Исследование процессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком

2. Исследование процессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком

 

2.1 Характеристика защиты металла от взаимодействия с окружающей средой

Сварка плавлением - высокотемпературный процесс, сопровождающийся изменением состава металла сварного соединения, а следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой (атмосферой). Высокая восстановительная активность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, а так как скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурах сварочного цикла очень высокая, то даже в очень ограниченное время могут, произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надежные методы защиты зоны сварки от атмосферы.

Рассматривая различные виды сварки, можно выделить четыре способа защиты зоны сварки: 1) шлаковая защита, 2) газовая , 3) газошлаковая, 4) вакуумная.

Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны.

Исторически этот метод появился раньше всех. Он реализуется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми или качественными электродами, промышленное применение которых началось в середине 20-х годов.

Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки. Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дугового разряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стержень электродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие.

Ионизирующие компоненты – соединения, содержащие ионы щелочных металлов: Na₂CO₃, K₂CO₃. пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым.

Шлакообразующие – минералы: полевой шпат K₂O₃^.Al₂O₃^.6SiO₂; мрамор, мел, CaCO₃, магнезит MgCO₃, глинозем Al₂O₃, флюорит CaF₂, рутил TiO₂, кварцевый песок SiO₂ и иногда гематит Fe₂O₃. При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава и различной основности.

Газообразующие – вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа – мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов – CO₂; CO; H₂; H₂O/

Раскислители и легирующие компоненты – металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы – это лигатуры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, так как он при сварке почти не окисляется. Раскислителями, кроме ферромарганца и ферросилиция, могут быть ферротитан и алюминий.

Вяжущими компонентами могут быть или жидкое стекло, или полимеры. Они соединяют порошки вышеупомянутых компонентов в замес, который и напрессовываетяс на подготовленный металлический стержень в особых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес, однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкой ультразвуком.

Все материалы, идущие на изготовление покрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей, как сера и фосфор.

В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродные покрытия можно разбить на следующие четыре группы (ГОСТ 75):

Кислые покрытия (А), в состав которых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). Раскислителем служит ферромарганец. В состав этой группы входят электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04, СМ-5 и др.

2. Основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Газовая защита создется диссоциацией мрамора (СаСОз). В качестве раскислителей используют ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. В состав этой группы входят электроды марок УОНИИ-13, CM-1I, ОЗС, МР и др. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало СаСО₃ и много CaF₂ (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей. Уменьшение доли мрамора в составе покрытия снижает окисление металла и уменьшает в нем содержание углерода. К электродам с такими покрытиями относятся ИМЕТ-4; ИМЕТ-8.

3. Рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила TiO₂ с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов. В качестве газообразующих веществ используются органические материалы (целлюлоза, декстрин) и карбонаты (MgCO₃, СаСОз). Раскислителем служит ферромарганец. Для повышения коэффициента наплавки в эти электроды вводят порошок железа. Типичные электроды с таким покрытием — электроды АНО-4, АНО-5, АНО-б.

4. Целлюлозные покрытия (Ц) построены на газообразующих веществах (целлюлоза). В некоторые покрытия этого типа вводят небольшие количества оксидов железа, марганца и титана. Для раскисления сварочной ванны добавляют ферромарганец и ферросилиций. Покрытия такого типа имеют электроды ОМА-2, применяемые для сварки сталей малых толщин, ВСП-1 (с железным порошком), ВСЦ-2.

В настоящее время продолжается работа по разработке новых малотоксичных электродов с пониженным содержанием флюорита (CaF₂) и пониженным содержанием марганца.

Общие требования к электродам: точность размеров, соосность покрытия и стержня, прочность сцепления покрытия с металлическим стержнем (сколы), гарантированные механические свойства наплавленного металла. Каждая партия электродов имеет соответствующий паспорт.

Рассмотрим металлургические процессы при сварке электродами различных групп.

Электроды группы А при сварке создают значительное количество газов (СО2; СО; H₂; H₂O) в результате разложение и окисления органических компонентов и обеспечивают хорошую защиту от атмосферного воздуха.

Содержание гематита Fе₂Оз в покрытиях этого типа требует значительного количества раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33% гематита и около 30% ферромарганца, что достаточно для восстановления почти всего железа, но все же в сварочную ванну переходит достаточное количество марганца.

Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки вследствие разложения мрамора СаСО₃, а оксид кальция СаО уходит на образование шлаковой системы основного типа СО — СаF₂. Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, СО₂, Н₂ и Н₂О. Пары воды выделяются из покрытия и во избежание появления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при температуре 470.. .520 К (до 570 К) .

Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. При сварке высокопрочных, жаропрочных сталей применяют покрытия с повышенным содержанием СаСО₃ (15...20%), увеличивая CaF₂ (60…80%). В этом случае удается избежать поглощения углерода сварочной ванной и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне (0,05.. .0,02%) С, как это требуется по техническим условиям. Недостаток этих электродов — малая устойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические сложности электродов группы Б несколько ниже, чем электродов группы А. Повышенное содержание СаF₂ вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции.

Электроды группы Р осуществляют защиту зоны сварки шлаками на основе ТiO₂, полевого шпата, магнезит, который, разлагаясь, дает большой объем СО₂, но, кроме того, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. Электроды этой группы обладают высокими технологическими свойствами — обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любомпространственном положении шва. Кроме того, рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла.

Электроды группы Ц с органическим покрытием содержат своем составе до 50% органических веществ (пищевая мука, целлюлоза) и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: ТiO₂, МnO₂. Для уменьшения влияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат СаF₂. Надежная газовая защита позволяет снижать относительную массу покрытия: К_п ≈ 20%. Технологические свойства электродов типа Ц (ОМА – 2, ВСЦ , ВСП)довольно высокие и их применяют при сварке в различных пространственных положений.