. При введении алюминия в избытке, что обычно имеет место в практике раскисления, образуются твердые мелкодисперсные частицы глинозема. При малой добавке алюминия в металл образуются частицы FeО-Аl2O3.
Диффузионное раскисление, основанное на законе распределения закиси железа между металлом и шлаком, сводится к раскислению шлака. Уменьшение концентраций FeO в шлаке за счет его раскислении вызывает диффузию кислорода из металла в шлак до равновесного распределения между обеими фазами при данной температуре:
х (FеО) + y[Е] = (ЕуОх) + х [Fе].
↑↓
[FеО]
Раскисление шлака практически осуществляется путем введения на его поверхность порошкообразных раскислительных смесей, содержащих кокс, древесный уголь, ферросилиций, алюминий. При диффузионном раскислении металл не загрязняется продуктами раскисления, но для его осуществления необходимы восстановительная атмосфера и длительное время, что сопряжено с понижением производительности печи. Этот способ раскисления применяется при плавке высококачественной стали в электродуговых печах, где без особых затруднений можно создавать восстановительную атмосферу.
Раскисление стали синтетическими шлаками (кислыми или основными с малым содержанием FеО) также основано на экстрагировании FеО из металла в соответствии с законом распределения. При этом способе раскисления сталь выливается в ковш с жидким синтетическим шлаком. Благодаря эмульгированию шлака раскисление протекает с большой скоростью. При обработке стали синтетическими основными шлаками, кроме раскисления, возможно обессеривание металла.
Практика раскисления. В зависимости от степени раскисленности стали различают кипящую, полуспокойную и спокойную сталь.
Кипящая сталь — частично раскисленная (марганцем и углеродом) сталь, застывающая в изложницах с обильным выделением газов, являющихся в основном (до 90% СО) продуктом взаимодействия растворенных в жидком металле углерода и кислорода. Интенсивность газовыделения предопределяет строение и качество слитка кипящей стали. Кипящую сталь выплавляют в мартеновских печах и конвертерах с содержанием углерода от 0,02 до 0,27 и редко до 0,35% и содержанием марганца до 0,6%. Основным раскислителем кипящей стали является углеродистый 75%-ный ферромарганец, который вводится в печь или в ковш. Экономически более целесообразно раскисление в ковше, при этом снижается расход ферромарганца (до 25%) и сокращается продолжительность плавки (на 5—15 мин). Угар марганца при раскислении в ковше составляет 20—40%, при раскислении в печи до 35—70%.
Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Количество раскислителей, добавляемых в металл, недостаточно для полного предотвращения выделения газов, поэтому в слитке полуспокойной стали наблюдаются газовые пузыри и слаборазвитая усадочная раковина.
Полуспокойная сталь выплавляется в мартеновских печах и конвертерах, она содержит 0,1—0,3% С; 0,35—0,85% Мn и до 0,15% Si. Раскисление полуспокойной стали производится частично в печи (ферромарганцем, доменным ферросилицием) и затем в ковше (ферросилицием, карбидом кремния, алюминием, ферротитаном) или же только в ковше. Иногда добавляют небольшое количество алюминия (0,02—0,5 кг/т) в изложницу, вводя его в центровую в процессе разливки.
Спокойная сталь раскисляется избытком сильных раскислителей, исключающим возможность взаимодействия растворенного кислорода с углеродом во время охлаждения и затвердевания металла в изложнице.
Многообразные по химическому составу марки спокойной стали производятся в мартеновских и электродуговых печах и конвертерах.
Практика раскисления спокойной стали весьма различна. Во всех методах стремятся получить хорошо раскисленную сталь с минимально возможным содержанием оксидных включений, наличие которых сильно сказывается на качестве металла. На загрязненность стали оксидными включениями определенным образом влияет способ и последовательность введения раскислителей. В качестве раскислителей применяются углеродистый и малоуглеродистый ферромарганец, зеркальный чугун, доменный и 45%-ный ферросилиций, силикомарганец, алюминий, ферроалюминий, силикокальций, силикоалюминий, альсикаль, карбид кремния, силикоцирконий и др. Предварительное раскисление производится в печи слабыми раскислителями, более сильные вводятся в ковш. Иногда сталь раскисляют в ковше, без предварительного раскисления кремнием в печи.
Для уменьшения загрязненности стали оксидными включениями и для более равномерного их распределения в последнее время применяют введение алюминия, силикокальция или альсикаля в ковш при помощи специальных трубок. Предложен также метод раскисления стали в ковше жидким алюминием.
metallurgy.zp.ua
диссоциация веществ, насыщение металла o, n, h, процессы раскисления, шлакования, рафинирования металла сварного шва.
Распавляемое при сварке электродное покрытие кроме шлака выделяет газы, осуществляя, таким образом, газошлаковую защиту металла. В зависимости от состава покрытия или флюса может выделяться значительное количество газа и меньшее количество шлака, или наоборот. В первом случае покрытиё называют газозашитным, а во втором— шлакозащитным. Обычно применяют смешанную защиту. Металлургическая обработка металла выделяющимися при сварке шлаком и газами заключается в процессах раскисления, легирования и рафинирования металла шва.
Раскисление — это освобождение стали от кислорода, попадающего в ванну из воздуха, покрытий и других источников. В процессе сварки происходит осаждающее раскисление, при котором удаление кислорода из расплавляемого металла капли или ванпы осуществляется реакциями с другими элементами, более активно взаимодействующими с кислородом, чем железо. Удаление кислорода происходит путем восстановления железа из оксида FeO по реакциям:
При этом MnO и SiO2 переходят в шлак, а СО — в атмосферу. Процесс идет беспрерывно: окисление Fe идет в передней части ванны, где температура более высокая, а восстановление железа из оксида — в задней части, где температура более низкая. Наряду с осаждающим раскислением происходит процесс диффузионного раскисления путем реакции между оксидом железа и другими оксидами
FeO, таким образом, связывается в стойкий силикат, который переходит в шлак. При большом содержании в шлаке силиката кремния реакция может пойти в обратную сторону, и металл будет окисляться, растворяя FeO. Поэтому содержание 5Юг в шлаке должно быть в количестве, необходимом для диффузионного раскисления. Следует иметь в виду, что SiO2 делает шлак «длинным», малоподвижным и ухудшает его газопроницаемость. При необходимости добавляют в покрытие другие материалы, повышающие жидкотекучесть шлака. Из приведенных выше химических реакций видно, что раскисление металла при сварке осуществляется при введении в покрытие химических элементов-раскислителей: Mn, Si, Al, T и др. в виде порошка или ферросплавов (сплавов с железом), а также при увеличении содержания этих элементов в электродных стержнях.
Легирование металла шва различными полезными примесями для улучшения его качества осуществляется путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Мп и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке в электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.
Рафинирование металла шва заключается в освобождении его от вредных примесей, главным образом от серы и фосфора, которые попадают в ванну из основного металла, электродного стержня и покрытия, проволоки и флюса. Сера может остаться в шве в виде сульфида железа FeS, располагаясь между кристаллами стали. Это приводит к появлению горячих трещин в стали (см. § 9.7). Фосфор, находясь в шве в виде фосфидов Fe3P H^Fe2P, снижает его ударную вязкость, особенно при низкой температуре, поэтому удаление из шва серы и фосфора необходимо. Это осуществляется путем связывания серы и фосфора в химические соединения, не растворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:
studfiles.net
Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве
В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.
Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.
Окисление металла при сварке. Металл окисляется преимущественно газами пламени горелки или при проникновении кислорода воздуха из окружающей среды. Некоторое значение может иметь и окисление расплавляемого металла окислами (окалина, ржавчина), находящимися на поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки.
Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение не только с железом, но и с примесями, что увеличивает общее содержание кислорода в стали. Наличие кислорода в стали (в виде окислов или в чистом виде) приводит к понижению механических свойств металла.
В процессе окисления содержание в металле некоторых элементов уменьшается, так как они выгорают. Так, при сварке стали выгорают углерод, кремний и марганец. В результате выгорания указанных элементов свойства стали изменяются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя из ванны, вызывает кипение ее и усиливает разбрызгивание металла сварочной ванны, — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.
Раскисление металла. При совместном существовании в жидком металле нескольких разнородных окислов между ними могут происходить химические реакции, в результате чего получаются соединения, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления исходных окислов.
Эта особенность облегчает удаление окислов из металла, так как полученные соединения, имея низкую температуру плавления, находятся все время в жидком состоянии и легко удаляются из расплавленной ванны.
При сварке ряда металлов применяются флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.
Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов.
Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязано. Так, например, восстановление окислов железа и стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом, кремнием и в небольшой степени марганцем, т. е. при этом окисляются три элемента за счет кислорода окислов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.
Наличие в стали легирующих примесей (кремния, марганца, хрома, титана и др.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление окислов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.
Раскисление сварочной ванны может в некоторой степени осуществляться углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени горелки. При этом пламя не только восстанавливает окислы, но и предохраняет расплавленный металл от окисления его кислородом и насыщения азотом воздуха, при растворении которых шов получается хрупким. Нужно иметь в виду, что ацетиленокислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют главным образом лишь на поверхности сварочной ванны. Поэтому газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу правильнее рассматривать не как раскислитель, восстанавливающий окислы железа, а как защитную среду, затрудняющую доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющую окисление металла. Это особенно ярко выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем оказывается недостаточным. В таких случаях требуется применять флюсы, которые способствуют удалению окислов из металла.
Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления окислов, которые растворены в ванне, необходимо применять более сильные раскислители. Такими раскислителями, в частности, могут быть кремний и марганец. Вводить эти элементы можно путем применения специальных легированных присадочных проволок или путем нанесения специальных обмазок на малоуглеродистую сварочную проволоку.
Имеющиеся в проволоке отдельные примеси влияют на процесс сварки различно: одни примеси улучшают механические свойства металла шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязких и тугоплавких шлаков в сварочной ванне, что приводит к пористости металла шва и загрязнению его неметаллическими включениями.
Рассмотрим, как влияют отдельные элементы присадочной проволоки на процесс сварки.
Углерод при большом содержании усложняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение ее в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и уменьшает его пластические свойства. Нормальным содержанием углерода в присадочной проволоке для сварки малоуглеродистой стали следует считать 0,06—0,18%. В присадочных стержнях для сварки серого чугуна количество углерода доводится до 3,5—4%, что необходимо для получения в шве структуры серого чугуна.
Марганец при содержании его в малоуглеродистой проволоке приблизительно до 1% является хорошим раскислителем. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному образованию в металле шва шлаков. Если же в присадочной проволоке наряду с высоким содержанием марганца имеет место повышенное содержание углерода, то сварной шов может приобрести склонность к закалке. В стержнях для сварки чугуна содержание марганца как элемента, способствующего отбеливанию чугуна, ограничивается 0,5-0,6%.
Кремний является раскислителем при сварке стали. При большом содержании его на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, препятствующий выходу газов из сварочной ванны при ее застывании. Металл шва при этом получается пористым и загрязненным шлаками. Поэтому в малоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничивается 0,03%.
При раскислении и легировании наплавленного металла более благоприятные результаты дает проволока, содержащая в необходимых количествах одновременно как марганец, так и кремний.
Сера вызывает красноломкость сварного шва, способствует появлению в нем пористости и трещин. Поэтому содержание серы в проволоке допускается в количестве не более 0,03—0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, так как сообщает ему тугоплавкость, способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничивается 0,08%.
Фосфор вызывает хладноломкость стали, сильно понижает ее пластические свойства. Содержание фосфора в присадочной проволоке не должно быть выше 0,03—0,04%. В чугунных прутках содержание фосфора доходит до 0,5—0,8%, так как он способствует жидко текучести чугуна и хорошему заполнению расплавленным металлом резделки кромок чугунного изделия.
Помимо указанных элементов, в состав проволоки могут входить хром, никель, молибден. Содержание их в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, восполняют выгорающие элементы, улучшают химический состав металла шва.
При сварке меди для раскисления сварочной ванны применяют медную проволоку с небольшим содержанием фосфора, который является раскислителем по отношению к окиси меди.
Водород, имеющийся в пламени с избытком ацетилена, растворяясь в металле, ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления могут наблюдаться при растворении водорода в стали.
Растворение в металле шва серы и фосфора может происходить при большом содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут образоваться горячие трещины; Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), необходимо применять только хорошо очищенный ацетилен.
Читайте также
Добавить комментарий
electrowelder.ru
диссоциация веществ, насыщение металла o, n, h, процессы раскисления, шлакования, рафинирования металла сварного шва.
Распавляемое при сварке электродное покрытие кроме шлака выделяет газы, осуществляя, таким образом, газошлаковую защиту металла. В зависимости от состава покрытия или флюса может выделяться значительное количество газа и меньшее количество шлака, или наоборот. В первом случае покрытиё называют газозашитным, а во втором— шлакозащитным. Обычно применяют смешанную защиту. Металлургическая обработка металла выделяющимися при сварке шлаком и газами заключается в процессах раскисления, легирования и рафинирования металла шва.
Раскисление — это освобождение стали от кислорода, попадающего в ванну из воздуха, покрытий и других источников. В процессе сварки происходит осаждающее раскисление, при котором удаление кислорода из расплавляемого металла капли или ванпы осуществляется реакциями с другими элементами, более активно взаимодействующими с кислородом, чем железо. Удаление кислорода происходит путем восстановления железа из оксида FeO по реакциям:
При этом MnO и SiO2 переходят в шлак, а СО — в атмосферу. Процесс идет беспрерывно: окисление Fe идет в передней части ванны, где температура более высокая, а восстановление железа из оксида — в задней части, где температура более низкая. Наряду с осаждающим раскислением происходит процесс диффузионного раскисления путем реакции между оксидом железа и другими оксидами
FeO, таким образом, связывается в стойкий силикат, который переходит в шлак. При большом содержании в шлаке силиката кремния реакция может пойти в обратную сторону, и металл будет окисляться, растворяя FeO. Поэтому содержание 5Юг в шлаке должно быть в количестве, необходимом для диффузионного раскисления. Следует иметь в виду, что SiO2 делает шлак «длинным», малоподвижным и ухудшает его газопроницаемость. При необходимости добавляют в покрытие другие материалы, повышающие жидкотекучесть шлака. Из приведенных выше химических реакций видно, что раскисление металла при сварке осуществляется при введении в покрытие химических элементов-раскислителей: Mn, Si, Al, T и др. в виде порошка или ферросплавов (сплавов с железом), а также при увеличении содержания этих элементов в электродных стержнях.
Легирование металла шва различными полезными примесями для улучшения его качества осуществляется путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Мп и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке в электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.
Рафинирование металла шва заключается в освобождении его от вредных примесей, главным образом от серы и фосфора, которые попадают в ванну из основного металла, электродного стержня и покрытия, проволоки и флюса. Сера может остаться в шве в виде сульфида железа FeS, располагаясь между кристаллами стали. Это приводит к появлению горячих трещин в стали (см. § 9.7). Фосфор, находясь в шве в виде фосфидов Fe3P H^Fe2P, снижает его ударную вязкость, особенно при низкой температуре, поэтому удаление из шва серы и фосфора необходимо. Это осуществляется путем связывания серы и фосфора в химические соединения, не растворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:
studfiles.net
Лекция 5
Раскисление и легирование стали
5.1. Раскисление стали
5.1.1. Основные задачи раскисления.
5.1.2. Свойство раскислителей
5.1.3. Основные типы раскислителей
5.1.4. Способы раскисления
- глубинное раскисление
- диффузионное раскисление
- раскисление обработкой металла шлаком
- раскисление обработкой вакуумом
5.2. Легирование стали
5.1. Раскисление стали
5.1.1. Основные задачи раскисления.
Технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла, называют раскислением.
После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя "спокойно", из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь часто называют "спокойной". Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом [О] + [С] =СОгаз. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют "кипящей".
В некоторых случаях раскисление стали проводят таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное "кипение" металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют "полуспокойной".
Содержание кислорода в металле перед раскислением в любом сталеплавильном агрегате, главным образом, зависит от концентрации углерода - чем меньше содержание углерода, тем больше содержание кислорода в металле. Это содержание кислорода значительно выше значений, равновесных с углеродом (рис 5.1). Следовательно, основными задачами раскисления являются:
Первая задача раскисления стали сводится к достижению заданной степени раскисления металла - получению в готовой жидкой стали такого остаточного содержания кислорода, которое обеспечивает нормальное поведение металла во время его кристаллизации. Недостаточное раскисление приводит к нарушению нормального хода криталлизации слитка.
Рис. 5.I. Схема решения основной задачи раскисления стали различных марок.
I - кривая равновесия с углеродом; 2 - область нормального остаточного содержания кислорода в металле после раскисления; 3 - область обычного содержания кислород в металле перед раскисление
Вторая задача раскисления состоит в обеспечении возможно меньшего содержания в твердой стали продуктов реакций раскисления - неметаллических включений (НВ). Такими свойствами обладают мелкие НВ (размеры - 10мкм), имеющие форму сферы, располагающиеся в объеме металла равномерно и не деформирующиеся во время обработки давлением. Эта задача очень сложна и успешно решается пока лишь в немногих случаях.
Третья задача раскисления сводится к обеспечению получения мелкозернистого строения металла и решается путём получения мелких НВ, выделяющихся из жидкой стали в твердом виде и играющих роль центров начала образования кристаллов металла. Такими свойствами обладают нитриды и карбонитриды ванадия, ниобия и т.д. В этом случае НВ положительно влияют на свойства стали. В большинстве случаев элемент-раскислитель вводится в металл не только для снижения остаточного содержания кислорода, но и для уменьшения вредного влияния других примесей, а также для улучшения свойств стали (термической обрабатываемости, механической прочности, коррозионной стойкости и т.д.).
studfiles.net
