Фосфор и его удаление из металла шва.
Фосфор, как и сера, является вредной примесью, ухудшающей механические свойства стали и вызывающей ее хладноломкость.
В сталях фосфор образует частично растворимые в феррите фосфиды двух видов:
3Fe+P↔Fe3P(15,63% Р); Т плавления – 1166 °С
2Fe + P ↔ Fe2P (21,75% Р).
Фосфор относится к числу сильно ликвирующих примесей, т. е. таких, которые весьма неравномерно распределяются в металле.Ликвацию фосфора усиливает углерод. При этом возможно образование легкоплавкой эвтектики тройного типа Fe + Р + С, еще более снижающей прочность металла.
Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окислении и последующем связывании фосфорного ангидрида Р205 в прочное комплексное соединение.По возрастающей силе сродства к ангидриду Р205основные и амфотерные оксиды можно расположить в следующий ряд:
Fe2O3 → А1203 → FeO → MnO → MgO → СаО.
Как видим, наиболее активными по отношению к фосфорному ангидриду выступают СаО, MgO и МпО.
Окисление фосфора развивается в сварочной ванне в соответствии со следующими реакциями: 2Fe2P + 5FeO ↔ Р205+ 9Fe или
2Fe3P+ 5FeO↔ Р205+ 11Fe
Затем идет процесс связывания фосфорного ангидрида. Наиболее активен процесс
3СаО + Р205↔ (СаО)3* Р205или
4СаО + Р2О5↔ (СаО)4* Р205
Константа равновесия
Из этого следует, что при данной концентрации фосфора в сварочной ванне полнота его удаления в шлак будет зависеть от содержания в шлаке:
1) свободных оксидов (СаО) и (FeO), с увеличением содержания которых реакции сдвигаются в направлении очищения металла от фосфора;
2) комплексного соединения, связывающего фосфор, например (СаО)3 • Р205 или (СаО) • Р205.Уменьшение их содержания в шлаке способствует очищению металла от фосфора. Этого достигают разбавлением шлаков соответствующими нейтральными добавками, например плавиковым шпатом, который одновременно разжижает шлак, а также повышает его общую реакционную способность.
Таким образом, основные шлаки(СаО, МпО и FeO) могут обеспечить необходимое очищение металла шва от фосфора.
Кислые шлаки значительно хуже удаляют фосфор из металла.Имеющиесяв них основные оксиды СаО, МпО и FeO связаны в силикаты, что препятствует протеканию реакций в сторону образования комплексных соединений.
Процессы кристаллизации металла при сварке
Первичная кристаллизация металла.
Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается перегруппировкой атомов из неупорядоченного их расположения в упорядоченное,закономерное,определяемое кристаллической решеткой.
Процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании называется кристаллизацией.
Кристаллизация включает два одновременно протекающих процесса:
1) зарождения зародышей, или центров кристаллизации;
2) роста кристаллов из этих центров.
Первоначально вырастают оси кристаллов, характеризующиеся симметрией 1,2-го и последующих порядков.Затем заполняются межосевые пространстваи образуются кристаллы, «скелет» которых имеет дендритное, или древовидное, строение.
Особенности первичной кристаллизации металла при сварке.
Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких специфических условиях:
1) металл ванны находится под одновременным воздействием как источника тепла, так и охлаждающих стенок ванны. При этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла;
2) распределение температуры по объему металла ванны неравномерно;
3) кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.
Имеются две теории кристаллизации металла, каждая из которых имеет сторонников и противников, но пока они носят в основном теоретический характер.
Посторонние включения в металле шва.
Газы в металле и механизм образования пор.
Расплавленный металл капель и сварочной ванны может сильно насыщаться газами в результате химических реакций, протекающих в самом металле и между газовой и шлаковой фазами.
Растворимость водорода, азота и кислорода в нагретом до высоких температур жидком металле значительно выше, чем в твердом металле при температуре его плавления.
Поэтому в период кристаллизации металла ванны в затвердевающей ее части может наблюдаться интенсивное газовыделение, обусловленное значительным снижением растворимости газов.
Для зарождения и развития газового пузыря нужно, чтобы давление газов внутри него могло противостоять внешнему давлению.Внешнее давление слагается из ряда составляющих:
атмосферное давление;
давлению столба металла над пузырьком;
давлению слоя шлака над пузырьком;
поверхностному натяжению на границе раздела «газ - металл».
В обычных условиях величиной металлостатического и шлакостатического давления вследствие малости этих величин (тысячные доли атмосферы) можно пренебречь.
Силы поверхностного натяжения: если принять, что в начальной стадии образования радиус пузырька r ~ 10-5 см, то для существования такого пузырька и его дальнейшего роста нужно, чтобы давление внутри него превышало 200 кгс/см2.
Поэтому возникновение и развитие газового пузырькавозможно, как правило,только на поверхности твердой фазы (например, растущего кристалла), находящейся в контакте с жидким металлом.В сварочной ванне поверхность растущих кристаллов, хорошо смачивается жидким металлом, и первичные газовые пузырьки приобретают преимущественно овальную форму.
При малой скорости кристаллизации пузырек успевает оторваться и выплыть. Однако при неполном отрыве пузырьков от твердой фазы на ее поверхности остаются готовые зародыши. При большой скорости кристаллизации металла естественно ожидать пористости шва.
Поры могут быть вызваны:
растворимыми в металле газами (Н2; N2),
образующимися в самом металле в ходе химических процессов (СО; Н2О, ОН).
1. Появлению пор в металле шва способствует загрязненность металла ржавчиной. Последняя представляет собой гидрат окиси железа и может иметь различный состав. При нагреве она переходит в окалину Fе2О3 и выделяет пары воды.
Таким образом, в непосредственном контакте с жидким металлом оказываются и кислород, и водород.Поэтому при сварке металла, покрытого ржавчиной, поры может образовыватьокись углерода — продукт реакции между углеродом и кислородом в жидком металле. Водород при этом лишь увеличивает размеры образующихся газовых пузырьков, диффундируя в них и переходя в молекулярную форму.