Основни реакции в зоната на заваряване

Нека разгледаме основните реакции в зоната на заваряване, характерни за стоманата, като най-често срещаните в индустрията.талус. Характеристиките на процесите, протичащи при заваряване на други метали и сплави, ще бъдат разгледани в описанието на технологиката на заваряване на тези сплави. __________ - *

При заваряване на стомана една от основните задачи е да се получи разтопен метал, ако е възможно, без примеси на кислород, азот, водород и сяра.

'' Кислородът е най-вредният примес, тъй като окислява разтопен метал, образувайки химични съединения - оксиди.

Ако оксидите са разтворими в течния метал, тогава те се абсорбират от последния, образувайки с него твърд разтвор по време на втвърдяването. Неот втвърдения метал се отделят разтворими оксиди,ходене в шлаката. Някои от неразтворимите оксиди остават в заварения метал под формата на сферични включвания (т.нар. Глобули) или, разположени по границите на зърната, нарушават адхезията им междуправя себе си.

С желязото кислородът образува три оксида:

железен оксид съгласно реакцията 2 Fe-f - 02 ^ ± 2 Fe О; железен оксид по реакция 3 Fe - f - 2 Fe304;

железен оксид-оксид съгласно реакцията 2 Fe - f-1,5 02 ^ ± Fe303,

По време на окислението първо се образува железен оксид, който впоследствие при подходящи условия (температура, съответстващаносене на кислород и желязо в заваръчния басейн) можеда се пие в оксид и оксид-железен оксид. Когато желязото се окислява по време на заваряване, железният оксид играе основна роля, тъй като само той е в състояние да се разтвори в течния метал.

Кислородът също така лесно се комбинира с въглерод, манган, силиций и други елементи, които съставляват заварения метал, електроди, електродни покрития и потоци, образувайки съответните оксиди на тези елементи.

Окисляването на елементи по време на заваряване може да възникне или в зоната на заваръчната дъга, където кислородът е в атомно състояние и е силно реактивен, или по време на взаимодействиеvii ги с железен оксид (FeO) във вана от разтопен метал.

Наличието на кислород в заваръчния метал под формата на твърд разтвор или оксидни включвания засяга преди всичко влошаванетомеханичните свойства на напластения метал: пределната якост и якост на провлачване, относително удължение, ударна жилавост намаляват. Освен това кислородът влияе неблагоприятно върху други свойства на метала - намалява устойчивостта му на корозия, увеличава склонността към стареене, прави метала студено чуплив и червеникавким.

По този начин, най-важното. условието за получаване на висококачествен депозиран метал е неговата защита срещу киселинно окисляванеродом от околната среда. Това се постига, първо, чрез създаванезащитна среда от газове и шлаки около разтопения метал. Не е възможно обаче металът да бъде напълно защитен от окисляване. Следователно, второто средство за решаване на този проблемchi е отстраняването на кислород от заваръчния метал отот силата на химичните елементи, които имат по-голям афинитет към кислорода от желязото и образуват оксиди, които са по-малко разтворими в течен метал от FeO. Този процес се нарича накуцване -

Реакциите на окисление и деоксидация се причиняват от един и същ химичен процес, но протичащ само в противоположни посоки. Този процес може да бъде изразен в следната обща формамуле:

където m е броят на молекулите на метал (Me) или друг участващ елементдействащ в реакция с кислород; n е броят на кислородните молекули (O ^, които са преминали в окисление или се съдържат в оксида.

Стрелките показват посоката на реакцията: отдясно - окисляване, отляво - дезоксидация (редукция на метали от оксид). Когато опЗа определени съотношения на метал и кислород, цялата система може да бъде в състояние на химическо равновесие в даден моменттемпература и налягане, т.е. процеси на окисляване или редукцияняма да изтече. Тогава в даден обем веществата ще бъдатнамират се както чист метал, така и неговият оксид. Такава държава хасе характеризира с определена величина, наречена константа [4] равнаНовост К. Тази стойност е равна на:

Вземат се тегловните проценти от концентрациите на взаимодействащите вещества. Числителят е продуктът на концентратареакционни вещества, а знаменателят е концентрациятапродукти на реакцията. За всяко вещество съответно стойностите на Ксъответстващи на равновесното състояние на системата при различни наляганиястойностите и температурите се определят емпирично и се дават под формата на таблици или графики. Колкото повече действителната стойност на K се различава от равновесната стойност, изчислена за една и съща температура и налягане, толкова по-голяма ще бъде скоростта на реакцията. Ако съотношението на концентрациите на веществата от дясната страна на формулата е по-голямо от равновесиетостойност на K, тогава реакцията ще премине вдясно и ще настъпи окисляване на елемента Me. Когато съотношението е обърнато, процесът отива наляво и настъпва деоксидация (редукция на елемента Me от оксида). С повишаване на температурата скоростта на тези реакции се увеличава.

Ако няколко елемента могат да взаимодействат с кислородакакъвто е случаят в заваръчната вана, то на първо място онези елементи, които имат най-многохимически афинитет на подложката към кислорода. Тъй като тези елементи се окисляват, концентрацията им в реакционната зона намалява искоростта на окисляване се забавя; тогава други елементи с по-нисък афинитет към киселина започват да се окисляват по-интензивнолород. Постепенно процесът на окисление обхваща всичко ново и новоелементи и протича до концентрацията на всички елементив течен метал няма да съответства на равновесие. Същото се случва и при обратния процес - дезоксидация.

Ако елементите, които най-често се използват като дезоксиданти при заваряване, са подредени според намаляването на химическата им активност спрямо кислорода, тогава получаваме следния ред: алуминий (има най-голям афинитет към кислород), титан, ванадий, силиций, въглерод, манган и хром.

Тези елементи влизат в заваръчния басейн от пълнежния метал, покритие от електрод или поток и взаимодействат химически с металните оксиди. Като вещества, съдържащидеоксиданти, използвайте феросплави - фероманган, феросилиций, феротитан и др.

Феросплавите се въвеждат в състава на електродното покритие или грипsa и когато се стопят, те почти напълно преминават в шлака. В този случай включените в тях елементи се окисляват, отнемайки кислород от железните оксиди. Новообразуваните оксиди на дезоксидиращите елементи в по-голямата си част остават в шлаките, покриващи заварения метал, и след заваряването се отстраняват заедно с тях.

Нека разгледаме някои от най-типичните реакции на окисляване. Дезоксидацията със силиций и манган протича според реакциите:

FeOMeT Mnmet ^ * MnOshl -J - FeMeT.

Полученият силициев оксид и манганов оксид са плоскиho са разтворими в течен метал и преминават в шлака. Азотнаталез и манган, по своите химични свойства, са в основатаи може да реагира с образуването на кисели оксидиzuya съединения от типа 2FeO - SiOa; 2MnO - Si02 (силикати) и 2FeO • TiO2 (титанати). Тези съединения са почти неразтворими в течностбучка метал и напълно остават в слоя шлака.

Оксидите по своите химични свойства могат да бъдат киселинни и основни. Киселинните оксиди включват силициев оксид (SiO2) и титанов диоксид (TiOj). Основните оксиди включват калциев оксид (CaO), железен оксид (FeO), азотен оксидganza (MnO), натриев оксид (NaaO), калиев оксид (K20) и магнен оксидниум (MgO).

Ако киселинните оксиди преобладават в шлаките, образувани по време на заваряване, тогава такива шлаки, както и покритията и течностите, които ги образуватSy се наричат кисели. Преобладаването на основните оксиди в шлаката, напротив, й придава химическите свойства на основата. Съответно, електродните покрития и потоци, които дават основни шлаки, се наричат основни.

При заваряване с електроди с киселинни покрития процесът става вялленинг се извършва и поради въглерода, съдържащ се в металав заваръчния басейн и феросплави, въведени в покритието, обикновено във фероманган.

Реакцията на деоксидация с въглерод протича както следва:

Полученият газообразен въглероден оксид (CO) не се разтваряв течен метал и се освобождава от него в атмосферата, което причинявасилно кипене на заваръчния басейн. Следователно киселинните покрития понякога се наричат кипене.

При високи температури на заваръчната вана, съдържащият се в шлаките силициев оксид SiO2 и манганов оксид MnO реагират с желязото на заваръчната вана. Тези реакции протичат на границата между течната шлака и течния метал в следната схема:

(SiO2) + 2 [Fe] -> - 2 (FeO) + [Si];

шлаков метал I шлаков метал

дезоксидация със силиций 2 FeO - f - Si Si02 - f - 2 Fe; Титан дезоксидация 2 FeO - f - Ti ^ TiO2 - [- 2 Fe.

Тези реакции протичат без образуване на газ и заваръчния басейнна остава спокоен. Следователно покритията от основно естество също се наричат спокойни. Основните електродни покрития придават заваръчен метал с високи механични свойства.

По-горе беше споменато, че алуминият има висок афинитет към кислорода. Алуминиевият оксид (A1203) обаче е неразтворим в течностбучка метал и бавно се превръща в шлака. Освен това алуминият насърчава окисляването на въглерода, което причинява порьозност на заваръчния шев. Поради тези причини алуминият почти никога не се използва като дезоксидиращ агент при заваряване на стомана.

Въглеродът в концентрациите, открити в стоманените заварки, е по-малко активен деоксидант от силиция. Въглеродът взаимодейства с кислорода на оксидите главно в момента на топене на електродите и само в зоната на най-високите температури на заваръчния басейн. Дезоксидация на манган и сметанатова се случва при по-ниски температури и продължава до началото на кристализацията на заваръчния метал.

Ако в заваръчния метал няма достатъчно силиций, тогава дезоксидацията наТова се случва главно поради въглерода с образуването на CO, излишното количество от което няма време да се отдели от втвърдяващия се метал и остава в него, образувайки газови пори. Следователно, за да се получи плътен непорест шев, е необходимо дапотискат реакцията на окисление на въглерод чрез увеличаване на съдържанието на кремав метала на заваръчната вана до 0,2—0,3%. При намаляване отзадържане на силиций в заваръчния метал до 0,12% и по-долу неизбежнообразуване на големи пори.

Азотът се абсорбира от разтопен метал от околния въздух. Под действието на високи температури на заваръчната дъга азотът частично преминава в атомно състояние и се разтваря в течностбучка метал. По време на процеса на охлаждане азотът се освобождава от разтвора и, взаимодействайки с метала и неговите оксиди, образува химични съединения, наречени нитриди - Fe2N; Fe4N; MnN; SiN. Нитридите в стоманата увеличават нейната здравина и твърдост, но значително намаляват пластичността му. Следователно азотът е вреденпримес в нанесения метал.

Сярата е вреден примес в стоманата. Той образува серноу желязо (железен сулфид FeS), който има точка на топене 1193 °, т.е. по-ниска от стоманата. Следователно, когато chrisтализиране на стоманата, железният сулфид остава в течна форма в междинните слоеве между кристалите на сплавта и е един отстепента на горещо напукване по време на заваряване. Сярата се отстранява чрез влизанеманган, който образува с него химично съединение - манганов сулфид (MnS) според реакциите:

FeS - f - Mn MnS 4

Мангановият сулфид не се разтваря в течен метал и подсе превръща в шлака.

Калциевият оксид също допринася за отстраняването на сярата с реакцията