9.10. Рафинирование сварочной ванны и модифицирование металла шва

Третья важная металлургическая операция, протекающая в сварочной ванне одновременно с раскислением и легированием металла, - его рафинирование, т. е. очищение от вредных приме­сей - серы и фосфора. Полное удаление этих примесей при плавке и сварке стали невозможно (см. гл. 8). Однако для рафинирования металла шва по содержанию серы условия сварочного процесса в общем более благоприятны, чем в сталеплавильном производстве. Наиболее существенными из них являются следующие:

1. более высокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель (Т_к = 3000 К), что способствует диссо­циации сернистых и фосфорных соединений, ослабляет их хими­ческие связи и тем самым облегчает удаление серы и фосфора из металла шва в шлак;

2. интенсивное перемешивание металла со шлаком в кипящих каплях и в сварочной ванне увеличивает относительную массу шлака в 100-1000 раз по сравнению с относительной массой шлака при плавке стали;

3. использование специальных рафинирующих компонентов: кальция Са, церия Се, лантана La, иттрия I и других в электродных покрытиях или сварочных флюсах позволяет провести удаление или связывание вредных примесей.

Таким образом, несмотря на кратковременность взаимодейст­вия металла со шлаком, при сварке плавлением есть возможность получать металл шва с меньшим содержанием серы и фосфора, чем в основном металле.

9.10.1. Влияние серы на структуру и свойства шва

Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки слу­жат: флюсы и электродные покрытия, в состав которых входят со­держащие примеси серы компоненты, например марганцевые ру­ды, а также расплавленные основной и электродный металлы.

Важно отметить, что распределение серы по сечению толсто­листового основного металла может быть крайне неравномерным вследствие ликвации при кристаллизации литых слябов, не под­вергающихся при прокатке значительным деформациям. Поэтому при сварке на некоторых участках шва концентрация серы может оказаться весьма высокой, а механические свойства шва очень низкими даже при ее средней концентрации в металле, удовлетво­ряющей требованиям ГОСТа. Это явление называют металлурги­ческой наследственностью в металле. Содержание серы в металле в количестве, превышающем допустимые нормы, резко снижает его механические свойства и является причиной краснолом­кости металла, а при сварке приводит к появлению в шве кристаллизационых трещин.

Механизм влияния приме­сей серы на наплавленный ме­талл состоит в следующем. В сталях сера образует с железом сульфид железа FeS, темпера­тура плавления которого со­ставляет 1468 К, т. е. ниже температуры плавления стали на «300 К. Сульфид железа почти не растворяется в твер­дом железе.

При кристаллизации шва FeS выделяется из него и со­единяется с другими примеся­ми в виде легкоплавкой серни­стой эвтектики (рис. 9.31) или в виде отдельных включений разного вида. Эвтектики могут быть двойными либо тройными, например:

В процессе направленной кристаллизации металла шва, проте­кающем в интервале температур ликвидус-солидус, эти легкоплавкие сернистые эвтектики оттесняются растущими кристалли­тами металла шва к границам между кристаллитами и к месту их стыка (в центральной части сварочной ванны) и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту оконча­ния кристаллизации металла шва такие межкристаллитные про­слойки могут быть еще в жидком состоянии (Т_э < Т_с). Если возникнут растягивающие напряжения от усадки шва и временных сварочных деформаций в шве, то возможно появление на этих участках горячих трещин кристаллизационного типа (рис. 9.32).

Одновременное присутствие в металле шва углерода и кремния увеличивает склонность шва к кристаллизационным трещинам в результате снижения температуры затвердевания ликватов и уве­личения температурного интервала хрупкости.

Участки швов с сернистыми ликватами, не разрушившиеся при кристаллизации, имеют пониженные механические свойства и по­тенциально склонны к разрушению как при высоких, так и при низких температурах.

Особенно вредно влияет сера на свойства коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля.