Горлов О. К. Фізико-хімічні основи технологічних процесів. Зварювання: навч посібник / О. К. Горлов, Є. П. Рогачов, С. М. Лашко


НазваГорлов О. К. Фізико-хімічні основи технологічних процесів. Зварювання: навч посібник / О. К. Горлов, Є. П. Рогачов, С. М. Лашко
Сторінка7/16
Дата16.07.2013
Розмір1.18 Mb.
ТипДокументи
bibl.com.ua > Фізика > Документи
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   16

Характеристика фаз, що утворюють зварювальну
систему


В умовах зварювання плавленням створюється багатокомпонентна гетерогенна система, компонентами якої є метали ( Fe при зварюванні сталей, а також елементи, що вводять для розкиснення, легування й модифікування металу шва), металоїди (С , Н , N , O, S , P та інші), хімічні сполуки (оксиди, нітриди, гідриди, сульфіди, фосфіди). В умовах зварювання компоненти можуть існувати у твердому, рідкому й газоподібному стані. Відповідно до цього у зварювальній зоні утворюються три основні складні змішані фази: газова, рідка металева й рідка шлакова. При цьому окремі компоненти (як правило, хімічні сполуки) можуть утворювати самостійні прості фази в змішаних конденсованих фазах: металевій і шлаковій.

У зв'язку із цим у металургічній літературі для визначення, в якій фазі знаходиться реагуючий компонент (метал, металоїд, хімічна сполука) і, відповідно, у якій фазі проходить хімічна взаємодія, прийнято такі позначення: якщо речовина існує в металевій фазі, її хімічну формулу беруть у квадратні дужки; якщо – в шлаковій, її хімічну формулу беруть у круглі дужки; якщо – в газовій, її хімічну формулу записують без дужок.

З урахуванням цього хімічні реакції записують таким чином:

у газовій фазі (метал і його оксид існують у вигляді пари)

Ме + O  МеО;

у металевій фазі (кисень й оксид знаходяться у розчині)

[Ме] + [O]  [МеО];

у двофазній системі (оксид утворює самостійну фазу, що не розчиняється в металі, та переходить у шлак)

[Ме] + [O]  (МеО);

у трифазній системі

2[Ме] + O2 2(МеО).

Обмінна реакція між металевою й шлаковою фазами має вигляд

[Me ] + (MenOm)  m(Me O) + n[Me ].

У цьому випадку речовини переходять у металеву або шлакову фазу залежно від розчинності в цих фазах.

Стрілки в рівняннях показують, що взаємодія може йти в обох напрямках. При високих температурах реакції відбуваються переважно зліва направо. При зниженні температури рівновага цих реакцій зміщується зправа наліво.
      1. Газова фаза при зварюванні плавленням


Газова фаза складається з простих двохатомних газів: O2, Н2 , N2 і складних газів: СO, CO2 , Н2O пара, СnHm, які попадають у зону зварювання безпосередньо або в результаті дисоціації різних органічних і неорганічних речовин і газів, а також різних обмінних реакцій (наприклад, карбідів і парів води). Так, азот попадає в зону зварювання, головним чином, із повітря. Джерелами кисню й водню є повітря, зварювальні матеріали (електродні покриття, флюси, захисні гази та ін.), а також окисли, поверхнева волога й інші забруднення на поверхні основного й присадного металів. Нарешті кисень, водень та азот можуть утримуватися в надмірній кількості в металі, що переплавляють.




Рисунок 5 – Залежність дисоціації

водню і азоту від температури
Зварювання плавленням характеризується високими температурами (при дуговому зварюванні – 5000...7000 К, при плазмовому –10000...12000 К). При таких температурах у газовій фазі відбувається багатостадійний процес дисоціації газів (рис. 5).

Дисоціацію простих двоатомних газів – водню, кисню і азоту – можна записати такими рівняннями:

H2+103,8 кал/моль → Н + Н;

O2+118,2 кал/моль → O + O;

N2+103,8 кал/моль → N + N.

Ці процеси супроводжуються поглинанням тепла, тобто є ендотермічними. Звідси видно, що енергія, яка витрачається на дисоціацію молекули азоту, найбільш висока й тому молекула азоту – сама міцна. В однакових умовах азот має дисоціювати менше, ніж кисень і водень.

Аналогічно відбувається дисоціація триатомних газів, з яких у зварювальних процесах звичайно беруть участь пари води й вуглекислий газ:

2H2O (пар) + 115,6 кал/моль → 2H2 + O2;

CO2 + 67,65 кал/моль → СО + ½O2.

Дисоціації підлягають й більш складні з'єднання. До складу багатьох електродних покриттів і флюсів входять плавиковий шпат CaF і карбонати, наприклад СаСО3. При високих температурах вони розкладаються відповідно до реакцій

CaF2 → CaF + F;

CaCO3 → CaC + CO2.

Двоатомні гази H2, O2 , CO, що утворюються, також дисоціюють.

На склад газової фази впливає також метал, що випаровується, змінюючи цим умови проходження дугового розряду, а також електронного або лазерного випромінювання. Це випарювання є вибірним, причому інтенсивніше випаровуються елементи з більш високою пружністю пари. Наприклад, при зварюванні сталі найбільш інтенсивно випаровується марганець, при зварюванні латуні – цинк. У результаті вибірного випарювання помітно знижується концентрація летких елементів у металі шва, що необхідно враховувати при розробленні технології зварювання.
      1. Шлакова фаза при зварюванні плавленням


Шлаки являють собою рідкі мінеральні фази, що відокремлюють дзеркало металу від безпосередньої дії газової фази. Шлаки не ізолюють метал від газової фази, а тільки заміняють безпосередній контакт дифузійним. Вони утворюються при плавленні електродного покриття, флюсу, шихти порошкового дроту або при металургійних процесах, що відбуваються при зварюванні, наприклад, при зварюванні у вуглекислому газі.

Призначення шлаків – одержати бажаний напрямок процесів при зварюванні, а саме:

– захистити розплавлений метал від взаємодії з газовою фазою;

– забезпечити необхідні зварно-технологічні властивості процесу: мінімальне розбризкування, правильне формування шва, стабільне існування дугового розряду, газовиділення з металу шва, легке відділення шлакової кірки від поверхні металу шва, що кристалізувався;

– забезпечити проходження необхідних металургійних процесів у зоні плавлення – розкиснення, легування, рафінування, зв'язування водню в сполуки, що не розчиняються в металі;

– сповільнити охолодження металу шва після зварювання.

За своїм складом шлаки – це складна система з оксидів і (або) нейтральних солей, між якими можуть відбуватися хімічні реакції, що приводять до утворення нових речовин. Головні компоненти зварювальних шлаків можна розбити на чотири групи (табл. 3).

У розплавленому стані основні оксиди взаємодіють із кислотними або амфотерними і утворюють хімічні сполуки – комплексні оксиди, які, як правило, більш рідкоплинні й легкоплавкі.

У цей час існують дві теорії, що описують будову рідких шлаків, – молекулярна й іонна. Відповідно до молекулярної теорії шлаки – це системи вільних і хімічно сполучених неметалевих з'єднань (оксидів та інших), між якими є рухома хімічна рівновага. При цьому з металом взаємодіють тільки вільні компоненти (зокрема, оксиди).

Таблиця 3 – Головні компоненти зварювальних шлаків

Кислотні

оксиди

Основні

оксиди

Амфотерні оксиди

Нейтральні

солі

Si2, Ti2, B2O3, P2O5, Zr2

Na2O, K2O, Ca, Mg, Fe, Mn

Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, V2O3

KF, Na, Li, Ca2, Ba2, KCl, NaCl, MgCl2, Na3Al6 (кріоліт)


Згідно з іонною теорією шлаки мають будову іонного типу. В рідких шлаках всі оксиди і їхні хімічні сполуки дисоціюють на іони. У розплавлених шлаках існують позитивно заряджені катіони: Ca2+, Mg2+, Mn2+, Al3+ та інші й негативно заряджені аніони O2-, F2-, S2-, SiО,TiО й ін.

Молекулярна теорія шлаків розроблена досить детально. Вона є більш зручною для практичних розрахунків рівноважних систем.

Найважливіші показники зварювальних шлаків – їх здатність об'єднувати оксиди, нітриди, сульфіди, фосфіди в міцні хімічні сполуки, що не розчиняються в металі, і які можуть легко видалятися в шлаки.

Характер протікання металургійних процесів між металом і шлаками залежить від хімічного складу шлаків. Формальну перевагу кислотних або основних характеристик шлаків оцінюють коефіцієнтом основності В або кислотності К. Шлаки відносять до кислих при В<1 , до основних при В = 1, до нейтральних при В >1. Звичайно у зварювальних шлаках В = 0,6…1,3, але вже при В>1,1 погіршуються зварно-технологічні властивості шлаків.

Кислі шлаки добре розкиснюють сталі завдяки зв'язуванню Fe у комплексні сполуки з SiО2, TiО2. Однак значні швидкості охолодження не дозволяють довести процес до кінця, тому потрібно застосовувати ще й розкиснювачі. Крім того, кислі шлаки не можуть рафінувати метал, тому вихідні матеріали повинні мати мінімальну кількість сірки й фосфору (не більше ніж 0,10 % кожного).

Основні шлаки добре зв'язують сірку й фосфор у комплексні сполуки, що видаляють у шлаки, але вони не можуть зв'язати Fe у комплекси, тому що це потребує більшої кількості розкиснювачів.

Шлаки повинні мати такі фізичні властивості:

– їх температура плавлення має бути на 200…300 0С нижче температури плавлення металу (див. табл. 1);

– питома вага – менше питомої ваги металу (див. табл. 3);

– в'язкість – на два порядки більше в’язкості металу (так, коефіцієнт в'язкості сталей h = (1…2)×10-3 Па•с, коєфіціент в’язкості шлаків

h = (0,8…3)×10-1 Па•с);

– зварювальні шлаки при розплавленні мають різко зменшувати свою в'язкість, тобто вони мають незначний температурний перехідний інтервал;

– шлакова кірка має легко відділятися від поверхні металу, що закристалізувався.

Шлакова кірка легко відділяється за відсутності шпінелей у шлаках. Шпінелі – це комплексні сполуки типу MeR2O4, де елементом Ме є Fe, Mn, Mg, а елементом R – Al, Cr, V. Шпінель пристроюють до кристалічної ґратки сталі, тому її важко усувати з поверхні металу шва. Крім того, для ефективного відокремлювання шлаків від металу шва необхідно, щоб коефіцієнти a лінійного розширення металу й шлаків істотно розрізнялися. Звичайно у сталей a×106 = 11,5…14,0 1/0С, у шлаків a×108 = 9,9…11,5 1/0С. Найкраще відокремлювання шлаків спостерігається при малому їх окисненні.

Шлаки мають три стани: рідкоплинний (h £ 1 Па×с), в’язкий

(h = 10…102 Па×с) і крихкий (h > 102 Па×с).

Ті шлаки, у яких температурний інтервал переходу з в’язкого стану в рідкоплинний є незначним, називають короткими. Довгі шлаки мають значно більший температурний інтервал переходу.

Короткі шлаки мають в'язкість майже постійну в інтервалі температур 1200…1400 0С. При температурі близько 1100 0С в'язкість коротких шлаків різко підвищується й вони твердіють. Таким чином, короткі шлаки швидко твердіють з боку поверхні, залишаючись рідкими у зоні зіткнення з металом, що кристалізується. Це забезпечує як вільний вихід газів з металу, так і відповідне формування шва. Короткі шлаки є основними.

Довгі шлаки є більш густими, їхня в'язкість повільно знижується в інтервалі 1000…1400 0С. Такі шлаки поступово переходять спочатку з рідкого стану в густий, потім – у тістоподібний і далі – у твердий.

Температуру на початку твердіння довгих шлаків важко встановити. Перехід з тістоподібного стану в твердий в довгих шлаках супроводжується наростанням в'язкості, при якій перегрупування часток, необхідне для одержання кристалічної ґратки, утруднюється. Тому довгі шлаки не кристалізуються, а переходять у склоподібну масу.

Довгі шлаки – це звичайно кислі силікатні шлаки. Чим більший вміст SiО2 у шлаку, тим вище його в'язкість. Довгі густі повільнотверднучі шлаки є менш активними стосовно металу й відрізняються нижчими формуючими властивостями.

Від в'язкості шлаків залежить газопроникність металу, тобто його здатність пропускати гази, що з нього виділяються. Швидкість виділення газів з металу залежить від їхнього тиску над поверхнею металу. Якщо газопроникність шлаків є низькою, то на поверхні металу створюється підвищений тиск газів, що перешкоджає їхньому подальшому виділенню. У цьому випадку у шві може утворитися пористість, а на поверхні шва – дрібні тріщини та інші дефекти.

Густі шлаки мають низьку газопроникність, а малов’язкі рухливі шлаки – високу. У рідкоплинних шлаках швидке виділення газів з металу супроводжується попутним «захопленням» часток шлакових включень і більш повним очищенням металу шва. Тому важливо правильно підбирати відповідні добавки до шлаків, щоб впливати на їхню в'язкість у потрібній мірі.

Кращим розріджувачем шлаків, особливо основних, є фтористий кальцій CaF2 (плавиковий шпат). В'язкість зменшують також хлориди, оксиди (TiО2, K2O, Na2O, MnО). Особливо сприятливо впливає на одержання коротких шлаків TiО2. Збільшують в'язкість SiО2, Al2O3, ZrО2, CaО, MgО.

При зварюванні найчастіше використовують малов’язкі легкорухливі швидкотверднучі шлаки. Цій умові найбільше задовольняють короткі основні шлаки.

Головні шлакові системи за складом компонентів поділяють на три типи: оксидні (силікати і основні), оксидно-сольові й сольові. Силікати застосовують для зварювання маловуглецевих і низьколегованих сталей, основні шлакові системи – для зварювання нержавіючих високолегованих сталей. Оксидно-сольові шлаки використовують для зварювання середньо- й високолегованих сталей і для наплавлення, сольові – для зварювання алюмінієвих і титанових сплавів.

За своєю будовою шлаки повинні мати не більше трьох головних компонентів (див. табл. 1.) Наприклад, кислі електродні покриття побудовано на основі Si2-FeO-MnО, основні – на базі CaO-SiО2-CaF2, плавлені флюси для зварювання маловуглецевих сталей – на основі Si2-MnO- CaF2.

За вмістом двоокису кремнію SiО2 і закису марганцю MnO оксидні флюси (шлаки) поділяють на кілька категорій:

за вмістом Si2:

– безкремнисті (SiО2 у вигляді домішок не більше 5 %);

– низькокремнисті (SiО2 = 6…35 %);

– висококремнисті (SiО2 > 35 %);

за вмістом MnO:

– безмарганцеві (MnO у вигляді домішок не більше 1 %);

– низькомарганцеві (MnO до 10 %);

– середньомарганцеві (MnO = 15…30 %);

– високомарганцеві (MnO = 30 %).

Залежно від коефіцієнта активності Аф флюси можна класифікувати за чотирма групами:

– високоактивні (Аф > 0,6);

– активні (Аф = 0,6…0,3);

– малоактивні (Аф = 0,3…0,1);

– пасивні (Аф < 0,1).

Коефіцієнт відносної хімічної активності флюсу досить повно характеризує окисну здатність флюсів. Окиснювання металу шлаками відбувається в результаті окиснювально-відновних процесів на поверхні розподілу фаз шлак-метал. Окиснювання металу приводить до зниження його пластичних властивостей, насамперед ударної в'язкості.

Активні флюси використовують для зварювання сталей з межею міцності sВ £ 600 МПа. Застосування їх при зварюванні низьколегованих теплотривких сталей і сталей підвищеної й високої міцності призводить до забруднення металу швів неметалічними вкрапленнями, сіркою й фосфором, можливе також утворення кристалізаційних тріщин у металі швів, зниження стійкості швів до переходу в крихкий стан. Для зварювання низьколегованих сталей рекомендують застосовувати малоактивні флюси, а для середньо- й високолегованих сталей – малоактивні й пасивні флюси.

Найбільш інтенсивно взаємодіють фази при газовому і електродуговому зварюванні, коли знаходження металу в рідкому стані є відносно тривалим. Внаслідок великої концентрації енергії й малої площі плями нагрівання при електронно-променевому й імпульсному лазерному зварюванні тривалість перебування металу в рідкому стані є незначною. Швидкості плавлення, охолодження й затвердіння металу є високими, що утрудняє взаємодію фаз. При електрошлаковому зварюванні газова атмосфера з металом зварювальної ванни безпосередньо не контактує, внаслідок чого основною є лише взаємодія металу зі шлаками.

Процеси взаємодії фаз у зоні зварювання відбуваються одночасно, однак, для зручності опису спочатку розглянемо взаємодію металу з газовою фазою, а потім – зі шлаками.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   16

Схожі:

Проектування технологічних процесів обробки деталей механічних засобів
МОДУЛЬ ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У МАШИНОБУДУВАННІ
Колесніченко Л. А., Борисенко Л. Л. К 60 Основи психології та педагогіки:...
К 60 Основи психології та педагогіки: Навч метод посібник для самост вивч дисц. — К.: КНЕУ, 2002. — 157 с
Конспект лекцій з курсу “ Системно-структурне моделювання технологічних...
Конспект лекцій з курсу “Системно-структурне моделювання технологічних процесів” / Укладач П. В. Кушніров. – Суми: Вид-во СумДУ,...
МОДУЛЬ ВСТУП. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІВОДИ. ГІДРОЛОГІЯ РІЧОК Блок...
Гідрологія – наука про природні води, їх властивості та явища і процеси, що в них відбуваються, а також закономірності розвитку цих...
ПРАВОВІ ОСНОВИ ДОКУМЕНТОЗНАВЧОЇ ДІЯЛЬНОСТІ
Правові основи документознавчої діяльності /Д. О. Готило, С. Ф. Гуцу, В. М. Петрук – Навч посібник для студентів гуманітарного факультету...
Сутність процесу електроконтактного точкового зварювання
Мета роботи: вивчити технологічний процес електроконтактного точкового зварювання; визначити його відмінності; ознайомитися з будовою...
1 Держава, право та Конституція України
Основи конституційного права і чинного законодавства України / Г. Ю. Каніщев, В. Б. Селевко, С. С. Бичкова. – Навч посібник. – Харків:...
Максимова Н. Ю., Мілютіна К. Л., Піскун В. М. Основи дитячої патопсихології: Навч посібник
Важковиховуваність як психолого–педагогічна проблема. Типологія соціально-дезадаптованої поведінки. Асоціальна поведінка як відхилення...
Пасинков В. В., Сорокин В. С. Материалы електронной техники
...
ЗВІТ про виконання лабораторної роботи РУЧНЕ ЕЛЕКТРОДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ...
Умовне позначення електродів для ручного дугового зварювання і наплавлення сталі ГОСТ 9466-75
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка