Анализ взаимодействия металла сварочной ванны с газами и примесями внедрения

В металлах атомы примесей внедрения (кислород, азот, водород) располагаются в междоузлиях решетки, которые значительно меньше, чем их атомные диаметры. Это вызывает искажение кристаллической решетки.

и приводит к изменению механических свойств. Степень влияния примесей внедрения на свойства зависит от их предельной растворимости в металле , типа решетки и характера образующихся соединений; чем меньше растворимость и атомный радиус элемента, тем больше это влияние.

К главным недостаткам тугоплавких металлов относится их низкая жаро­стойкость, определяемая большой склонностью к окислению при повышен­ных температурах.

Процесс окисления состоит из двух стадий:

1. Непосредственного вза­имодействия кислорода и металла с образованием оксидной пленки;

2. Диф­фузии атомов кислорода через оксидную пленку на границу раздела ме­талл — оксид.

Тугоплавкие металлы, как правило, образуют с кислородом несколько различных оксидов.

Основным препятствием получения качественных сварных соединений является наличие примесей в основном металле в количествах, значительно превышающих их предел раствори­мости. Рост содержания кислорода в молибденовых сплавах приводит к появлению и резкому увеличению температуры вязко-хрупкого перехода сварного соединения.

Газы в сварочную ванну попадают из пламени и окружающей атмосферы как непосредственно, так и в результате протекающих там химических реакций.

Источниками кислорода и водорода являются воздух, электродные покрытия, флюсы, а также оксиды, поверхностная влага и другие загрязнения основного и присадочного металла. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Характер взаимодействия газов с различными металлами различен.

Свойства металла шва в большей степени определяются процессами окисления и раскисления, которые происходят в сварочной ванне при взаимодействии газовой и шлаковой фаз с жидким металлом. В сварочной ванне в зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация).

Активность газов в атомарном состоянии резко повышается. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.

Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду.

Водород также растворяется в большинстве металлов. Он может находиться в составе газовой фазы в молекулярном или атомарном состоянии, это зависит от температуры.

При более высоких температурах молекулярный водород диссоциирует на атомарный и ионизированный. Водород — вредная примесь, так как является причиной пор, микро и макротрещин в шве и зоне термического влияния. Применяются два способа борьбы с водородом: физический — это защита сварочной ванны от компонентов, содержащих водород (сушка, прокалка материалов и др.), химический — перевод водорода из растворимого состояния в нерастворимое.

Азот в зависимости от температуры может находиться в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Основным источником азота в сварочной ванне является окружающий воздух. Азот растворяется в элементах, с которыми образует соединения, называемые нитридами. Азот способствует образованию пор в металле шва.

Углерод, содержащийся в сварочной ванне, является хорошим раскислителем. В сварочной ванне он присутствует в виде углекислого газа. Образующийся оксид углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ванны он выделяется и образует поры.

Влияние отдельных примесей на T_х для металлов VIA группы (Сr, Мо, W) изучено недостаточно, так как содержание примесей внедрения в них всегда больше предела растворимости. Установлено лишь то, что выделения вторых фаз — оксидов, карбидов, нитридов — охрупчивают эти металлы. Во­дород по сравнению с другими элементами оказывает наименьшее влияние на T_х, так как соединения его неустойчивы и он легко выделяется из ме­талла даже при низкотемпературных вакуумных отжигах.

Таким образом, анализ особенностей изменения свойств сварных соединений в связи с наличием в них примесей внед­рения в различных количествах позволяет наметить наиболее эффективные пути улучшения свариваемых металлов VA под­группы. К ним относятся:

1. Очистка исходного мате­риала от элементов, образующих с ним твердые растворы внед­рения.

2. Рациональное легирование химически активными элементами с целью связы­вания примесей в термодинамически стабильные соединения.

Механические свойства сварных швов на тугоплавких метал­лах могут быть улучшены, если их легировать элементами, ко­торые наряду с увеличением высокотемпературной прочности и пластичности при нормальной температуре уменьшают размер зерна. К таким элементам относятся Al, Ti, Zr, Hf, Ir, Nb и др. Из этих элементов наиболее эффективными являются Zr, Hf, Ir.

Сплавы тугоплавких металлов VA подгруппы, получаемые методами вакуумно-дугового и электронно-лучевого переплава, обладают значительно меньшей склонностью к образованию пористости в сварных соединениях, чем аналогичные сплавы, изготовленные методами порошковой металлургии. Обычно это вызвано тем, что порошковые сплавы имеют повышенное со­держание газовых примесей. Однако в сварных соединениях, выполненных на порошковых сплавах даже с меньшим содер­жанием примесей, чем в литом металле, как правило, наблю­дается пористость. Однако имеются факты, свидетельствующие о том, что склонность к образованию трещин в сварных соеди­нениях порошковых сплавах значительно ниже, чем в литых сплавах того же химического состава.

Качество сварных соединений, механические свойства швов, и в особенности их низкотемпературная пластичность чрезвы­чайно чувствительны к структурному состоянию исходного ма­териала.