Свойства, состав и форма алюмосиликатных и других оксидных включений в сварных швах

Оксидалюминия находится в неметаллических вклю­чениях в металле швов в составе алюмосиликатов или же в виде корунда и шпинелей.

Корунд или ɑ-глинозем А1₂0₃ находится в природе в виде нескольких полиморфных образований, в неме­таллических включениях встречается только одно из них — высокотемпературная форма ɑ-глинозема или ко­рунда.

При раскислении сварочной ванны алюминием обра­зуются тонкодисперсные зерна А1₂0₃. Часто их наблюда­ют в виде отдельных маленьких зёрен, иногда в виде скоплений в силикатной оболочке, так как А1₂0₃, находясь в твердом состоянии в жидкой стали, не вступает в реакцию с Si0₂, а покры­вается пленкой силикатов. Поскольку межфазное натя­жение на границе жидкая сталь — корунд велико, час­тицы корунда ввиду большой тугоплавкости склонны со­бираться в скопления.

Часто включения А1₂0₃, образующиеся при раскисле­нии стали, содержат изоморфные примеси, от присутствия которых зависит их цвет и показатель преломления. Изумрудно-зеленая окраска глинозема обусловлена изоморфной примесью окислов хрома, желто-зеленая — вольфрама и т. д. Указанные включения наиболее часто встречаются в сварных швах на хромоникелевых аустенитных сталях.

Эндогенный корунд имеет форму бесцветных дисперс­ных шестиугольных кристаллов, а также гроздевид­ных скоплений. Кристаллы эти прозрачны и анизотроп­ны. Включения глинозема в виде больших обломков прозрачных и бесцветных, по внешнему виду похо­жих на обломки стекла, обычно рассматривают как экзогенные включе­ния [4].

При дуговой сварке в активных защитных газах включения корунда встре­чаются часто. Они попадают в сварной шов либо из металла сварочного металла, либо явля­ются продуктами окисления активным защитным газом остаточного алюминия проволоки. Н. М. Новожилов в своих исследованиях [3], например, установил, что неме­таллические включения электродных проволок имеют температуру плавления выше, а неметаллические вклю­чения металла швов, выполненных в защите С0₂, ниже температуры плавления металла. Это способствует тому, что включения сварочной про­волоки практически полностью остаются в закристаллизовавшемся металле швов. При сварке в защитных газах так и происходит. Действительно, подавляющее количество образующихся при сварке в С0₂ оксидов успевает выделиться в свароч­ной ванне, образуя на поверхности металла шва шлак на основе системы FeO —MnO—Si0₂. На­званные оксиды имеют сравнительно низкие температу­ры плавления и способны легко коагулировать.

Другая картина для оксидов на основе А1₂0з. Не­смотря на низкое содержание остаточного алюминия в сварочной проволоке и включений А1₂0₃ в металле про­волоки, содержание А1₂0₃ в металле шва сравнительно высокое. Как уже отмечалось выше, включения А1₂0з, присутствуя в жидкой сварочной ван­не в твердом состоянии, практически не вступают во взаимодействие с другими включениями оксидов. Состав оксидов, выделенных из металла швов электролитиче­ским растворением, лишь формально соответствует си­стеме А1₂0₃—MnO—Si0₂ с температурой плавления до 1770 К. На самом деле оксидные включения дифференцированны по составу, поэтому значительная доля находящихся в электродных проволоках дисперс­ных включений А1₂0₃ не успевает в процессе сварки вы­делиться в сварочный шлак и остается в металле шва.

При автоматической сварке под флюсом содержание включений А1₂0₃ в металле шва не только зависит от количества глинозема в составе флюса, но и определяется химическим составом сварочной проволо­ки. Это положение подтверждается дан­ными В. В. Подгаецкого [5], выполнявшего многослой­ные наплавки под плавлеными флюсами с различным содержанием как Si0₂, так и А1₂0₃ в сочетании со сва­рочными проволоками марок Св-08, Св-08Г и Св-10ГС.

Из полученных им данных видно, что основную массу включений в металле швов составляет А1₂0₃ наряду с FeO, МпО и СаО. При этом если в металле, наплавленном под высококремнистым безмарганцовистым флюсом АН-5, содержащем в своем составе всего 1,6 % А1₂0₃, наблюдалось мало включений глинозема и шпинелей, то металле, наплавленном под низкокремнистым флюсом АН-30 с 40 % А1₂0з, глинозем и шпинели составляли основную массу оксидных включений. Обращает внимание более высокое содержание А1₂0₃ в составе включений п сравнению с СаО и MgO при идентичном исходном со держании их в составе сварочного флюса. В качестве примера можно рассмотреть случай многослойной на плавки проволокой Св-10ГС под флюсом АН-30. Поскольку названная проволока не содержала в своем составе алюминия [5], источником А1₂0₃ в не металлических включениях в металле мог быть только флюс. Подобное положение имело место и в отношении содержания в неметаллических включениях СаО и MgO. Однако количество А1₂0₃ в составе неметаллических включений было приблизительно равным концентрации в использованном флюсе, тогда как количество СаО бы­ло на порядок меньше его содержания во флюсе, a MgO во включениях не было обнаружено, несмотря на то, что во флюсе содержалось 16,4 % MgO [5]. Это лишний раз подтверждает положение о том, что включения Al₂0₃ в металле швов образуются преимущественно эндоген­ным путем, а не экзогенным.

Таким образом, результаты исследований, выполнен­ных различными учеными, указывают на преимуществен­но эндогенную природу образования включений А1₂0₃ при дуговой сварке, несмотря на высокую температуру плавления оксида алюминия (корунда) 2320 К. Частицы корунда не могут коагулировать в сферические объемы подобно силикатным включениям, поскольку в жидкой сварочной ванне они находятся в твердом состоянии. Примеси других оксидов во включениях ведут к замет­ному снижению температуры плавления комплексных оксидов, облегчают их коагуляцию.

Оксиды железа. В виде природного минерала моно­оксид железа в технической литературе не описан. Обыч­но наличие монооксида железа в металле сварных швов свидетельствует о недостаточной их раскисленности, что подтверждают данные ряда исследований [5]. Чем меньше количество раскислителей в сварочной проволоке (Св-08), тем выше содержание оксидов железа в металле швов и наоборот.

Из анализа диаграммы состояния системы Fe—О видно, что при кристаллизации сварочной ванны из жидкого металла выделяется вюстит FeO. Ниже температуры 833 К (температуры превращения) вюстит должен превратиться в более стойкую модификацию — магнетит (Fe₃0₄). При распаде вюстита магнетит обычно выделяется раньше железа и, следовательно, остающийся вюстит содержит меньше кислорода, чем соответствует стехиометрическому составу FeO [5]. В связи с этим в металле сварных швов следует ожидать наличия включений оксидов железа, содержащих магнетит и вюстит.

Согласно диаграмме со­стояния системы Fe—О включения оксидов железа остаются жидкими до температуры 1644 К, что значительно ниже температуры кристаллизации стали. Поэтому названные включения обычно имеют сферическую форму.

Наибольшее количество оксидов железа содержится в швах, выполненных на кипящей стали дуговой сваркой непокрытым или электродом с тонким покрытием. При этом происходит интенсивное окисление металла сварочной ванны килородом воздуха, а раскис­ление металла осуществляется в процессе его остывания как в жидком, так и в твердом состоянии только желе­зом и марганцем. Но и в таких условиях в составе вклю­чений также содержится Si0₂.

Высокого содержания оксидов железа в составе не­металлических включений следует ожидать также в швах на армко-железе. Обычно включения FeO в стали непрозрачны, темно-серого цвета, изотропны, с большим показателем преломления.

Приведенные данные показывают, что в сварных швах обычно присутствуют не чистые оксиды железа, а включения, содержащие в растворе определенное коли­чество не только оксидов марганца, но и кремнезема.

В наиболее чистом виде оксиды железа во включе­ниях встречаются в виде шпинели-магнетита (FeO ∙ Fe₂0₃). Магнетит выделяется при анализе практически всех марок сталей. Иногда он может присутствовать в виде единичных зерен. При сварке армко-железа и кипящих сталей проволокой Св-08 количество магнетита значительно больше. Так же как и FeO, магнетит сви­детельствует об окисленности стали. Наиболее сущест­венными свойствами магнетита являются его магнитные характеристики. Как и все шпинели, он кубической сис­темы и поэтому изотропен. Цвет зерен темно-коричневый или буровато-черный. Магнетит непрозрачен, в виде ку­сочков или корочек имеет металлический блеск.

Шпинели типа герценита (Fe0∙Al₂0₃) образуются при недостаточном раскислении алюминием металла шва, содержащего значительное количество FeO, или при сварке под флюсом, имеющим в составе FeO. Следует отметить, что шпинели подобного типа бы­вают покрыты силикатной оболочкой. Последнее затрудняет их обнаружение при исследовании металла швов.

Оксиды марганца. Включений чистых оксидов мар­ганца в сварных швах при сварке плавлением обычно не обнаруживают. Вместе с тем известно, что продуктами раскисления жидкой стали марганцем могут являть­ся как твердый раствор МnО и FeO, так и почти чистый оксид марганца, образующийся при концентрациях марганца в стали свыше 0,7 % [4].

В природе свободный монооксид марганца встречается редко — в виде минерала манганозита, цвет его изумрудно-зеленый, с повышением температуры переходит в желтый. На воздухе быстро окисляется, покрываясь черной корочкой Мп0₂. Температура плавления 1973 К. Блеск стеклянный. Встречаются прозрачные и непрозрачные разновидности. В составе неметаллических включений свободный монооксид марганца обычно не наблюдается. Монооксид марганца как энергичный основной оксид вступает в реакцию с кислотными оксидами, прежде всего с Si0₂ и А1₂0₃. Поэтому в сварных швах МnО не находится в свободном виде, а входит в состав глобулярных силикатов или алюмосиликатов. Обычно в таком виде малоустойчивая форма МпО может находиться в стали [4].

При ручной дуговой сварке покрытыми электродами и сварке под флюсом монооксид марганца чаще всего наблюдается в виде марганцевых силикатных стекол или железомарганцевых силикатов. При значительном содержании МпО во включениях часто наблюдается марганцевое силикатное стекло. Шаровидные частицы таких включений несколько вытянуты. Они непрозрачны и поэтому в проходящем свете кажутся черными. В боковом освещении цвет розовато - белый, матовый.

Марганец может входить также в состав включений на основе кристаллических силикатов и шпинелей. Из кристаллических силикатов, содержащих марганец, наиболее характерен метасиликат марганца (Mn0-Si0₂ или MnSi0₃). Включения марганца в виде кусков имеют характерный для силиката марганца розовый цвет.

Оксид хрома. В неметаллических включениях метал­ла шва оксиды хрома чаще всего образуются при сварке Плавлением хромистых или хромоникелевых сталей и сплавов. Оксид хрома (Сг₂0₃) имеет вид черных фигур неправильной формы и различных размеров. Он непрозрачен, изотропен. Имеет большой показатель преломления.

Как правило, в чистом виде включения Сr₂0₃ в металле швов наблюдаются чрезвычайно редко. В ряде случаев с помощью электронного микроскопа выявлялись округлые включения размером в несколько микрометров. Чаще всего Сr₂0₃ входит в cocтав комплексных соединений, например в состав хромистой шпинели (Fe0-Cr₂0₃) или шпинелида (nМп0-mСr₂0₃).

Оксиды хрома могут находиться и в составе хромистых стекол, представляющих собой зеленые непрозрач­ные шаровидные частицы.

Исследования особенностей окисления Сr кремнеземом при сварке под флюсом показали, что количество оксидов хрома в составе неметаллических включении практически не изменяется с увеличением актив­ности флюса по кремнию. Вместе с тем анализ шлаковых корок и наплавленного металла показал, что с увеличением количества Si0₂ во флюсе, т. е. с ростом его химической активности по кремнию, в наплавляемом металле уменьшается содержание хрома, а в шлаке по­вышается концентрация оксида хрома.

Оксиды титана часто содержатся в неметаллических включениях в металле сварных швов, выполненных руч­ной или автоматической сваркой, при наличии TiO₂ в со­ставе покрытия электрода или сварочного флюса, а так­же при наличии титана в электродной проволоке или ос­новном металле.

В природе оксиды титана чаще всего встречаются в виде диоксида в минералах рутил, анатаз и брукит. Не­смотря на то, что титан образует три главных оксида Ti0₂, Ti₂0₃ и TiO, в составе неметаллических включений в сварных швах на стали обнаруживается только TiO₂. Сведений о наличии в неметаллических включениях низших оксидов титана не имеется. Диоксид титана Ti0₂ — порошок белого цвета с плотностью 4,2 г/см³, температурой плавления 2123 К и температу­рой кипения —3270 К [5].

Как показали различные исследования зерна Ti0₂ в составе неметаллических вклю­чений в стали, содержащей титан, имеют вид мелких октаэдров и тонких палочек оранжево-красного или золотистого цвета. Они имеют высокий показатель преломления, обнаруживают их в составе неметаллических включений в незначительных количествах.

В зависимости от количества Ti0₂ в неметаллических включениях он может образовывать ряд сложных комп­лексных соединений, например 2Fe0-Ti0₂; FeO-Ti0₂. Соединение 2Fe0-Ti0₂ содержит 65 % FeO и 35 % Ti0₂, температура плавления 1743 К. Титанат железа Fe0-Ti0₂ содержит ~48 % FeO и 52 % Ti0₂, а плавится при температуре — 1743 К. В природе это соединение встречается в виде минерала ильменита.

Оксиды ванадия. Ванадий как раскислитель занимает промежуточное место между марганцем и кремнием, и поэтому в раскисленном кремнием и марганцем металле швов его оксиды обнаруживаются редко.

При раскислении сварочной ванны ванадием продукты раскисления имеют форму угловатых частиц. Такую форму имеет чистый оксид ванадия (V₂0₃), поскольку его температура плавления около 1970 °С и в жидкой сварочной ванне он присутствует в твердом состоянии.

В равновесных условиях V₂0₃ образуется в жидкой стали при содержании более 0,1 % ванадия. При меньшем содержании ванадия продуктом раскисления чаще всего является вюстит FeO с примесью феррованадиевой шпинели (Fe0-V₂0₃). Это соединение чаще всего встречается в виде строчечных образований кристаллического типа. Выделенные из стали зерна названного соединения коричневого цвета с металлическим блеском имеют ку­бическую форму.