Для реакции

[Мп] + (FeO) (МпО) + [Fe]

FeOn

При сравнительно небольшой концентрации марганца в железе Ср = 1 и а = [%Мп]. Тогда

К МПО (%МпО) ум о

Feo[%Mn] [%Мп] ар,о

и коэффициент распределения марганца между металлом и шлаком

(%МпО)

-МП о/ Мп] ~мп.

Известно, что для кислых шлаков YvinO несколько раз меньше, чем для основных.

Следовательно, при повышении основности шлака коэффициент распределения

0,6 0,4

CaO/siO

Рис. 22. Зависимость коэффициентов перехода марганца и кремния от основности шлака (п = 0,4)

0,6 OA 0,2

О 10 20 30Мп0,%

Рис. 23. Зависимость коэффициентов перехода марганца и кремния от содержания МпО в шлаке (п = 0,42, стержень Св-18ХГСА)

Мп должен уменьшаться и содержание марганца в металле согласно выражению

[./.Мп), *ЁО)

(27)

при постоянном содержании МпО в шлаке должно увеличиваться, что мы и видим на рис. 24. Из выражения (27) следует также, что при постоянной основности шлака (L - const) увеличение содержания МпО в шлаке должно привести к увеличению марганца в наплавленном металле (рис. 23). Аналогично для реакции

получим

[Si] + 2(FeO)(Si02) + 2[Fe]

(%Si02)

Ysio,

и \%Si] =

Известно, что для бинарной системы СаО-SiOg коэффициент ТзЮг Уменьшается с уменьшением (SiOg). Таким образом, увеличение основности шлака (уменьшение в нем SiOg) должно привести к увеличению Lg; и снижению содержания кремния в наплавленном металле, что мы и видим на рис. 24,

Проведенные рассуждения хотя и носят упрощенный характер, но позволяют наиболее наглядно пояснить влияние основности шлака на протекание реакций окисления шлаком кремния и марганца.

Реакция восстановления кремния и марганца из шлака. Из выражений реакций окисления кремния и марганца следует, что условием протекания этих реакций влево, т. е. в сторону восстановления марганца и кремния, является низкая активность FeO в шлаке. Если это условие выполняется, как, например, при сварке под флюсом или при наличии в зоне сварки энергичных раскислителей, возможно развитие марганце- и кремневосстановительного процессов. Равновесные концентрации марганца и кремния будут соответственно равны

ГП, ,г 1 МпО

[о/оМп]р = -гг--;

[%Si]p = --

SiOa

Si FeO

Влияние содержания в шлаке FeO на степень восстановления кремния показано на рис. 24.

Аналогично действуют и другие окислители. Повышение окислительного потенциала покрытия или флюса является одним из путей подавления реакций восстановления кремния и марганца. Развитию реакций восстановления кремния и марганца при сварке способствует высокая температура в зоне сварки, так как эти реакции являются эндотермическими, т. е. идут с поглощением теплоты.

Классическим примером интенсивного протекания при сварке реакций восстановления кремния и марганца является сварка низкоуглеродистой стали под флюсами с высоким содержанием силикатов и окислов марганца. Повышенное содержание кремния и особенно марганца (за счет их восстановления из шлака) позволяет применять проволоку Св-08А вместо кремнемарганцовистой проволоки.

Неизотермические условия сварочного процесса приводят к тому, что в зоне понижающейся температуры (в хвостовой части ванны) реакции восстановления кремния и марганца меняют направление, в результате чего образуются окислы, удаление которых затруднено; это приводит к увеличению содержания кислорода в металле. Окисные включения, имеющие обычно весьма малые размеры, заметно ухуд- iSl],% шают свойства металла шва, особенно его ударную вязкость при низких температурах, как это видно из табл. 12 на примере 0,3 сварки стали 16ГНМА.

12. Ударная вязкость металла шва

о 10 20 30 0(SiO2),%

Рис. 24. Зависимость содержания кремния в наплавленном металле от содержания FeO в покрытии электрода:

/ - 11% FeO; 2- 20% FeO

Металлургия сварки

Восстановительные процессы особенно интенсивно протекают при наличии энергичных раскислителей - алюминия, титана и др. (рис. 25). Поэтому при сварке легированной стали рекомендуется применение низкокремнистых флюсов. Влияние содержания ЗЮг во флюсе на пластичность металла шва при сварке

5 Ч 3

13. Шлаковые включения и пластичность металла шва

иллюстрируют данные

Рйс. 25. Зависимость коэффициента перехода кремния от содержания SiOa во флюсе и алюминия в проволоке (при стали 12Х18Н9Т 17% Мп). Основа флюса: табл. 13 [2]. СаО-AI2O3-Сар2 При сварке под плавлеными флюсами и

порошковой проволокой исключение SiOa из шихты осуществляется сравнительно просто, как, например, в так называемых бескислородных флюсах. В случае же покрытых электродов и керамических флюсов предотвратить восстановление кремния весьма трудно, особенно при сварке легированной стали и сплавов, вследствие того, что в качестве связующего обычно применяется силикат натрия (жидкое

Мп,о/о

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 Кп

Рис. 26. Зависимость содержания марганца в каплях (О) и в наплавленном металле (ф) от относительной массы покрытия

Рис. 27. Схемы контакта капли металла с шихтой при плавлении покрытого электрода (а) и порошковой проволоки (б)

стекло). Бессиликатное связующее (например, алюминат натрия) пока не получило применения (за исключением электродов для сварки алюминия) вследствие технологических трудностей. Подавление же восстановительных процессов путем создания в зоне сварки окислительных условий (как, например, на рис. 25) далеко не всегда приемлемо и этим способом следует пользоваться с большой осторожностью.

Si,Vo

2,4 1,8

Условия контакта металла со шлаком. В уравнения кинетики (см. с. 68) входит величина поверхности F взаимодействия металла со шлаком, зависящая от условий контакта между ними. Наибольшая величина поверхности взаимодействия расплавленного металла со шлаком наблюдается при электрошлаковой сварке, когда электродный металл (проволока, лента) расположен в шлаковой ванне и вся поверхность металлической ванны контактирует со шлаком.

При сварке под флюсом поверхность F взаимодействия уменьшается вследствие того, что дуга горит в газовом пузыре и шлак частично оттесняется с поверхности ванны скоростным напором потока газов дуги.

При сварке покрытыми электродами поверхность F контакта капель электродного металла со шлаком зависит от длины втулки из нерасплавленного покрытия на конце электрода. Чем длиннее втулка, тем благоприятнее условие для контакта капель со шлаком. Однако при некоторой длине втулки (толщине покрытия) увеличение поверхности контакта прекращается, как это показывает зависимость перехода легирующих элементов из покрытия в капли от относительной массы покрытия (рис. 26),

Условия контакта металл - шлак при сварке покрытыми электродами и порошковой проволокой различные. Если в первом случае покрытие (шлак) располагается снаружи металлического стержня и капли формируются как бы в оболочке из шлака, то в случае порошковой проволоки шихтовые материалы расположены внутри оболочки из металлической ленты и поверхность контакта металла со шлаком оказывается меньшей (рис. 27). Соответственно меньше и полнота протекания реакций между ними. Это наглядно иллюстрируется данными о переходе (восстановлении) кремния при наплавке электродами и порошковой проволокой с шихтой одинакового состава (30% плавикового шпата, 6% мрамора, 42% кварцевого песка, 15% ферромарганца, 7% алюминиевого порошка с одинаковым количеством силиката натрия) и с одинаковой относительной массой покрытия (шихты сердечника) = 0,7 (рис. 28).

Подобно восстановлению кремния окислительные реакции при сварке электродами такл<е протекают с большей полнотой по сравнению со сваркой порошковой проволокой.

Говоря о контакте между металлом и шлаком, образующимся при расплавлении сварочных материалов, необходимо отметить важную роль смачивания металла шлаком. Чем лучше смачивание, тем больше, очевидно, может быть контакт между ними.

Переход серы и фосфора из сварочных материалов в наплавленный металл. Окислительно-восстановительные реакции, рассмотренные выше, играют наибольшую роль при сварке. Но сварочные материалы наряду с окислителями могут содержать и другие компоненты, переход которых в металл так же нежелателен, как и переход кислорода. Такими компонентами являются прежде всего сера и фосфор, попадающие во флюсы (реже в покрытия) с шихтовыми материалами. Переход серы в металл тем меньше, чем выше основность шлака (за счет образования CaS, нерастворимого в стали) и чем выше концентрация марганца в металле за счет образования сульфида марганца MnS по реакции

[FeS] + [Мп] [Fe] + (MnS).

Сульфид марганца менее растворим в стали, чем сульфид железа, что вызывает перераспределение серы в сторону большего ее содержания в шлаке. Что

25 38 35 40 Ud,B

Рис. 28. Зависимость содержания кремния в наплавленном металле от напряжения (длины) дуги при сварке электродами (/, 2) и порошковой проволокой (5, 4). Сила тока:

/ - 150 А; 2 - 220 А; 3 - 240 А; 4 - 410 А

касается предупреждения перехода в металл из шлака фосфора, то, как известно из металлургической практики, лучшие результаты дают окислительные условия процесса. Фосфор при этом переводится в пятиокись фосфора, которая в шлаке связывается в фосфаты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ерохин А. А. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности. М., Машиностроение , 1973. 448 с.

2. Любавский к. В. Металлургия сварки стали плавлением. Справочник по сварке. Под. ред. Е. В. Соколова. Т. 1. М., Машгиз, 1960, с. 51 - 140.

3. Походня И. И. Газы в сварных швах. М., Машиностроение , 1972. 256 с.

Глава 4

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И КРИТЕРИИ РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМА СВАРКИ

ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ ПРИ СВАРКЕ И УСЛОВИЯ ИХ ПРОТЕКАНИЯ

При сварке плавлением сварные соединения имеют два ярко выраженных участка: закристаллизовавшийся металл шва и зону термического влияния в основном металле. При сварке давлением в твердой фазе обнаруживается только вторая зона. При этом роль пластической деформации в формировании структуры и свойств сварных соединений настолько возрастает, что эту зону более правильно называть зоной термомеханического влияния [6, 7].

Главная особенность строения зоны термического влияния сплавов с полиморфным превращением (например, стали, сплавов циркония, титана и т. д.) заключается в том, что в ней всегда имеются участки полной и частичной перекристаллизации (/ и 2 на рис. 1).

В участке полной перекристаллизации максимальные температуры нагрева основного металла изменяются от температуры плавления Гпд до температуры Тк. ф. п. которая для стали соответствует концу а Y-превращения (критическая точка Аса), а для сплавов титана и циркония - концу а Р-превращения. В этом участке следует выделить зону с несколькими рядами крупных зерен (/ ), которая нагревается выше температуры Tj,. р - начала интенсивного роста зерна аусте-нита в стали или Р-фазы в сплавах титана и в которой возможно частичное оплавление границ зерен. Эту зону принято называть околошовной. Кроме того, в микроскопически узких областях первого ряда зерен околошовной зоны и шва, прилегающих к границе сплавления основного металла со швом (/), развивается химическая неоднородность (главным образом за время контакта твердого металла с жидким). Вместе эти области образуют зону химической неоднородности, роль которой оказывается особенно важной в случае разницы в композициях основного и присадочного металлов или в содержании вредных примесей.

Как правило, наиболее резкие изменения структуры и свойств основного металла происходят в околошовной зоне и в большинстве случаев оказываются решающими при оценке свариваемости данного сплава или стали (снижение пластичности и ударной вязкости вследствие роста зерна, перегрева и полной или частичной закалки; образование горячих и холодных трещин).

Основными параметрами термического цикла околошовной зоны являются максимальная температура нагрева Т, близкая к Гпд, скорость нагрева в температурном интервале фазового превращения, длительности f + t пребывания металла при температуре выше температуры конца фазового превращения и скорость охлаждения в температурном интервале соответствующего фазового превращения при охлаждении (рис. 1, б).

В участке частичной перекристаллизации (2 на рис. 1, а) основной металл нагревается выше температуры Гц. ф. , которая для стали соответствует началу превращения перлита в аустенит (критическая точка Aci), а для большинства сплавов титана - началу а Р-превращения. Обычно структурные изменения в этом участке по сравнению с околошовной зоной в меньшей степени показывают отрицательное влияние на свойства сварных соединений. Однако при определенных исходной структуре, а также условиях нагрева и охлаждения при сварке в этом участке возможно разупрочнение основного металла, обусловленное либо характером фазовых превращений в новых фазах, образующихся при последующем охлаждении, либо процессами возврата и коагуляции в старых фазах при нагреве,

4 п/р. Ольщанского, т. 1