Раскисление, легирование, рафинирование и модифицирование металла при сварке.

Раскисление металла при сварке.

Раскисление – процесс удаления из жидкого Ме кислорода, как растворённого в основе сплава, так и диспергированного в виде химических соединений с другими элементами. Удалить кислород из Ме можно воздействием раскислителей или шлака. Раскислители в результате взаимодействия с окислами Ме могут образовывать продукты реакции, либо газообразные, либо конденсированные (жидкие и твёрдые).

Раскисление с получением газообразных продуктов реакции.

Существуют две типичные реакции этого вида раскисления Ме.

Раскисление углеродом.

Раскисление углеродом происходит в 2 этапа:

1.

2.

Наблюдается одновременное присутствие железа, его закиси, углерода, окиси углерода, двуокиси углерода. Где и при каких условиях будут протекать эти реакции? В условиях равновесия Fe, FeO, C, CO, CO₂. Диапазон температур DТ = 400…1200°С.

Область I – область устойчивого существования восстановленного Fe. Эта область уменьшается с ростом температуры. Ей отвечает наличие преимущественно восстановительной среды в виде CO.

Область II – устойчивое существование FeO. Она появляется при температуре » 600°С и увеличивается с ростом температуры. В отличие от первой области ей отвечает наличие окислительной среды, заметное количество CO₂. В результате начинает развиваться процесс окисления железа по реакции

Или процесс окисления железа с образованием окиси

Если имеется магнетит (Fe₃O₄), восстановление происходит по реакции

Область III – область устойчивого существования магнетита. При температуре свыше 600°С эта область уменьшается. Ей характерна более сильная окислительная среда, из-за наличия значительного количества CO₂. Поэтому в этой области окислительный процесс продолжается

Реальный сварочный процесс протекает при ещё более высоких температурах и можно предположить следующее: При окислении Ме устойчивой формой оксида железа будет FeO. Раскисление Ме углеродом идёт только по реакции образования окиси углерода. Т.к. при высокой температуре этот продукт очень устойчив

Отсюда определяют равновесную концентрацию закиси Fe в Ме считая, что содержание Fe в стали » 1 и выразив концентрацию окисла углерода через парциальное давление получим

Если полагать, что в процессе сварки в области высоких температур парциальное давление углерода » 1, то

Рассмотрим зависимость содержания растворённой в Ме закиси железа от содержания в нём углерода.

С увеличением содержания углерода в Ме в нём интенсивно уменьшается количество закиси железа. С ростом температуры процесс раскисления углерода убыстряется и раскисление идёт значительно полнее, чем при более низких температурах. Однако, несмотря на очень хорошую раскислительную способность углерод, как раскислитель, находит ограниченное применение. Это объясняется двумя обстоятельствами:

1. Возможность образования пор в Ме шва, особенно на участках, кристаллизующихся в последнюю очередь, сильно насыщенных углеродом. При сварке будут идти реакции выгорания углерода.

2. Возможность повышения содержания углерода в Ме шва, а это не всегда допустимо.

Раскисление водородом.

В общем виде идёт реакция:

Недостатки водорода, как раскислителя:

1. Высокая растворимость в Ме.

2. Опасность образования пор и холодных трещин.

Вывод: Говоря об эффективности раскисления на основе обменных реакций следует иметь в виду, что даже когда процесс протекает длительно не достигается равновесия реакции. Поэтому при сварке отклонение от равновесия будет в сторону более высокого содержания закиси железа. В связи с этим на практике часто применяется несколько раскислителей.

Диффузионное раскисление.

Оно основано на частичном переходе закиси железа из жидкого Ме в шлак, т.к. её распределение между шлаком и Ме подчиняется закону распределения Нернста.

константа равновесия.

Для развития этого вида раскисления важно, чтобы концентрация свободной закиси Ме уменьшалась, тогда новые порции закиси Ме будут переходить из Ме в шлак. Уменьшение содержания свободной закиси железа в шлаке достигается следующими путями:

1. Связыванием её в комплексное соединение – кислотный оксид (с образованием силикатов или титанитов).

2. Дополнительное применение раскисления на основе обменных реакций.

3. Разбавление шлаков нейтральными, в химическом смысле, добавками.

Константа распределения, определяющая степень перехода закиси железа из Ме в шлак, с увеличением температуры уменьшается.

При высоких температурах меньшее количество закиси Ме может перейти в шлак, нежели при низких.

При диффузионном раскислении закись железа удаляется из Ме в шлак путём диффузии, следовательно все химические процессы протекают на границе Ме – шлак, или в самом шлаке.

Недостатки: Само раскисление протекает медленно, поэтому, хотя при температурах близких к температуре плавления Ме L высока, скорость диффузии замедляется и общий процесс оказывается не очень высоким.

Процесс диффузионного раскисления наиболее заметен при образовании капли на торце электрода и при переносе её через дугу. Этому способствует очень высокая температура. Ме в капле энергично перемешивается и непрерывно контактирует со свежими порциями шлака. В сварочной ванне процесс диффузионного раскисления протекает лишь в верхнем тонком слое Ме, прилегающем к шлаку. В результате диффузионное раскисление не играет значительной роли при дуговой сварке и наиболее заметно при ЭШС.