С кислородом

Одним из характерных процессов, протекающих при сварке плавлением, является окисление металла.

Под термином «окисление» в узком смысле понимают химическое взаимодействие того или иного элемента с кислородом.

Окисление металла в сварочной ванне происходит различными способами, если имеется одно или несколько из нижеперечисленных условий:

а) наличие в газовой фазе свободного кислорода (при сварке открытой дугой) или сложных газовых молекул (СО ₂ и Н ₂ О), способных при диссоциации выделять кислород;

б) присутствие на свариваемых кромках металла и присадочном металле окислов, способных при взаимодействии с жидким металлом окислять последний;

в) растворение в металле находящиеся в шлаке окислов;

г) использование для сварки химически активных шлаков, отдающих кислород металлу в результате обменных окислительно-восстановительных реакций с металлом сварочной ванны.

Характер окисления различных металлов при сварке может быть различным [4].

Некоторые металлы в жидком и твёрдом состоянии практически не растворяют кислород (Al, Mg, Zn и др.). Окисление этих металлов при сварке (в сварочной ванне) приводит к образованию обособлённой фазы – окислов, которые могут находиться либо в виде плёнки (поверхностной), либо в виде отдельных частиц во взвешенном состоянии.

Другие металлы (Fe, Cu, Ni, Ti) обладают способностью растворять кислород. При этом растворимость кислорода в жидкой фазе значительно больше, чем в твёрдой и увеличивается с повышением температуры. Окисление этих металлов сопровождается растворением в ванне жидкого металла образующихся окислов, если концентрация О ₂ в ванне не достигает предела насыщения.

На практике приходится сваривать не чистые металлы, а сплавы, поэтому при наличии окислительных условий происходит окисление не только металлической основы, но и примесей.

Возможность окисления элемента определяется его сродством к кислороду при данной температуре, которое зависит от концентрации элемента и упругости диссоциации окислов в свободном состоянии.

Окисление металла может происходить следующими способами:

1. Окисление металла в сварочной ванне свободным кислородом газовой фазы. Если в газовой фазе имеется свободный (молекулярный) кислород, то последний может реагировать с металлом по реакции

nMe + O ₂ = mMe_n/m O _{2 /m} .

Константа равновесия этой реакции выражается парциальным давлением кислорода, называемым упругостью диссоциации окисла:

K_P = Po _2.

Значение упругости диссоциации окисла (т.е. равновесное парциальное давление кислорода для образования окисла), когда окисел и металл является конденсированными фазами и не находятся в растворе, позволяет определять действие газовой среды [6].

Упругость диссоциации окислов, находящихся в растворе , отличается от упругости диссоциации свободных окислов Po ₂:

,

где – упругость диссоциации окисла, растворенного в металле;

Po ₂ – упругость диссоциации свободного окисла;

– степень насыщения металлического раствора окислом.

	– концентрация окисла в металле;
– концентрация насыщения.

Так, для закиси железа, растворённой в жидком железе:

.

Для закиси железа концентрация насыщения определяется по уравнению

.

Упругость диссоциации закиси железа FeO в виде конденсированной фазы описывается уравнением

.

Можно рассчитать равновесное парциальное давление кислорода в газовой фазе при различных содержаниях закиси железа в жидком металле, например для электродов ЦМ-7.

Парциальное давление кислорода Ро ₂ в металле, наплавленном электродами ЦМ-7, определяется как:

Т =2073 °К (1800 °С); .

[ FeO ] = 0,0271 %; [ FeO] _max = 2,86 %; ат; Po ₂ = 3,44×10^-7 ат. ат.

Для закиси железа концентрация насыщения определяется по уравнению

[ Po ₂] >>> .

Если какой либо элемент растворён в металле, а его окисел нерастворим ни в металле, ни в шлаке (например, Mn и Si растворяются в металле, а окислы SiO ₂, MnO нет), то константа равновесия реакции

m [ Me ] + 2[ O ] = (Me_mO ₂ )

, а через парциальное давление K_c = Po ₂.

Поскольку окисел Me_mO ₂ нерастворим в металле и шлаке, то его концентрацию, как величину постоянную, вводим в константу равновесия. Концентрацию кислорода Co ₂ заменяем парциальным давлением кислорода , необходимым для образования окисла, т.е. искомой упругостью диссоциации окисла.

; ; ; ; ; .

Таким образом, упругость диссоциации окислов растворённого элемента будет тем меньше, чем больше концентрация элемента в растворе, т.е. элемент будет окисляться тем легче, чем больше его концентрация.

Если окислы растворимого в металле элемента растворимы в металле или шлаке, то и являются переменными и вводить их в константу нельзя:

; ; ; ; .

Отсюда следует, что упругость диссоциации окисла будет тем меньше, а окисление тем интенсивнее, чем больше концентрация элемента и чем меньше концентрация окислов этого элемента.

Обычно окислы раскислителей практически нерастворимы в металле (Fe), и переходят в шлак. Следовательно, употребляя какой либо раскислитель, необходимо, чтобы концентрация его окислов в шлаке была по возможности меньше и даже при возможности удалять окислы раскислителя из шпака.

В приложении к сварочной металлургии изложенное позволяет прийти к выводу о несовместимости раскислителя и его окисла в покрытиях электродов.

Если в состав покрытия или флюса введен какой-либо элемент в качестве раскислителя, то в качестве шлакообразующей фазы не следует использовать окисел того же элемента, так как это уменьшает силу действия раскислителя.

Если в состав покрытия введен элемент как легирующий, то одновременно следует ввести в покрытие и окисел этого элемента, чтобы предохранить от выгорания легирующий элемент.

2. Окисление сварочной ванны сложными газами. При наличии в газовой фазе сложных молекул, способных при диссоциации выделять кислород, также возможно окисление жидкого металла при сварке. Так, при высокой концентрации в газовой фазе CO ₂ и H ₂ O имеем

,	,
,	,
,	.

Образующаяся закись железа (FeO) растворяется частично в расплавленном металле, а частично в шлаке по константе распределения

.

3. Окисление зоны плавления поверхностными окислами. Окисление сварочной ванны (зоны плавления) может происходить за счет окислов, находящихся на поверхности свариваемых кромок. К таким окислам относится окалина (Fe₃O₄) и ржавчина (Fe₂O₃).

Fe₃O₄ + Fe = 4 FeO; Fe₂O₃ + Fe = 3 FeO.

4. Окисление сварочной ванны шлаками, содержащими закись железа. Окисление металла окислами, находящимися в шлаке и растворяющимися в металле, происходит в связи с распределением таких окислов между шлаками и металлом по константе распределения (табл. 2)

.

Таблица 2

Содержание FeO в шлаке в зависимости от содержания кислорода

в металле шва

Содержание FeO в шлаке, %	14,2	15,0	22,7	26,8	56,0	61,0
Содержание кислорода в металле шва, %	0,036	0,039	0,062	0,118	0,187	0,211

5. Окисление сварочной ванны химически активными шлаками. При электродуговой сварке сталей наличие в зоне сварки шлаков, содержащих окислы (например, SiO и MnO) в высокотемпературной части зоны плавления, делает возможным интенсивное окисление железа.

SiO ₂ + 2 Fe = 2 FeO + Si; MnO + Fe = FeO + Mn.

В высокотемпературной части сварочной ванны эти реакции идут предпочтительно слева направо, так как:

а) при высоких температурах сродство к кислороду у всех элементов уменьшается и выравнивается;

б) высокая концентрация железа уменьшает упругость диссоциации, т.е. повышает сродство (силу) к кислороду железа.

.

6.Окисление сварочной ванны при наличии в ней элементов-раскислителей. При наличии окислительных условий концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно ограничена, если жидкий металл содержит элементы-раскислители, обладающие сродством к кислороду больше, чем металл-растворитель [2].

На рис. 5 представлены упругости диссоциаций окислов некоторых элементов в зависимости от их концентраций в сварочной ванне. Упругость диссоциации FeO приведены для сталей, когда концентрация FeO равна концентрации насыщения.

Анализ кривых показывает:

– раскислительное действие Al, Ti, Si, Mn наиболее эффективно в низкотемпературной части сварочной ванны;

– увеличение концентрации элемента-раскислителя в сварочной ванне уменьшает упругость диссоциации (увеличивает сродство к кислороду), что обеспечивает достаточно полное раскисление.

Рис. 5. Упругость диссоциации окислов в зависимости от концентрации в сварочной ванне

Однако введение элементов-раскислителей в сварочную ванну более 1,5...2,0 % не увеличивает эффективность раскисления, поэтому в состав покрытий электродов вводят не один раскислитель в большом количестве, а несколько в пределах 1,5...3,0 %.

При некоторых процессах сварки в результате взаимодействия жидкого металла с газовой фазой и шлаками наблюдается значительное увеличение содержания кислорода в металле шва по сравнению с его содержанием в основном металле и сварочной проволоке (табл. 3).

Таблица 3

Суммарное содержание кислорода в основном металле

и металле шва

Материал	Суммарное содержание кислорода, %
Сталь (кипящая) Мст3	0,010...0,020
Сталь (спокойная) Мст3	0,003...0,008
Проволока Св-08	0,010...0,020
Металл шва при газовой сварке (С 2 Н 2 +О 2)	0,050...0,055
УОНИ-13/45	0,020...0,030
ОСЦ-45 (АН-348А)	0,030...0,050
ЦМ-7	0,080...0,090
Меловое покрытие	0,210...0,215
Голый электрод	0,250...0,280

Последствиями окисления являются:

– изменение механических свойств;

– возможность образования пор;

– засорение неметаллическими включениями;

– выгорание легирующих элементов.