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
Сторінка8/16
Дата16.07.2013
Розмір1.18 Mb.
ТипДокументи
bibl.com.ua > Фізика > Документи
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   16

Взаємодія металу з газовою фазою

  1. Розчинення газів у рідкому металі


Дисоціація двоатомних газів до атомарного стану в умовах зварювання дуже важлива, тому що внаслідок дисоціації підвищується активність газів і вони при взаємодії з розплавленим металом у вигляді крапель і зварювальної ванни можуть у ньому розчинятися або ж утворювати з ним хімічні сполуки (табл. 4.)

Якщо при дисоціації відбувається розчинення газу в металі, то сумарний тепловий ефект, як правило, є позитивним (ΔН > 0), тобто такий процес – ендотермічний.
Таблиця 4 – Розчинність водню, азоту й кисню в рідких металах

Характер взаємодії

Розчинність

Н

N

O

Не утворюються сполуки (ендотермічна розчинність)

Газ розчиняється

в металі

Ag, Al, Be, Ca, Co, Cr, Cu, Fe,

Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, W, Zn

-

Ag

Газ не розчиняється

в металі

Au, Hg

Pb, Cr, Cu, Ag, Au, Zn, метали платинової групи

Au, метали платинової групи

Утворюються сполуки (екзотермічна розчинність)

Сполуки добре розчиняються в металі

Рідкісноземельні метали: Sс, Y, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U

Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U

Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta,




Сполуки середньо розчиняються

в металі

Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba

Co, Cr, Fe, Mn, Mo, W

Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Cu, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, W




Сполуки

не розчинаються

в металі

-

Li, Na, K, Ba, Mg, Ca, Zn, Al

Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd


Відповідно до принципу Ле-Шательє розчинність газу в металі буде зростати з підвищенням температури й зменшуватися при її зниженні .

Якщо ж газ утворює з металом хімічну сполуку, то сумарний тепловий ефект термодинамічного процесу в цьому випадку може бути негативним (ΔН<0), тобто процес буде екзотермічним. Тут підвищення температури викликає зменшення розчинності, а зниження – її зростання.

Насичення розплавленого металу газами відбувається як у краплях, так і у зварювальній ванні. У ванні ці процеси здійснюються менш інтенсивно, ніж у краплях за двома причинами:

– температура ванни нижче температури крапель;

– у ванні відношення площі поверхні реакції до об’єму значно менше, ніж у крапель.

При цьому, якщо газ знаходиться в атомарному стані, то його розчинність у металі безпосередньо відповідає закону Генрі (є пропорційною тиску газу), а розчинність двоатомних газів, що існують у молекулярному стані, підпорядковується закону Сивертса (є пропорційною кореню квадратному з величини тиску газу).

Зі збільшенням температури металу підвищується розчинність в ньому газу, причому в краплях ця розчинність може досягати значної величини. Однак при температурах, близьких до температури кипіння металу, розчинність газу помітно зменшується і у момент кипіння дорівнює нулю.

Механізм розчинення газів у рідкому металі складається з окремих стадій, що відбуваються послідовно:

  • адсорбція атомів газу поверхнею металу;

  • взаємодія адсорбованого газу в поверхневому шарі з металом – утворення розчинів і хімічних сполук (звичайно ці процеси називають хемосорбцією);

  • відвід продуктів хемосорбції вглиб рідкого металу.

Процеси адсорбції й хемосорбції відбуваються із дуже високими швидкостями, практично миттєво. Швидкості відводу продуктів хемосорбції вглиб металу є меншими. У відводі продуктів хемосорбції вглиб металу значну роль відіграє механічне перемішування рідкого металу, що здійснюється часто з бурхливим виділенням газів.

Розглянута схема розчинення газів у металі одержала назву «хімічного поглинання газів металом».

За наявності електричного поля є можливим й електричне поглинання газів металом. Воно спостерігається тільки на поверхні катода, в області активної плями, куди спрямовуються позитивні іони газів, що надходять зі стовпа дуги. Наявність у поверхні катода шару позитивних іонів підвищеної концентрації приводить до їхнього переміщення в об’єм металу дифузійним шляхом внаслідок різниці концентрацій.

Ступінь розвитку електричного поглинання газів металом залежить від величини катодного спадання напруги, складу газового середовища, величини струму й ін.
      1. Окиснювання металу при зварюванні


Можливими є такі три основних види окиснювання складових металу й шлаків:

– пряме окиснювання;

– окиснювання нижчих оксидів до вищих;

– окиснювання на основі обмінних реакцій.

Пряме окиснювання в загальному вигляді може бути описано реакцією

Me + ½O2 → MeO.

Тут відбувається безпосереднє окиснювання елемента вільним киснем з утворенням відповідного оксиду.

Такі процеси за рідкісним винятком супроводжуються виділенням тепла, тобто вони є екзотермічними (див. табл. 3, 4) і при високих температурах відбуваються повільно. На поверхні ж відкритої зварювальної ванни інтенсивність прямих окисних реакцій є значно вищою, чому сприяє їхній екзотермічний характер.

Окиснення на основі обмінних реакцій описують у загальному вигляді таким рівнянням:

Me1 + Me2O → Me1O + Me2,

де Me1 і Me2 – різні метали.

На напрямок реакції крім зовнішніх умов істотно будуть впливати концентрація реагуючих речовин і спорідненість елементів з киснем.

Залізо з киснем утворює три оксиди:

2[Fe]+O2 → 2[FeO] (закис, 22% O2);

6[Fe]+O2 → 2[Fe3O4] (закис – окис, 27,6% О2);

4(Fe3O4) + O2 → 6(Fe2O3) (закис, 29,7% О2).

Із цих трьох оксидів тільки закис заліза розчиняється в залізі (розчинність залежить від вмісту вуглецю в сталі та ії температури) й тому найбільше впливає на його властивості. Концентрація розчиненого закису заліза в розплавленому чистому залізі при високих температурах може досягати до 0,5%. Цей оксид має температуру плавлення меншу, ніж основний метал. Тому при кристалізації металу шва він твердіє в останню чергу. При високих швидкостях охолодження зварного шва частина оксидів Fe залишається в розчині, утворюючи шлакові прошарки між зернами металу, підвищуючи при цьому поріг холодноламкості, тобто температуру, при якій метал втрачає пластичність. Для швів з підвищеним вмістом Fe цей поріг становить -10... 5 °С.

Вищі оксиди в залізі не розчиняються і, якщо вони не встигають спливати на поверхню зварювальної ванни, залишаються в металі шва у вигляді шлакових вкраплень, які легко розкладаються при високих температурах.

Залізо може окиснятися за рахунок кисню, що міститься в та

парах води :

Fe + CO2  FeO + CO;

Fe + H2O  FeO + H2.

Таблиця 5 – Тепловий ефект прямого окиснення елементів

Реакції

Тепловий ефект

На 1г/моль оксиду

На 1г/моль кисню

Са + ½О2 → СаО

+151,7

+303,4

Mg + ½O2 → MgO

+146,1

+292,2

2Al + 3/2 O2 → Al2O3

+393,3

+262,2

Ti + O2 → TiO2

+219,0

+219,0

Si + O2 → SiO2

+206,0

+206,0

2Na + ½ O2 → Na2O

+100,7

+201,4

2Cr + 3/2 O2 → Cr2O3

+270,6

+180,4

2P + 5/2 O2 → P2O5

+369,1

+147,9

FeO + C → CO + Fe;

FeO + Mn → MnO + Fe;

2FeO + Si → SiO2 + 2Fe.

+266,5

+133,2

2Fe + O2 2FeO (закис, 22% O2);

6Fe + O2 2Fe3O4 (закис, 27,6% O2);

4Fe3O4+O2 → 6Fe2O3 (закис, 29,7% O2)

+64,5

+129,0

Ni + ½ O2 NiO

+59,0

+118,0

H2 + ½ O2 → H2O (пар)

+57,8

+115,6

C + O2 → CO2

+94,2

+94,2

2Cu + ½ O2 → Cu2O

+41,0

+82,0

C + ½ O2 → CO

+26,4

+52,8

S + O2 SO2

+69,3

+59,3

½ N + O2 → NO

+21,6

-43,2


Наявність легуючих елементів у сталі впливає на розчинність кисню. Найбільш ефективно знижують розчинність кисню в залізі вуглець і кремній.

Наявність кисню в сталях разом з окиснюванням заліза викликає безпосереднє окиснювання ряду легуючих елементів, наприклад:

C + O → CO;

Mn + O → MnO;

Si + 2O → SiO2.

Крім того, паралельно можуть відбуватися реакції взаємодії легуючих елементів із закисом заліза, наприклад:

[FeO] + [C]  CO + [Fe];

[FeO] + [Mn]  (MnO) + [Fe];

2[FeO] + [Si]  (SiO2) + 2 [Fe].

Окиснення цих елементів призводить до зменшення їхнього вмісту в металі шва. Крім того оксиди, які утворюються, можуть залишатися у шві у вигляді різних вкраплень, що значно знижує механічні властивості зварних з'єднань, особливо пластичність й ударну в'язкість металу шва.

Поряд із цим при збільшенні вмісту кисню в сталі відбуваються такі процеси:

– зменшується її стійкість проти корозії;

– виявляється схильність до старіння;

  • при вмісті кисню більше 0,08% з'являється схильність до

холодно- і червоноламкості;

– прискорюється зростання зерен в структурі сталі при нагріванні;

– погіршується оброблюваність різанням і куванням;

– знижується магнітна проникність і збільшується електричний опір.
      1. Взаємодія металу з азотом


Азот у зоні зварювання знаходиться як у молекулярному, так і в атомарному стані. Атомарний азот більш активно розчиняється в розплавленому металі зварювальної ванни, ніж молекулярний. Він розчиняється в більшості конструкційних матеріалів і з багатьма елементами утворює з'єднання, які називають нітридами.

Із залізом азот утворює два типи нітридів:

4Fe + ½ N2 → Fe4N – 4,5 ккал/моль;

2Fe + ½ N2 → Fe2N – 3,9 ккал/моль.

З легуючими елементами сталі азот також утворює нітриди, часто значно більш стійкі, ніж нітриди заліза. Особливо стійкими в області високих температур є нітриди кремнію і титану .

Можливі такі шляхи насичення металу азотом:

– азот, що дисоціював, безпосередньо розчиняється в рідкому металі крапель. При наступному охолодженні металу в умовах відповідних температур утворюються нітриди заліза;




Рисунок 6 – Вплив азоту на механічні властивості сталі
– азот, що дисоціював, утворює в області високих температур стійкі нітриди, які, розчиняючись у краплях рідкого металу, насичують його азотом. У цьому випадку в міру охолодження металу зварювальної ванни з розчину може виділитися атомарний азот, що, вступаючи у взаємодію із залізом, утворює при відповідних температурах нітриди заліза;

– азот, що дисоціював, утворює у високотемпературній області окис азоту , що розчиняється в краплях:

N2 + O2 → 2NO - 43,2 ккал/моль.

При температурах металу нижче 1000°С окис азоту випадає з твердого розчину й дисоціює; при цьому атомарний азот утворює нітриди заліза, а кисень – оксиди.




Рисунок 6 – Вплив азоту на механічні властивості сталі
На ступінь насичення металу шва азотом впливають режими зварювання і охолодження. Повільне охолодження сприяє видаленню зі шва газоподібного азоту. При великих швидкостях охолодження азот не встигає повністю виділитися і утворює з металом перенасичений твердий розчин. Такий азот згодом стає причиною старіння металу шва й зниження його механічних властивостей.

Знаходячись у металі в тому або іншому стані, азот значно впливає на його властивості. З підвищенням вмісту азоту збільшуються межі міцності й плинності металу, знижуються пластичні властивості й особливо різко — ударна в'язкість сталі (рис. 6). Поряд із цим з'являється схильність металу до старіння, підвищується схильність до холодноламкості й синьоламкості, зростає здатність до загартування, знижується магнітна проникність, збільшується електричний опір металу.

У загальному випадку азот – небажана домішка в металі шва. Однак в умовах зварювання високолегованих сталей аустенітного класу азот підвищує стійкість аустеніту та відіграє роль легуючої добавки, здатної замінити деяку кількість нікелю.
      1. Взаємодія металу з воднем


Водень розчиняється в більшості металів. Метали, здатні розчиняти водень, можна поділити на дві групи. До першої групи належать метали, що не мають хімічних сполук з воднем (залізо, нікель, алюміній, кобальт, мідь та ін.), до другої – метали (титан, цирконій, ванадій, ніобій, тантал, паладій, рідкоземельні елементи й ін.), що утворюють із воднем хімічні сполуки, які називаються гідридами.

Водень у зоні зварювання утворюється під час дисоціації водяного пару при високій температурі дуги. Водяний пар надходить у зону зварювання з атмосферної вологи, а також з вологи, що затримується в покритті електродів, флюсів, іржі на крайках заготовок та ін.

Молекулярний водень при дуговому зварюванні розпадається на атомарний, котрий добре розчиняється як у твердому, так і в розплавленому металі. Розчинність водню в залізі з підвищенням температури нагрівання збільшується, досягаючи максимальної величини при температурі  2400 °С. Найбільш значне насичення металу воднем відбувається під час переносу краплі. Ступінь насичення рідкого металу воднем залежить від наявності в газовому середовищі елементів, здатних зв'язувати водень у хімічні сполуки, що не розчинюються в рідкому металі, й тим самим знижувати його парціальний тиск у газовому середовищі:

2[H] + [O] → H2O;

[H] + [O] → OH.

Окисненість рідкого металу знижує вміст у ньому водню.

Потрапляючи в рідкий метал в атомарному стані, атоми водню дифундують за всім об’ємом рідкого металу й можуть затримуватися в окремих місцях (наприклад, між гілками дендритів), з'єднуються там у молекули і утворюють міхур, у який продовжують дифундувати атоми водню. Молекулярний водень не розчиняється в сталі. Скупченість водню викликає підвищення тиску й збільшення обсягу міхура, тому в період кристалізації ванни він виділяється зі шва.

Такі міхури, переборюючи дію маси рідкого металу й сил поверхневого натягу, частково видаляються зі зварювальної ванни, але як тільки метал закристалізується, молекулярний водень із металу виділитися не зможе. Якщо такі міхури не встигають виділитися з металу, вони утворюють у ньому газові пори й раковини. Крім того, оскільки атомарний водень дифундує в порожнинах, заповнених газом, то й після затвердіння металу шва, він з'єднується там у молекули, залишається в цих порожнинах і викликає підвищення тиску молекулярного водню. У результаті в металі створюється напружений стан, що може сприяти виникненню мікроскопічних тріщин, так званих флокенів.

Крім того, водень може окиснятися у водяну пару, що не розчиняється у металі.

Отже, хоча водень і не утворює з металом шва сполук, що негативно впливають на міцність цього металу, він підсилює шкідливий вплив макро- й мікронесуцільностей, сприяє різкому зниженню пластичних властивостей металу й призводить до його крихкого руйнування.

Для зменшення вмісту водню у звареному шві користуються рядом практичних прийомів:

– електроди й флюси перед зварюванням ретельно прожарюють;

– крайки заготовок, що зварюють, і зварювальний дріт очищають від вологи, бруду та іржі;

– шви виконують із мінімальним числом проходів, тому що при накладенні наступного шва попередній шов у момент вторинного розплавлювання насичується воднем;

– при виконанні зварювальних робіт на відкритій площадці забезпечують захист зони зварювання від атмосферних опадів;

– зварювання відповідальних конструкцій виконують тільки при температурах вище 0 0С.

Про ступінь захисту зони плавлення від повітря і якість видалення продуктів реакції при різних способах зварювання свідчать дані, наведені в табл. 6.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   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