При сварке давлением для защиты применяют инертные газы (аргон), водород, азот, окись углерода, углеводороды (метан, ацетилен). Эти газы, кроме аргона, обычно исйользуют в виде смесей. Водород и азот иногда применяют и без специальных до­бавок других газов. В качестве нежелательных примесей в защит­ной атмосфере, как правило, присутствуют в небольшом количестве пары воды, углекислый газ и кислород.

Инертные газы химически не взаимодействуют с металлами и не растворяются в них. Взаимодействие металлов с кислородом было рассмотрено в гл. II. Скорость окисления для металлов, образующих окислы n-типа, не зависит от парциального давле­ния кислорода, а для металлов с окислами p-типа, хотя и зависит от него, но уменьшается с понижением парциального давления кислорода медленно. Все это справедливо, конечно, до тех пор, пока количество кислорода в окружающей атмосфере обеспечи­вает поступление 02 к поверхности раздела окисел—газ в коли­честве, достаточном для связывания ионов металла, диффунди­рующих через окисную пленку.

В применяемых газах всегда содержится кислород в количе­ствах, не лимитирующих возможность окисления в условиях 208
сварки давлением. Например, в аргоне или азоте высокой чистоты содержится только 0,003% кислорода, его парциальное давление равно 2,3-10~2 мм pm. cm. При таком давлении время образования монослоя адсорбированного кислорода (без учета затрудняющего действия адсорбции молекул аргона или азота) составляет около 0,0005 сек, и уже за 0,01 сек может образоваться 20 атомных слоев окисла, что соответствует толщине пленки порядка 100 А. Рас­смотрим взаимодействие некоторых чистых металлов с чистыми газами

Железо. Водород растворяется в железе с диссоциацией молекул #2 на атомы. Поэтому растворимость водорода в железе пропорциональна Урн,, гДе рн2 — парциальное давление во­дорода. Изобара растворимости водорода в чистом железе (рис. 141) при р,,2 = 1 am указывает на резкое ее изменение при темпера­турах полиморфных превращений. Углерод незначительно, крем­ний и кислород резко уменьшают растворимость водорода в железе [1201.

Растворимость азота в железе также пропорциональна УpNj. Полиморфные превращения сказываются на растворимости азота (рис. 141) еще резче, чем водорода. Углерод и фосфор снижают растворимость азота в железе, марганец и хром резко ее повы­шают [120]. Содержание азота в мартеновской стали обычно не выше 0,002—0,004%. В электросталях с высоким содержанием хрома оно может подниматься до 0,01% (если не предусмотрено легирование азотом).

В результате диссоциации окиси углерода и углеводородов (например, метана) по реакциям

2СО —»С + СОг; І

СН4 —> С - f - 2На j (36)

С02 или Н20 к поверхности ме­талла, что соответствует усло­виям сварки с защитой в незам­кнутом объеме, как С02, так и Н20 являются окислителями.

Алюминий [135]. Водо­род плохо растворяется в твер­дом алюминии, его раствори­мость при 0° С составляет около Ы(Г7, а при 600° С 0,026 см3/100 г. В жидком алюминии водород растворяется значитель­но легче (рис. 142), причем медь, кремний и олово существенно понижают растворимость Н2 в жидком алюминии, а Мп, Ni, Mg, Fe, Cr, Се и Ті ее повышают. Алюминий заметно погло­щает водород в твердом состоянии при 500° С в случае добавки 6% Mg и при 600° С — 2,8%Мп. Водород, растворившийся в жид­ком алюминии, выделяется в процессе кристаллизации, часто с образованием пор.

Азот может давать нитрид алюминия при Т 850° С. С твердым

алюминием азот практически не взаимодействует.

Алюминий при повышенных температурах взаимодействует с Н20, СО и С02, все эти газы окисляют алюминий с выделением водорода или углерода.

М е д ь 1135]. Растворимость водорода в меди, пропорциональ­ная Vpu2, резко понижается при переходе из жидкого в твердое состояние (см. рис. 142). Быстрое охлаждение меди, насыщенной водородом, вызывает пористость (так называемую водородную болезнь).

Азот не растворим ни в твердой, ни в жидкой меди, хотя в из­вестных условиях могут быть получены химические соединения меди с азотом. Окись углерода также практически не растворима в меди. Углекислота при невысоких температурах не окисляет медь. При 1200° С медь медленно реагирует с С02 — образуется закись меди CusO и СО. Водяной пар окисляет медь более интен­сивно при низких температурах.

Углеводороды при пропускании через жидкую медь разла­гаются с выделением углерода, остающегося в закристаллизовав­шемся слитке, и водорода, растворяющегося в меди и приводя­щего к появлению в слитке пор после кристаллизации.

Никель [135]. Растворимость в нем водорода пропорцио­нальна ]/рн2 • Она резко возрастает при расплавлении Ni (см. рис. 142). Поэтому никель, как и медь, склонен к водородной болезни. Никель до Т = 1400° С не реагирует с азотом.

Восстановительная атмосфера для расплавленного никеля вредна, так как вследствие понижения растворимости в нем за­киси никеля и водорода при охлаждении идет реакция

NiO + NiH2 -* Ni + Н20.

Выделение не растворимого в металле водяного пара приводит к образованию дефектов в слитке.

Углеводороды вступают в реакцию с расплавленным никелем с выделением растворимого в нем водорода и образованием не­устойчивого карбида никеля. Окись углерода хорошо растворяется в жидком никеле. Углекислый газ и водяной пар слабо окисляют никель с выделением окиси углерода и водорода, растворение ко­торых в металле нежелательно.

Титан [101 ]. Титан активно поглощает водород. Этот процесс в отличие от реакций титана с кислородом и азотом — обрати­мый. Скорость поглощения водорода растет с повышением тем­пературы, а его равновесная концентрация падает с 40 л/100 г при 300° С до 5 л/100 г при 1050° С 1135].

Азот растворяется в титане и образует с ним нитрид TiN. Процесса образования пленки TiN в атмосфере азота, аналогич­ного по характеру процессу окисления, не наблюдается при Т < < 1000° С. По-видимому, при такой температуре скорость раство­рения нитридной пленки в титане выше скорости ее образования на поверхности металла. При взаимодействии титана с воздухом из-за меньшей скорости диффузии азота в титане и нитриде ти­тана, чем кислорода, а также в связи с меньшей прочностью TiN по сравнению с окислами титана (теплота образования ТЮ2 равна 225,5 ккал/моль, a TiN — 80,5 ккал/моль) азот играет незна­чительную роль в процессе образования окалины.

Водяной пар окисляет титан с растворением в нем кислорода и водорода. Взаимодействие раскаленного титана стазами, разла­гающимися с выделением водорода и углерода (например, с угле­водородами), приводит к нежелательному растворению этих элементов в металле.

Ниобий [135]. При высоких температурах ниобий легко соединяется с водородом, азотом и углеродом. Ниобий может растворять большое количество водорода. Как и у титана, раство­римость водорода в ниобии понижается с ростом температуры со 104 см31г при 20° С до 4 см3/г при 900° С. При большом содержа­нии водорода образуется гидрид ниобия.

С азотом ниобий образует нитрид. Порошок ниобия, нагретый в атмосфере азота при 1200° С, покрывается пленкой NbN. На­грев ниобия на воздухе сопровождается одновременным образо­ванием окислов и нитридов.

Так как ниобий охотно образует карбиды, его взаимодействие с газами, выделяющими углерод, нежелательно. При комнатной температуре в ниобии, охлажденном с умеренной скоростью, 14* 211

может быть растворено до 0,9% Н2, до 0,03% N2, до 0,01% 02 и до 0,01% С [104].

Молибден [104]. Растворимость водорода в молибдене невелика (см. рис. 142). Водород восстанавливает окислы молиб­дена. В молибдене, охлажденном с умеренной скоростью, при ком­натной температуре может раствориться до 0,00001% Н2.

Азот может образовывать с молибденом нитриды. Раствори­мость азота в молибдене невелика (при Т = 20° С около 0,0001%). Однако уже ничтожных примесей азота достаточно для резкого ухудшения пластических свойств молибдена.

Растворимость углерода в молибдене также невелика (при Т = 20° С порядка 0,0001—0,00001 %). Молибден образует с угле­родом карбиды. Поэтому нагрев молибдена в газах, содержащих легко выделяющийся углерод, в частности в СО и углеводородах, приводит к образованию в молибдене карбидов с резким его охруп­чиванием.