Защита зоны электродуговой сварки от окисления

Окисление
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.

Основными реакциями, происхо­дящими в зоне сварки, являются ре­акции окисления и раскисления металла. Характерные условия метал­лургических реакций при сварке, как и при кристаллизации — высокая температура нагрева, относительно малый объем расплавленного метал­ла, кратковременность процесса.
Кислород в атомарном состоя­нии образует с железом закись (FеО), окись (Fе2О3), а также закись-окись (Fе3О4). В жидком металле растворя­ется только закись железа. Осталь­ные окислы находятся в виде шлако­вых включений и всплывают на по­верхности сварочной ванны.

Прямое окисление металла свободным кислородом газо­вой фазы в общем виде может быть представлено реакциями:
nМе + 02 = mMe п О 2
где т и п — численные коэффициенты форму­лы химических реакций; Ме — масса элемента металла; О2 — масса кислорода.
Химические реакции протекают до состояния равновесия между исход­ными веществами и продуктами ре­акции. О состоянии равновесия мож­но судить по константе равновесия &.
Из закона действующих масс изве­стно, что
K=MemO2n/2/(MemOn)
где МemО — соответственно содержание вмассе элемента Ме и кислорода в зоне реакции, %. Реакция окисления будет происхо­дить тем интенсивнее, чем больше произведение концентраций, вступа­ющих в реакцию веществ (в данной формуле значение числителя), по сравнению с равновесной. Если кон­станта будет меньше равновесной, идет реакция восстановления метал­ла из его окисла. Константа равнове­сия, выраженная через парциальное давление пара веществ, вступающих в реакцию,

Поставщиком кислорода в сварочную ванну могут быть окислы, находящиеся на кромках свариваемого металла, на поверхности сва­рочной проволоки, в сварочном флюсе и покрытии электродов, а также растворяющиеся в металле химически активные шлаки, отдающие кисло­род металлу в результате обменных окислительно-восстановительных ре­акций. 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 уда­ления 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 незначитель­ное количество этих окислов в виде дисперсных частичек остается в ме­талле шва.

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 темпера­туры ^ 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 эле­менты, основными раскислителями являются кремний и марганец. В той или иной степени окисляется хром

Все кривые упругости диссоциации окислов металлов (см. рис. III.7) в рассматриваемом интервале температур расположены выше пря­мой, отвечающей парциальному давлению кислорода воздуха (напри­мер, при сварке незащищенной дугой или в защитной среде с таким же парциальным давлением кислорода). Это означает, что в данных услови­ях все металлы будут окисляться. Исключение составляют закись ни­келя и окись меди (см. табл. Ш.З) с упругостью диссоциации при тем­пературе выше 2200° С большей парциального давления кислорода воз­духа. 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).

Логарифмы упругости диссоциации свободных окислов

Из компонентов сварочных шлаков (флюсов и электродных покры­тий) 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 темпера­туры ^ 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 эле­менты, основными раскислителями являются кремний и марганец. В той или иной степени окисляется хром.

При наличии в металле нескольких элементов окисляться будет каж­дый из них, взаимодействуя с кислородом как газовой фазы, так и окис­лов элементов с более высокой упругостью диссоциации (например, FeO), причем с интенсивностью и конечным количественным результа­том, 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.