Джерелами надходження сірки і фосфору в зону зварювання слу-жать: флюси та електродні покриття, до складу яких входять со-тримають домішки сірки компоненти, наприклад марганцеві ру-ди, а також розплавлені основний і електродний метали.
Мал. 9.31. Зведена діаграма плав-кістки Fe - S, З - S, Ni - S
Механізм впливу примі-сей сірки на наплавлений ме-талл полягає в наступному. У сталях сірка утворює з залізом сульфід заліза FeS, темпера-туру плавлення якого з-ставлять 1 468 К, т. Е. Нижче температури плавлення сталі на "300 К. Сульфид заліза майже не розчиняється в твер-будинок залозі.
При кристалізації шва FeS виділяється з нього і з-единящей з іншими приймемо-ми у вигляді легкоплавку сірчано-стій евтектики (рис. 9.31) або у вигляді окремих включень
різного виду. Евтектики можуть бути подвійними або потрійними, наприклад:
- FeS + Fe (ГПЛ = 1 228 К);
- 2FeS - Si02 + FeS (ГПЛ = тисячу двісті п'ятьдесят три К).
В процесі спрямованої кристалізації металу шва, проте-розкаювана в інтервалі температур ликвидус-солидус, ці легко-
плавкі сірчисті евтектики відтісняються зростаючими кристаллитами металу шва до кордонів між кристаллитами і до місця їх стику (в центральній частині зварювальної ванни) і стають частиною так званих міжкристалічних прошарків. До моменту оконча-ня кристалізації металу шва такі межкристаллитного про-слойки можуть бути ще в рідкому стані (Т3 <Тс). Если возникнут растягивающие напряжения от усадки шва и временных сварочных деформаций в шве, то возможно появление на этих участках горячих трещин кристаллизационного типа (рис. 9.32).
Мал. 9.32. Макроструктура центру шва (х200) в зоні зрощення кристал-літів передніми гранями (в правій частині - гаряча тріщина)
Одночасна присутність в металі шва вуглецю і кремнію збільшує схильність шва до кристалізаційних тріщин в результаті зниження температури затвердіння лікватов і збіль-личен температурного інтервалу крихкості.
Ділянки швів з сірчистими лікватамі, що не руйнуються при кристалізації, мають знижені механічні властивості і по-потенційно схильні до руйнації як при високих, так і при низьких температурах.
Особливо шкідливо впливає сірка на властивості корозійностійких сталей і сплавів нікелю.
Для зниження вмісту сірки в металі шва потрібно вводити в зварювальну ванну такі елементи, які мали б до сірки більшу спорідненість, ніж залізо. Крім того, утворюються сульфіди цих елементів повинні відповідати таким вимогам: обла-дати більш високою, ніж у заліза або нікелю, температурою плав-лення і не створювати сульфідних легкоплавких евтектики. За степу-ні зростання хімічної міцності утворюються сульфідів, т. Е. Їх ентальпії, елементи, що вводяться для десульфурації зварюва-ної ванни, розташовуються в наступній послідовності: А1, Са, Na, Mn, Mg. Однак використання їх для зв'язування сірки опору-жено з труднощами, так як всі ці елементи мають і більш висо-кое спорідненість до кисню, т. Е. Зв'язуються їм в оксиди, практичні скі не видаляти з крісталлізующе-гося шва і утворюють включення. З числа перерахованих елементів най-більший інтерес з цієї точки зору являє марганець, оскільки:
Мал. 9.33. Зниження частки FeS в сульфидной фазі [FeS] / [MnS] при збільшен-ня концентрації [Мп] в стали
1) він має порівняно високу спорідненість до сірки;
2) як правило, він присутній в зварюються сталях в порівняно великих кількостях (0,5. 0,65%);
3) Мп мало розчинний в Fe і образу-ет тугоплавкий і пластичний сульфід MnS кулястої форми (ГПЛ = 1893 К), рівномірно розподіляються переваж-громадської в обсягах зерен;
4) при концентрації марганцю в ста-ли більше 0,6%, він сприяє перехо-ду сірки з FeS в MnS, т. Е. В шлак.
Марганець корисний головним чином як елемент, що переводить сірку в більш
сприятливу форму існування в сталі (рис. 9.33). Крім того, сульфід марганцю слабо розчинний в металі і добре в шлаку; тому він в значній кількості переходить в шлак. Що залишився в металі MnS розподіляється в дрібнодисперсному вигляді досить рівномірно в обсязі зерен і не утворює легко-плавких евтектики.
У зварювальної практиці пов'язують і видаляють сірку найчастіше двома способами: за допомогою Мп і МпО, а також СаО. Рассмот-рим перший з елементів-десульфуранти - марганець.
Основна реакція зв'язування сірки марганцем описується рівнянням
Перевага реакції (9.83) у порівнянні з реакцією (9.81) полягає в тому, що константа рівноваги Кс зростає зі збільшенням температури, т. Е. Зі зростанням температури реакція зсувається в сто-рону більшого виходу (MnS) і [FeO].
Розглядаючи реакції (9.81) і (9.83) спільно, можна отме-тить, що перетворенню FeS в MnS сприяють: найкраща раскіс-
лінь металу (т. е. зменшення [FeO]); збільшення утримуючи-ня марганцю в металі; висока концентрація (МпО) в шлаку. У вуглецевих сталях зазвичай ставлення [Mn] / [S] дорівнює 20. 25, що дозволяє уникнути кристалізаційних тріщин. У легованих сталях це співвідношення має бути істотно вище, щоб отримати шви без тріщин.
Другим елементом-десульфуранти служить кальцій. Введення кальцію дає такі позитивні результати.
По-перше, газоподібний кальцій активно реагує одночасним-аме з сіркою і киснем розплавленої сталі, утворюючи свойст-ються тільки йому специфічні сполуки - оксісуль - фіди. Навіть при дуже низькій концентрації в металі (не вище 0,0001%) кальцій внаслідок своєї поверхневої активності справляє помітний вплив на процес рафінування, особливо при спільному введенні кальцію і присадок рідкоземельних елементів - церію і лантану.
По-друге, при використанні кальцію як елемента-десуль - фуратора можливо зв'язування сірки вапном СаО. Ця реакція призводить до утворення дуже міцного і тугоплавкого сульфа-да кальцію, практично не розчинної в металі. Процес що протікають відповідно до реакцією
[FeS] + (СаО) <=± (CaS) + [FeO]. (9.85)
Константа рівноваги реакції (9.85) зростає зі збільшенням температури, при цьому процес інтенсивніше розвивається вправо - в бік освіти в шлаку CaS. Найкраще розкислення металу і введення в шлак окису кальцію сприятиме уменьше-нию змісту FeS в металі. Збільшення вмісту СаО в шлаку приводить до зростання константи розподілу L = (S) / [S], що забезпечує більш повний перехід сірки з металу в шлак.
Встановлено, що наявність кремнію і алюмінію в металі зна-ве прискорює процес десульфурації зварювальної ванни, при-ніж сірка видаляється одночасно з киснем. Це є наслідком як прямого випаровування сірки у вигляді сполук AI2S3 (температура сублімації дорівнює +1823 К) і SiS (температура сублімації дорівнює 1213 К), так і включення її до складу утворених шлако-вих частинок.
Фосфор, як і сірка, є шкідливою домішкою, погіршує механічні властивості стали, особливо при зниженій темпера-турі, т. Е. Що викликає її хладноломкость. Це пояснюється тим,
що в сталях фосфор утворює частково розчинні в фериті Фосфіди Fe3P (або Fe2P) по реакції
3Fe + P<=±Fe3P (15,63 % Р). (9.86)
Фосфор належить до сильно ліквірующіх домішок, ко-торие нерівномірно розподіляються в металі. Ликвацию фосфо-ра підсилює вуглець. При цьому можливе утворення легкоплав-кою евтектики потрійного типу Fe + Р + С, ще більш знижує міцність і пластичність шва в температурному інтервалі хруп -,
кістки в сталях (ГПЛ «1173 К). Особливо низькою є темпера-туру плавлення фосфідную евтектики (ГПЛ
923 К) і відпо-венно низькою є її стійкість проти утворення гарячих тріщин при зварюванні нікелевих сплавів. и
Видалення фосфору зі зварювальної ванни засноване на його окис-лення в складі фосфидов і подальшому зв'язуванні фосфорно-го ангідриду Р2О5 в міцне комплексне з'єднання, легко пере-ходить в шлак. Окислення фосфору розвивається в зварювальної ван-ні у відповідності з наступною реакцією:
2Fe3P + 5FeO <=* Р205 + 1 IFe. (9.87)
Потім йде процес зв'язування шлаком фосфорного ангідрит-да. В порядку зростання силі спорідненості до ангідриду Р2О5 основні та амфотерні оксиди можна розташувати в наступній послідовно-ності:
Fe203 -> АІ203 -> FeO -> МпО -> MgO -> CaO, (9.88)
т. e. найбільш активними по відношенню до фосфорному ангідриду є СаО, MgO і МпО. Запишемо рівняння реакції пов'язуючи-ня фосфорного ангідриду:
- найбільш активний процес
4СаО + Р205 <=> (СаО) 4 - Р205; (9.89)
- менш активний процес
4МпО + Р205 <=> (МпО) 4 • Р205. (9.90)
Для процесу видалення фосфору з зварювальної ванни, об'єд-нив, наприклад, рівняння (9.87 і 9.89), отримаємо
2Fe3P + 5FeO + 4CaO <=± (CaO)4 • P2O5 + 11 Fe. (9.91)
Константа рівноваги для цієї реакції дорівнює
([Fe3P] 2 (FeO) 5 (СаО) 4) '
звідки, вважаючи, що в стали [Fe] »1, отримуємо
З виразу (9.92) випливає, що при даній концентрації фос-фора в зварювальної ванні повнота його видалення в шлак буде зави-мережу від змісту в шлаку нижче речовин:
1) вільних оксидів СаО і FeO, зі збільшенням вмісту яких реакція (9.89) зсувається вправо, т. Е. В напрямку очищення металу від фосфору;
2) комплексної сполуки, що зв'язує фосфор, наприклад (СаО) 4 * Р205. Зменшення вмісту вільних оксидів і кому-комплексних сполук в шлаку сприяє очищенню металу від фосфору. Цього досягають розведенням шлаків відповідаю-ські нейтральними добавками, наприклад плавиковий шпат, який одночасно розріджує шлак, а також підвищує його загальну реакційну здатність.
При зварюванні в середовищі захисних газів видалення фосфору з ме-Таллах шва пов'язане з великими труднощами. Головним фактором збереження високих значень механічних властивостей є граничне зниження фосфору в основному металі, а в шві - пре -
де величина зі ^ е називається ленгмюровских або плазмової годину-тотой і є надзвичайно важливою характеристикою плазми. Природно, можна прийняти за тимчасової масштаб розділення зарядів величину, зворотну плазмової частоті, т. Е.
оскільки за проміжки часу t »т частки здійснять багато коливань біля положення рівноваги і плазма в цілому буде вести себе як квазінейтральності система.
Розглянемо тепер просторовий масштаб розділення зарядів. З простих фізичних міркувань ясно, що він повинен бути дорівнює відстані, на яке може зміститися обурення щільності заряджених частинок внаслідок їх теплового руху за час, що дорівнює періоду плазмових коливань. Визначений у такий спосіб просторовий масштаб розділення зарядів для плазми носить назву електронного дебаєвсьного радіусу Екран-вання Г £> е і грає у фізиці плазми фундаментальну роль. Він виражається в метрах і обчислюється за формулою
де ЄО = 8,85 • 10 Кл / (В • м) - електрична постійна, Ті і пе - відповідно температура, К, і концентрація, м, електронів.
Отже, для квазінейтральності плазми необхідно, щоб її характерні розміри L значно перевершували дебаевский ра-Діус екранування:
Тільки за умови (2.9) систему заряджених частинок можна вважати плазмою, т. Е. Матеріальної середовищем з новими якісно-ними властивостями. В іншому випадку виходить проста сово-
купность окремих заряджених частинок, до дослідження якої може бути застосована електродинаміка вакууму.
Приклад 2.1. Визначити дебаевский радіус екранування для високо - іонізованої плазми зварювальної дуги при умовах: р = 105 Па, Т = = 104 К, пе = 1024 м 3.
Рішення. Підставивши числові дані в формулу (2.8), отримаємо rDe
69л / і04 / 1024 - 6,9 • 10 "9 м.
Для даного випадку тільки в кубику газу із стороною менш як> / 2 -6,9х х 1 (Г9 м
11 нм можна визначити різницю концентрацій іонів і елек-тронів. Тому можна зробити висновок: в зварювальної дузі при атмосфер-ном тиску плазма квазінейтральності.
Дебаєвсьного екранування є статистичним поняттям і має місце тільки в тому випадку, коли в зарядженому хмарі на-ходиться досить багато частинок. Очевидно, що якщо хмара з-стоїть тільки з однієї або двох заряджених частинок, то дебаєвсьного екранування не застосовується. Використовуючи вираз (2.8), можна обчислити число частинок Np> e в «дебаєвської сфері»:
Noe = «7 * 4 = 1-38 • 106 J-. (2.10)
Щоб плазма мала колективні властивості, крім неравен-ства (2.9) повинна виконуватися умова
Специфічні особливості плазми можуть проявлятися тільки тоді, коли розподіл заряджених частинок в ній стає неоднорідним і виникають макроскопічні електромагнітні поля. Електромагнітні поля в плазмі можуть створюватися і зовн-ними джерелами, проте істотно, що ці поля впливають на характер розподілу і рух заряджених частинок в плазмі, індукуючи в ній заряди і струми, які, в свою чергу, самі ство-дають електромагнітні поля, змінюючи повне електромагнітне поле в системі. Відбувається так зване самоузгоджене вплив заряджених частинок і електромагнітного поля один на одного. Власне, в цьому і проявляються колективні властивості плазми.