Как взаимодействуют металлы с газами

Как взаимодействуют металлы с газами

§ 35. Взаимодействие расплавленного металла с газами, серой и фосфором

Взаимодействие кислорода с расплавленным металлом сварочной ванны. В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.

При изучении реакций, протекающих в сварочной ванне, следует учитывать возможность окисления жидкого металла свободным (молекулярным и атомарным) кислородом газовой фазы, кислородом, находящимся на свариваемых кромках в виде окислов и шлаков, кислородом, растворимым в металлической ванне и химически активных шлаках, которые вступают в процессе сварки в обменные окислительные и восстановительные реакции с металлом сварочной ванны. Находящимся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.

Железо с кислородом образует три соединения (окисла), имеющих весьма важное значение в металлургических процессах, происходящих при сварке плавлением: закись железа FeO, содержащую 22,27% O2, закись-окись железа Fe3O4, содержащую 27,64% O2, окись железа Fe2C3, содержащую 30,06% O2.

Из всех трех окислов растворима в железе только закись. Остальные окислы в железе практически не растворимы и на его свойства влияния почти не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие окислы (закись-окись и окись железа), свободным железом могут раскисляться до закиси по реакциям Fe3O4 + Fe = 4FeO, Fe2O3 + Fe = 3FeO.

Образующаяся закись железа растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследствие чего в сварном шве образуются поры. В твердом железе растворимость кислорода невелика.

Для уменьшения растворимости окисла в металле необходимо иметь соответственно более низкую концентрацию окисла в шлаке, в результате окисел будет стремиться перейти из металла в шлак. Наоборот, более высокая концентрация окисла в шлаке способствует его переходу в металл. Металл может окисляться и под действием химически активных, по кислороду, окислов (шлаков), например, кремния и марганца SiO2 + 2Fe = 2FeO + [Si], MnO + Feж = FeO + [Мn].

(В этих формулах индекс ж указывает, что Fe находится в виде расплава, а знак [ ], что элемент растворен в металлической фазе.)

При наличии в газовой фазе сложных газов, таких, как, например, СO2 и Н2O, которые при диссоциации выделяют кислород, также происходит окисление металла сварочной ванны.

Если жидкий металл содержит элементы-раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Взаимодействие водорода, азота и сложных газов с расплавленным металлом сварочной ванны. Водород в составе газовой фазы может находиться в молекулярном или атомарном состоянии, что зависит от температуры. При более высоких температурах молекулярный водород диссоциирует на атомарный и ионизированный. 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 путем создания нерастворимых соединений водорода в металле, как, например, фтористого водорода HF, а также путем некоторого окисления сварочной ванны.

Азот. В зависимости от температуры азот, как и водород, в газовой фазе зоны дуги может находиться в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Основным источником азота в газовой фазе зоны дуги является окружающая атмосфера. Растворимость азота в железе зависит от его состояния. 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). Азот способствует образованию пор в металле шва. Увеличение концентрации азота в низкоуглеродистых сталях влияет на прочностные и пластические свойства этих сталей, а также способствует старению металла. Иногда его вводят в состав легированных сталей для получения аустенитной структуры. В этом случае он является аустенизатором и рассматривается как ценная легирующая добавка.

Читайте также:  Входной контроль металла оборудования

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 плавикового шпата. В процессе плавления такого покрытия происходит диссоциация карбоната кальция с образованием углекислого газа.

Углекислый газ активно окисляет жидкий металл.

где [FeO] — закись железа, растворившаяся 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 флюса, 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 Н2О + Feж = [FeO] + 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, OH) и паров металла и шлака.

Кислород, находясь в сварочной ванне, образует с железом закись железа FeO, которая, растворяясь в сварочной ванне, снижает прочностные свойства металла шва.

Водород, оставшийся в расплавленном металле, впоследствии является причиной образования холодных трещин.

Азот способствует старению шва, образованию пор в шве, а в целом снижает прочностные свойства сварного соединения. в

Влияние серы и фосфора на качество сварных соединений. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа FeS, которой является вредной примесью в металле шва. Сульфид железа в период кристаллизации сварочной ванны образует эвтектику FeS — Fe, имеющую меньшую, чем сталь, температуру плавления (940°С) и малую растворимость в жидкой стали. Это является причиной образования горячих трещин, поскольку эвтектика при кристаллизации располагается между зернами стали. Вредное влияние оказывает и фосфор, снижающий ударную вязкость металла шва. Для ликвидации вредного влияния серы и фосфора необходимо уменьшить их содержание в металле шва путем создания их соединений, нерастворимых в металле.

Легирование металла шва. Легирование металла шва может быть получено расплавлением присадочной проволоки (один из наиболее надежных способов легирования), либо введением в покрытие или флюс порошкообразных металлических добавок или восстановлением из окислов металлов. При этом следует учитывать активность окисления легирующего элемента в зоне сварочной ванны. С увеличением активности окисления легирующего элемента в зоне сварки уменьшается его усвоение сварочной ванной. Для оценки поведения того или иного элемента в сварочной ванне необходимо знать его сродство к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом). Активность некоторых широко известных элементов

по отношению к кислороду повышается в следующем порядке (до температуры 160СГС):

Элементы, стоящие левее от железа, при сварке сталей будут практически полностью усваиваться сварочной ванной. Вольфрам и молибден, стоящие слева от железа, достаточно полно усваиваются сварочной ванной. Большую трудность представляет легирование шва титаном и алюминием, так как, чем правее от железа расположен элемент, тем быстрее он окисляется.

Вопросы для самопроверки

  1. Какие фазы имеются в сварочной дуге?
  2. Какие соединения элементов с железом растворимы в жидком металле и как влияет их растворимость на качество сварного соединения?
  3. Каким образом можно легировать металл сварного шва?
  4. Как влияют сера и фосфор на сварные швы?

Источник

Взаимодействие металла с газами

Взаимодействие металла с газами

Одним из сварочных процессов является взаимодействие металла с газами. Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, покрытая слоем расплавленного шлака. При сварке происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Читайте также:  Ленточнопильный станок для резки металла metaltec bs 220 fh

Металлургические процессы, протекающие при сварке, определяются такими показателями:

1) высокой температурой;

2) небольшим объемом ванны расплавляемого металла;

3) большими скоростями нагрева и охлаждения металла;

4) отводом теплоты в окружающий ванну основной металл;

5) интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода и азота в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва.

В зоне дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает металл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла, Не большой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке он составляет 0,5–1,5 см 3 , при автоматической сварке – 24–300 см 3 ) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дают возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Структурные изменения в металле околошовной зоны происходят под действием теплоты. Они приводят к ослаблению сварного шва. На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный шлак. Кислород поступает в зону сварки из воздуха и электродного покрытия. Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, в первую очередь окисляет железо, так как его концентрация в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида: FeO (22,3 %), Fe 2О 3 и Fe 3O 3. В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид железа FеО, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. Растворимость оксида железа снижается с увеличением содержания углерода в стали. При высокой температуре стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой температуре. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксида железа FeO. При высоких скоростях охлаждения часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла. Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом железа, растворенного в сварочной ванне металла.

Значительное сродство углерода, марганца и кремния с кислородом приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния. В кипящей низкоуглеродистой стали СтЗ кислорода 0,001–0,002 %, в спокойной стали – 0,03–0,08 %. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержание кислорода достигает 0,3 %, при сварке защищенной дугой – до 0,05 %.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует нитриды железа (Fе 2N, Fе 4N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.

В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006 %, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,02 %, а при сварке защищенной дугой – до 0,03 %. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют нитриды, выходящие в шлак или менее, чем азот, снижающие качество шва.

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчины и окружающего воздуха. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле.

Читайте также:  Торцевая пила по металлу зубр

Растворимость водорода в железе в значительной степени зависит от температуры металла. При температуре 2400 °C насыщение достигает максимального значения (43 см 3 водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения металла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но полностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины. Снижение влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги. Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и водорода.

Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.

Алюминий в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.

Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции:

2FeO + Ti = 2Fe + TiO 2

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции:

2FeO + Si = 2Fe + SiO 2

Кроме того, протекает реакция образования силикатов:

SiO 2 + FeO = FeО ? SiO 2

Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода, который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не успевает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реакции:

Для предупреждения пористости металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции:

FeO + Мп = Fe + МпО

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца:

МпО + SiO 2 = MnO ? SiO 2

Марганец также способствует удалению серы из стали:

FeS + Мп = Fe + MnS

Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят легирование наплавляемого металла. Цель легирования – восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. – используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

2. ПОДРЫВАНИЕ МЕТАЛЛА

2. ПОДРЫВАНИЕ МЕТАЛЛА Подрывание металлических элементов лучше производить удлиненными и фигурными зарядами, прилегающими к подрывным элементам по всей длине сечения (рис. 28), а при недостатке времени на вязку зарядов взрывают сосредоточенными зарядами. Рис. 28.

Процесс переноса электродного металла

Процесс переноса электродного металла За счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Джоуля-Ленца, при протекании сварочного тока по вылету электрода осуществляются нагрев и плавление электрода.Вылетом

Защита от отравлений вредными газами

Защита от отравлений вредными газами Особенное загрязнение воздуха вызывает сварка электродами. Состав пыли и газов определяется содержанием покрытия и составом свариваемого и электродного (или присадочного) металла. При автоматической сварке количество газов и пыли

15.9. Лечебная рекомпрессия водолазов при отравлении вредными (выхлопными) газами

15.9. Лечебная рекомпрессия водолазов при отравлении вредными (выхлопными) газами При лечении водолазов, поднятых на поверхность с признаками отравления выхлопными газами, наилучший эффект дает дыхание кислородом при повышенном давлении. Лечение проводится по режиму,

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА «Коррозия Металла» — одна из культовых отечественных металлических команд. Она была создана в 1983 году по инициативе Сергея «Паука» Троицкого и Сергея «Борова» Высокосова.Легенда гласит, что первая группа Борова «Индикатор» периодически играла музыку

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector