Адрес этой страницы' ?>

<<Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>

§ 62. Взаимодействие водорода, азота и сложных газов с расплавленным металлом сварочной ванны при электросварке.

Водород в составе газовой фазы может находиться в молекулярном или атомарном состоянии, что зависит от температуры. Металлы, способные растворять водород, можно разделить на две группы. К первой группе относятся металлы, не имеющие химических соединений с водородом (железо, никель, кобальт, медь и др.). Металлы первой группы поглощают водород в твердом состоянии, растворимость которого в них увеличивается при плавлении и зависит от состояния водорода.

Ко второй группе относятся металлы, образующие с водородом гидриды, представляющие химическое соединение металла с водородом (палладий, цирконий, титан, ванадий, торий, тантал и редкоземельные элементы). При небольших количествах поглощенного водорода эти металлы образуют с ним твердые растворы, а при более значительных количествах- гидриды.

Легирующие элементы оказывают самое разнообразное влияние на растворимость водорода в сплавах железа. Углерод, кремний, алюминий и хром снижают растворимость водорода в сплавах железа, а титан и ниобий ее увеличивают. Растворенный водород в сварочной ванне и его неполное выделение в период кристаллизации приводят к образованию дефектов: пор, макро- и микротрещин в металле шва, а также холодных и горячих трещин в околошовной зоне.

Концентрация водорода в сварочной ванне может быть уменьшена созданием нерастворимых соединений водорода в металле, например фтористого водорода HF, а также некоторым окислением сварочной ванны.

Азот. При нормальных условиях азот химически мало активен, и при обычной температуре он вступает в реакцию только с литием, образуя нитрид лития: N₂+6Li=2Li₃N. С кремнием азот образует три химических соединения: SiN (32,59% N), Si₂N₃ (42, 79% N) и Si₃N₄ (39,96% N), имеются сообщения о получении Si (N₃)₄.

Нитрид Si₃N₄ отличается высокой химической стойкостью и стойкостью против окисления до 1204°С, а в течение ограниченного времени и при температурах 1204-1399°С. В интервале температур 1600-1800°C Si₃N₄ разлагается по уравнению Si₃N₄=3Si+2N₂.

Азот с марганцем образует следующие химические соединения: MnN (20,32% N), Mg₃N₂ (14,53% N), Mn₂N (11,31% N), Mn₅N₂ (9,26% N) и Mn₄N (5,99% N).

В зависимости от температуры в зоне дуги азот может находиться в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Источником азота в газовой фазе зоны дуги служит окружающая атмосфера.

Растворимость азота в железе обусловливается его состоянием в газовой фазе. Азот не растворяется в меди, никеле, золоте, серебре и не образует с этими металлами химических соединений. С железом он образует нитриды Fe₂N (11,15% N) и Fe₄N (5,9% N). Нитрид Fe₂N в атмосфере чистого азота начинает разлагаться при Т≈550°С, а при повышении температуры происходит диссоциация Fe₄N. Диссоциация нитридов, находящихся в металле, происходит тем интенсивнее, чем выше концентрация азота в металле.

Азот способствует образованию пор в металле шва. Увеличение его концентрации в низкоуглеродистых сталях влияет на прочностные и пластические свойства этих сталей и способствует старению металла. Его вводят в состав легированных сталей для образования аустенитной структуры, где он является аустенитизатором и рассматривается как ценная легирующая добавка. По влиянию на растворимость азота в железе элементы могут быть расположены примерно в следующий ряд: Ti, V, Cr, Та, Mn, Мо и W. Эти элементы увеличивают в определенных условиях и пределах растворимость азота, а Аl, Cu, Zn, S, As, Co, Ni, Si, P, О, С, Mg уменьшают его растворимость.

Углекислый газ. В составе газовой фазы зоны дуги углекислый газ СO₂ присутствует в значительных количествах. Это особенно заметно при сварке электродами, покрытие которых создано на основе мрамора и плавикого шпата. В процессе плавления такого покрытия происходит диссоциация карбоната кальция с образованием углекислого газа СаСO₃=СаО+СO₂.

Углекислый газ активно окисляет жидкий металл

где [FeO] -оксид железа, растворившийся в железе.

Образующаяся окись углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ванны она выделяется и образует поры. Углекислый газ может быть использован для защиты зоны сварки от воздуха, если в состав проволоки ввести марганец и кремний, которые будут нейтрализовать реакцию образования СО.

Водяной пар, находящийся в газовой фазе, образуется из влаги покрытия и влаги ржавчины, находящейся на поверхности свариваемых кромок, а также в результате реакций, протекающих в покрытиях и газовой фазе.

Водяной пар с жидким металлом взаимодействует по уравнению Н₂O+Fe_ж = [FеО]+Н₂. При электрической сварке плавлением газовая фаза зоны дуги, контактирующая с жидким металлом, состоит из смеси СO₂, СО, Н₂O, Н₂, O₂, N₂, а также продуктов их диссоциации (О, Н, N, ОН) и паров металла и шлака.

Кислород, находясь в сварочной ванне, образует с железом оксид FeO, который, растворяясь в сварочной ванне, снижает прочностные свойства металла шва. Водород, оставшийся в расплавленном металле, впоследствии является причиной образования холодных трещин.