§ 13. Загрязнение металла шва

В процессе нагрева при сварке молекулы кислорода, азота и водорода, содержащиеся в воздухе, распадаются на атомы и ионы. В атомном состоянии они обладают высокой химической активностью и сравнительно легко образуют химические соединения с элементами, входящими в состав стали. В свою очередь, химические соединения могут растворяться в железе, составляющем основу стали. Способность растворения химического соединения в железе тем выше, чем больше температура нагрева и меньше содержание углерода в стали. Например, закись железа FeO при температуре плавления железа 1539°С растворяется в железе до концентрации 0,21% кислорода, нитриды железа Fe₄N и Fe₂N - до 0,065% азота, атомарного водорода - 0,0008%, сульфида железа FeS - до 0,7% серы, также много растворяется в железе фосфидов Fe₃P, Fe₂P, FeP.

Растворимость этих соединений еще больше при температуре кипения железа, равной 2735°С.

Если смесь этих растворов внезапно охладить до комнатной температуры, то вся масса металла будет находиться в состоянии перенасыщенного твердого раствора, обладающего весьма большой хрупкостью.

Однако с течением времени из твердых растворов выпадают отдельные компоненты. Они образуют новую структуру, отличающуюся от структуры основного металла.

Распад любого твердого раствора в течение длительного времени называют химическим старением металла. Обычно оно сопровождается снижением вязкости и пластичности металла и в этом отношении является вредным процессом. Поэтому нельзя допускать насыщения сварного шва вредными примесями, находящимися в растворе.

Источниками насыщения шва вредными веществами служит окружающий воздух, ржавчина, масло, влага, минералы, входящие в состав сварочных материалов, химические соединения, образующиеся в процессе взаимодействия сварочных материалов с расплавленным металлом.

Борьба с загрязнениями металла шва производится в процессе образования капель на торце электрода, при переносе капель в сварочную ванну и в самой сварочной ванне в процессе нагрева и охлаждения ее. Применяются физический и химический способы борьбы с загрязнениями металла шва.

Физический способ борьбы с загрязнениями заключается в сушке и прокаливании сварочных материалов для удаления из них влаги, а следовательно, кислорода и водорода, в удалении ржавчины, масла и влаги с поверхностей свариваемых деталей; в создании газовой и шлаковой оболочек вокруг дуги, препятствующих проникновению воздуха.

Химический способ борьбы с загрязнениями состоит в раскислении металла сварочной ванны, а также в удалении сульфидов, фосфидов, нитридов и водорода при помощи химических реакций. В результате этих реакций образуются новые химические соединения, нерастворимые в железе и переходящие в сварочный шлак.

Раскислителями являются либо чистые материалы (С, Al), либо ферросплавы (FeMn, FeSi, FeTi и др.), либо кислые окислы (SiO₂, TiO₂ и др.), а также восстановительные газы (СО, H₂). Тогда закись железа FeO, способная растворяться в железе, переводится в нерастворимое химическое соединение по следующим формулам :

или

где MeO и FeO o SiO₂ - нерастворимые вещества.

Растворимый сульфид железа FeS в результате реакции FeS+CaO→CaS+FeO заменяется нерастворимым сульфидом кальция CaS, который при малой скорости охлаждения всплывает наверх и переходит в сварочный шлак.

При высоких скоростях охлаждения нерастворимые соединения, содержащие кислород, азот, водород, серу и фосфор, внесенные сварочными материалами или из воздуха, могут остаться в шве в виде окислов, нитридов, газов, сульфидов и т. п. и тем самым ухудшить механические свойства металла шва. Но отрицательное влияние этих примесей меньше тех, которые находятся в растворе.

Различные загрязнения (неметаллические включения) удаляются из металла шва флюсами-растворителями, вводимыми в состав сварочных материалов (проволока, покрытия штучных электродов, флюсы, порошки в порошковой проволоке и т. д.). Флюсы-растворители образуют с загрязняющими веществами легкоплавкую механическую смесь, имеющую низкую удельную плотность. Она легко всплывает наверх и переводит вредные вещества из металла шва в шлак.

Хорошим флюсом-растворителем, который часто применяется в сварочных материалах, является плавиковый шпат (CaF₂).

Плавиковый шпат также и химически взаимодействует с азотом и водородом, образуя нерастворимые в железе вещества, которые удаляются из сварочной ванны в шлак. Атомный фтор, выделяющийся из фтористого кальция при высокой температуре, соединяется с атомным азотом или с атомным водородом и образует фтористый азот NF или фтористый водород HF, которые не растворяются в железе и легко удаляются из металла шва в шлак (NF) и в виде газа (HF) в атмосферу.

Химическим взаимодействием между жидким металлом и неметаллическими веществами можно не только очищать металл от загрязнений, но и легировать его. Под легированием понимают введение в металл шва различных элементов (хром, никель, марганец и др.), которые придают ему заданные свойства (прочность, вязкость, коррозионную стойкость и др.).