Для лучшего понимания процессов влияния кислорода и азота рассмотрим их на примере сварки тон­копокрытыми электродами.

Кислород при температуре дуги почти полностью диссоциирует на атомы, а окисление металла с участием атомарного кислорода идет более интенсивно. С железом кислород образует три вида оксидов:

оксид железа (II) (закись железа), содержащая 22,7 % кислорода,

2Fe - f 02 ^ 2FeO; (47)

магнетит (закись-окись железа), содержащий 27,6 % кислорода,

6FeO + 02 2Fe304; (48)

оксид железа (III) (окись железа), содержащий 30 % кислорода

4Fe304 + 02 ^ 6Fe203. (49)

При окислении сначала образуются низшие оксиды, кЬторые при соответствующих условиях переходят в выс­шие. Из трех оксидов железа только оксид железа (II) растворим в железе. Растворимость FeO в железе умень­шается с понижением температуры и при температуре плавления железа 1520 °С составляет 0,83 % (или 0,18 % кислорода), а при температуре 2300 °С растворимость FeO составит 8,5 % (или 1,8 % кислорода).

Фактически при сварке голыми электродами содержа­ние кислорода в наплавленном металле достигает 0,2— 0,7 %, что заметно меньше верхнего предела раствори­мости кислорода. Это объясняется созданием некоторой защиты сварочной ванны парами металла и СО, выделяю­щимися в процессе плавления металла; наличием в рас­плавленном металле углерода и марганца, которые огра­ничивают растворимость кислорода в жидком металле и др.

Наряду с окислением железа при сварке тонкопокры­тыми электродами имеет место окисление других состав­ляющих металла стержня и сварочной ванны: С, Mn, Si. Окисление может происходить за счет атомарного кисло­рода при переходе капли через дугу по реакциям:

С - f 0-> СО; (50)

Mn - f - О ->■ МпО; (51)

Si - f - 20-> Si02 (52)

и за счет взаимодействия с оксидом железа (II) в расплав­ленной ванне:

FeO + С ** СО + Fe; (53)

FeO + Mn МпО -f - Fe; (54)

2FeO + Si ^ Si02 - f 2Fe. (55)

Процессы окисления составляющих приводят к тому, что количество полезных примесей в наплавленном ме­талле уменьшается, а содержание кислорода возрастает (табл. 18). Присутствие кислорода в металле резко ухуд­шает его механические и технологические свойства.

Влияние кислорода на механические свойства металла наплавки показано на рис. 51. С повышением содержа-

ния кислорода снижается предел прочности, предел теку­чести, ударная вязкость, ухудшается ковкость, корро­зионная стойкость, жаропрочность и другие свойства металла шва.

Раскисление за счет угле­рода реакции (53) приводит к выделению оксида углеро­да (И), который нерастворим в стали и стремится всплыть на поверхность сварочной ванны. Если шлак, покры­вающий сварочную ванну, будет [плохо пропускать га­зы, то это приведет к накап­ливанию газов по линии раз­дела металл—шлак, давление газов на сварочную ванну возрастает, скорость всплы­вания газа из металла замед­лится и это при определен­ной скорости кристаллизации металла шва может привести к образованию пор.

Образование пор вследствие окисления углерода воз­можно еще и тогда, когда эта реакция продолжается в кристаллизующейся части сварочной ванны.

Азот в газовую фазу зоны сварки попадает из окру­жающего воздуха. В зависимости от температуры азот может находиться в газовой фазе в молекуляр-

пом, лгомпрпом и ионизированном состоянии, чго пид - jio мі рис. 15 и 49.

Азот растворяется в тех металлах, с которыми он вступает в химическое взаимодействие с образованием нитридов. К этим металлам относятся железо, марганец, титан, молибден и некоторые другие. Рассмотрим подроб­нее взаимодействие азота с железом. При высоких тем­пературах азот является весьма активным по отношению

к железу и образует с железом химические соединения — нитриды Fe2N (11,1 % N) и FeN (5,9 % N), которые устойчивы до определенных температур.

Диссоциация нитридов при высоких температурах происходит тем полнее, чем выше концентрация азота в металле. Наряду с присутствием азота в железе в виде нитридов азот еще способен растворяться в железе (рис. 52).

Азот существенно изменяет свойства металла шва. Наблюдаемое скачкообразное изменение растворимости газообразного азота в металле при его расплавлении (кристаллизации) может явиться причиной появления и развития пор в металле шва. Увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению и изменению механических свойств (рис. 53).

Для уменьшения содержания азота в металле шва крайне желательно исключить азот из газовой фазы дуги,
что достигается спар кой закрытой дугой и сваркой в угле- кислом газе. В последнем случае металл заметно окисляется и раскисляется, но не поглощает азот. Кроме того, уменьшение содержания азота в металле шва может быть достигнуто введением в металл элементов, имеющих большое сродство к азоту (марганец, титан), за счет кото­рых образуются нитриды, переходящие затем в шлак.

Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в газовой фазе при сварке.- -

влага, влага покрытия и флю­са, влага ржавчины на по - верхности сварочной прово­локи и свариваемых кромок. ^дд Под действием теплоты дуги влага превращается в пары ^дд воды, которые диссоциируют по уравнениям:

2НаО ^ 2Н2 + 02 — Q; (56) 2Н20 =*=* 20Н + Н2 — Q, (57) повышая концентрацию во­дорода в газовой фазе. Кроме того, источником водорода могут явиться органические

составляющие покрытий (крахмал, декстрин, целлю­лоза), которые при плавлении электрода разлагаются и выделяют наряду с другими газами (СО, С02, Н20) водород. Некоторое количество водорода содержится в присадочной проволоке и основном металле, поэтому кривая растворимости водорода (см. рис. 52) начинается на ординате выше нулевого значения, что характеризует наличие в основном и присадочном металле растворенного водорода.

В зависимости от температуры газовой фазы, как видно из рис. 15, водород может находиться в ней в молекуляр­ном, атомарном и ионизированном состояниях. Характер­ной особенностью атомов и ионов водорода является их способность легко диффундировать в кристаллической решетке железа даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомного расстояния в кристаллической решетке железа.

По Кривой pan іюримоп її no пород: і и іпердом и жид­ком жгло ч (см. рис. 52) шідпо, чю по мере увеличения температуры металла растворимость водорода увеличи­вается, претерпевая скачкообразные изменения в моменты аллотропических превращений железа. Предельная рас­творимость водорода в твердом железе при 1530 °С состав­ляет 8 см3/100 г или 0,0007 %. Переход металла из твер­дого в жидкое состояние значительно увеличивает раство­римость, достигающую 28 см3/100 г или 0,0025 %. По мере дальнейшего роста температуры растворимость растет, достигая максимума (43 см3/100 г) при температуре 2400 °С, а в области температур, близких к температуре кипения металла, растворимость падает, так как выделяющиеся пары металла увлекают за собой водород.

Учитывая, что температура капель металла в момент их образования на конце электрода и переноса в дуге равна 2200—2500 °С, а средняя температура ванны при­мерно 1700 °С, можно сделать заключение, что максималь­ное насыщение металла водородом происходит в дуге при переходе капель металла. И растворимость водорода в капле будет соответствовать верхнему пределу раство­римости 43 см3/100 г или 0,0039 %.

Содержание водорода в металле, наплавленном элек­тродами с разным видом покрытия, следующее.

1. Металл, наплавленный электродами с целлюлозным покрытием, содержит наибольший объем водорода, до­стигающий предела насыщения водородом жидкого ме­талла, т. е. 26,6 см3/100.

2. Металл, наплавленный электродами с кислым или рутиловым покрытием, содержит 13—15 см3/100 г водо­рода.

3. Наименьшее содержание водорода в металле, на­плавленном электродами с основным покрытием, т. е. 8,4 см3/100 г.

Водород существенно влияет на свойства наплавлен­ного металла. Различная растворимость водорода в твер­дом и жидком металле приводит к выделению водорода при охлаждении перегретого металла, что приводит к раз­брызгиванию. При охлаждении расплавленного металла сварочной ванны растворимость уменьшается и водород будет выделяться из жидкого металла. В момент до­стижения температуры плавления металла и начала его кристаллизации растворимость падает скачкообразно и уменьшается в несколько раз.

В кристаллизующемся металле* сварочной панны су­щее і пуп совместно жидкий п твердый металл, а скорость диффузии водорода при температуре кристаллизации велика, и водород быстро перераспределится между кри­сталлами и жидким металлом. В результате чего жидкий металл окажется пересыщенным водородом, что приве­дет к его выделению по реакции.

2Н — Н2 + Q. (58)

Но так как молекулярный водород нерастворим в металле, то его выделение из кристаллизующегося металла может явиться причиной возникно­вения и развития пор в ме­талле шва. Водород может явиться виновником появле­ния ряда дефектов (трещин,

«рыбьих глаз» и т. д.) в свар­ном соединении.

Образованиемикротрещин в металле шва может иметь место вследствие того, что процесс выделения водорода не прекращается и по окон­чании кристаллизации метал­ла и даже по достижении комнатной температуры. В полностью остывшем метал­ле, пересыщенном водородом, происходит его выделение не только во внешнюю среду, но и в микроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Молекулярный водород, накапливаясь в микрополостях, создает в них большое давление, вызы­вающее местное разрушение металла.

Образование «рыбьих глаз» встречается на поверхности излома металла шва образцов, подвергшихся деформации с малой скоростью, например при испытаниях на разрыв и загиб. «Рыбьи глаза» выявляются в виде светлого диска небольшого диаметра с очень малой полостью в централь­ной части (рис. 54). Обычно они возникают вокруг вклю­чений. Светлый цвет излома в месте этих дефектов свиде­тельствует о наличии хрупкого разрушения, связанного с наличием очень больших давлений молекулярного водорода в полости.

5 Думов С. И.

Характерно, что «рыбьи глаза» никогда не наблюдаются в изломах сварных образцов, подвергшихся быстрой пла­стической деформации, например в образцах, испытанных на ударную вязкость. Наличие такого дефекта в изломе образцов обычно вызывает снижение пластических харак­теристик металла шва (относительное удлинение и отно­сительное сужение). Чтобы ликвидировать склонность металла шва к образованию рыбьих глаз, требуется уда­лить водород из металла шва, что может быть достигнуто длительной выдержкой металла шва при комнатной тем­пературе или более короткой выдержкой при температуре 250—300 °С.

Под влиянием водорода образуются трещины в основ­ном металле. Нами было установлено, что диффузия во­дорода в твердом металле возможна только в атомарном состоянии или в виде протона. Растворимость водорода в металле будет зависеть от его температуры; по мере охла­ждения водород из мест большей концентрации устремится в более холодные участки основного металла. Атомы водо­рода, диффундируя в кристаллическую решетку, создают чрезмерное насыщение охлаждаемого металла водородом, что резко снижает пластические свойства металла. В то же время, атомы, диффундируя в несплошнссти, внутри- кристаллические прослойки и т. п., образуют молекуляр­ный водород. Молекулярный водород, накопившись, при­водит к возникновению высоких напряжений, превыша­ющих предел прочности основного металла и в околошов - ной зоне, и возникают трещины. Этому еще способствуют напряжения в сварных соединениях.

На растворимость водорода в металле влияет ряд тех­нологических факторов. Установлено, что растворимость водорода в металле связана с родом тока и полярностью. При сварке на постоянном токе обратной полярности про­тоны водорода Н+ направляются электрическим полем к сварочной ванне (катоду), температура которой отно­сительно невелика; соответственно и растворимость во­дорода в металле шва будет небольшой. При сварке на прямой полярности протоны Н+ устремляются к электроду, на конце которого находится сильно перегретый жидкий металл, способный растворить большое количество водо­рода. Капли этого металла, попадая затем в сварочную ванну, насыщают металл водородом, и содержание водо­рода в металле будет больше, чем при сварке на обратной полярности.

Уменьшение содержания водорода в металле шва может быть достигнуто:

1) применением для сварки прокаленных толстопокры­тых электродов и флюсов;

2) тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржав­чины, окалины и прочих загрязнений;

3) выполнением последующих проходов многопроход­ных швов после полного охлаждения ранее выполненных проходов шва;

4) предварительным и сопутствующим нагревом де­талей.