Защита зоны электродуговой сварки от окисления

Слайд #1

Кузнецов В.Д МСП-09-Д1

Слайд #2

В зоне сварки кислород является наиболее вредной примесью, так как окисляет элементы, которые входят в состав металла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соединения — окислы. Окисление элементов, как правило, происходит за счет кислорода, содержащегося в шлаках и газах сварочной зоны. Окисление в меньшей степени может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (ржавчины, окалины). При случайном повышении длины дуги капли электродного металла могут окисляться кислородом окружающего воздуха.Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой.

Слайд #3

Основными реакциями, происхо дящими в зоне сварки, являются ре акции окисления и раскисления металла. Характерные условия метал лургических реакций при сварке, как и при кристаллизации — высокая температура нагрева, относительно малый объем расплавленного метал ла, кратковременность процесса. Кислород в атомарном состоя нии образует с железом закись (FеО), окись (Fе2О3), а также закись-окись (Fе3О4). В жидком металле растворя ется только закись железа. Осталь ные окислы находятся в виде шлако вых включений и всплывают на по верхности сварочной ванны.

Слайд #4

Прямое окисление металла свободным кислородом газо вой фазы в общем виде может быть представлено реакциями: nМе + 02 = mMe п О 2 где т и п — численные коэффициенты форму лы химических реакций; Ме — масса элемента металла; О2 — масса кислорода. Химические реакции протекают до состояния равновесия между исход ными веществами и продуктами ре акции. О состоянии равновесия мож но судить по константе равновесия &. Из закона действующих масс изве стно, что K=MemO2n/2/(MemOn) где МemО — соответственно содержание вмассе элемента Ме и кислорода в зоне реакции, %. Реакция окисления будет происхо дить тем интенсивнее, чем больше произведение концентраций, вступа ющих в реакцию веществ (в данной формуле значение числителя), по сравнению с равновесной. Если кон станта будет меньше равновесной, идет реакция восстановления метал ла из его окисла. Константа равнове сия, выраженная через парциальное давление пара веществ, вступающих в реакцию,

Слайд #5

Поставщиком кислорода в сварочную ванну могут быть окислы, находящиеся на кромках свариваемого металла, на поверхности сва рочной проволоки, в сварочном флюсе и покрытии электродов, а также растворяющиеся в металле химически активные шлаки, отдающие кисло род металлу в результате обменных окислительно-восстановительных ре акций. В железе, в сталях и сплавах на его основе хорошо растворяется только закись железа FeO. Растворенная в жидком металле шва закись железа, оставаясь в затвердевшем шве, ухудшает его свойства. Для уда ления растворенного кислорода в металл вводят такие элементы, как Al, Ti, Si, Mn, образующие нерастворимые в жидкой стали окислы А1203, Ti02, Si02, МnО, которые всплывают в шлак. Лишь незначитель ное количество этих окислов в виде дисперсных частичек остается в ме талле шва.

Слайд #6

Расположив элементы в ряд по мере уменьшения их сродства к кислороду, получим: для температуры 2300° С (стадия капли) — С, Zr, Al, Са, Ti, Mg, В, Mn, V, Si, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Си; для темпера туры ^ 1700° С (в ванне) — Al, Са, Mg, Zr, С, Ti, В, Si, V, Mn, Cr, Mo, Fe, W, Ni, Си; для температуры кристаллизации металла стального шва — Са, Mg, Al, Zr, Ti, В, Si, V, Mn, С, Cr, Mo, Fe, W, Ni, Си. Если в сварочной ванне отсутствуют алюминий, титан и редкоземельные эле менты, основными раскислителями являются кремний и марганец. В той или иной степени окисляется хром

Слайд #7

Все кривые упругости диссоциации окислов металлов (см. рис. III.7) в рассматриваемом интервале температур расположены выше пря мой, отвечающей парциальному давлению кислорода воздуха (напри мер, при сварке незащищенной дугой или в защитной среде с таким же парциальным давлением кислорода). Это означает, что в данных услови ях все металлы будут окисляться. Исключение составляют закись ни келя и окись меди (см. табл. Ш.З) с упругостью диссоциации при тем пературе выше 2200° С большей парциального давления кислорода воз духа. Следовательно, при этой и более высоких температурах они будут самопроизвольно восстанавливаться из окисла. Благородные металлы, упругость диссоциации окислов которых значительно более высока, либо не окисляются вовсе (золото, платина), либо окисляются весьма слабо (серебро).

Слайд #8

Окисел Темпаратура, *C               1400 1540 1600 1800 2000 2300 FeO —9,5 -8,32 -7,8 —6,5 —5,3 — 3,9 Si02 —17,8 -15,5 —14,6 —12,2 —10,2 - 7,9 MnO —16,3 —14,3 —13,5 —11,6 —10,1 - 8,4 Cr203 —14,3 —12,5 —11,8 - 8,7 —8,0 — 6,0 v2o3 —17,3 —15,24 —14,5 —12,2 —10,4 — 8,2 Ti02 —19,4 -17,1 —16,2 —13,9 —12,3 — 9,0 A1203 —23,9 —21,3 —20,3 -17,4 —15,1 -11,7 MgO —25,3 —21,6 —20,2 —17,2 —12,8 - 8,7 CaO —28,9 —25,4 —23,9 —19,5 — 16,0 —11,6 Zr02 —22,9 —20,5 —19,6 -17,1 — 14,8 —12,2 wo2 -8,7 — 7,34 — 6,8 — 5,3 — 4,07 -2,5 MoOa —10,3 -8,7 -8,2 — 6,8 - 5,4 -4,0 NiO. — 5,5 -4,3 — 3,8 — 2.4 - 2,1 — Cu,0 — 3,0 -2,4 -2,1 - 1,3 — 0,8 —0,1

Слайд #9

Из компонентов сварочных шлаков (флюсов и электродных покры тий) закись железа имеет наибольшую упругость диссоциации, являясь наименее устойчивым окислом. Поэтому, чем больше окислов железа содержится в сварочном флюсе или покрытии электродов (например, системы Si02 — А1203 — СаО — MgO — CaF2 — MnO — FeO), тем выше его окислительная способность и тем интенсивнее будут протекать реакции окисления элементов расплавленного и контактирующего со шлаком металла. Расположив элементы в ряд по мере уменьшения их сродства к кислороду, получим: для температуры 2300° С (стадия капли) — С, Zr, Al, Са, Ti, Mg, В, Mn, V, Si, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Си; для темпера туры ^ 1700° С (в ванне) — Al, Са, Mg, Zr, С, Ti, В, Si, V, Mn, Cr, Mo, Fe, W, Ni, Си; для температуры кристаллизации металла стального шва — Са, Mg, Al, Zr, Ti, В, Si, V, Mn, С, Cr, Mo, Fe, W, Ni, Си. Если в сварочной ванне отсутствуют алюминий, титан и редкоземельные эле менты, основными раскислителями являются кремний и марганец. В той или иной степени окисляется хром.

Слайд #10

При наличии в металле нескольких элементов окисляться будет каж дый из них, взаимодействуя с кислородом как газовой фазы, так и окис лов элементов с более высокой упругостью диссоциации (например, FeO), причем с интенсивностью и конечным количественным результа том, зависящими не только от сродства этого элемента к кислороду, но и от исходного содержания его в металле. Вводя в металл более сильные раскислители, можно предотвратить либо по крайней мере в некоторой степени уменьшить выгорание того или иного легирующего элемента, необходимого для обеспечения требуемых свойств металла шва.

Слайд #11