Образование эндотермических соединений

 

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов, для высоких температур характерно протекание реакций окисления азота воздуха, которая сопровождается поглощением тепла:

кДж/моль

ккал/моль.

«NO» может существовать в нераспавшемся виде в области низких температур. Она играет существенную роль как окислитель, и, по мнению некоторых исследователей, служит передатчиком азота расплавленному металлу.

1.2.2 Механизм насыщения жидкого металла газами

 

Насыщение расплавленного металла газами происходит как в каплях, так и в сварочной ванне.

В сварочной ванне процессы газонасыщения протекают менее интенсивно, чем в каплях, по двум причинам:

1) температура ванны ниже температуры капель;

2) для ванны отношение реакционной поверхности к объему намного меньше, чем для капель.

Если газ, растворившийся в жидком металле, находится в атомарном состоянии, то его растворимость в металле непосредственно следует закону Генри, т.е. содержание атомарного газа в металле находится в линейной зависимости от парциального давления этого газа в газовой среде. Растворимость двухатомных газов, находящихся в молекулярном состоянии, подчиняется закону квадратного корня: , где

- содержание газа в металле, см³/100г;

K – коэффициент пропорциональности;

P – парциальное давление молекулярного газа над жидким металлом, ат.

В большинстве металлов количество растворяющегося газа зависит от температуры металла:

, где

а и k – константы;

Е – теплота растворения;

Т – абсолютная температура.

Из уравнения следует, что с увеличением «Т» металла повышается и растворимость в нем газа, причем в каплях эта растворимость может достигать значительной величины. Однако нельзя забывать, что при температурах, близких к температуре кипения металла, растворимость газа заметно падает и с переходом металла в состояние кипения становиться равной нулю.

Механизм растворения газов в жидком металле слагается из отдельных, последовательно протекающих стадий:

1) адсорбции атомов газа поверхностью металла;

2) взаимодействия адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом – образования растворов и химических соединений, обычно эти процессы называют хемосорбцией;

3) отвода продуктов хемосорбции вглубь жидкого металла. Процессы адсорбции и хемосорбции протекают с очень большими скоростями. Скорость отвода продуктов хемосорбции вглубь металла меньше.

В отводе продуктов хемосорбции вглубь металла большую роль играет механическое перемешивание жидкого металла, протекающее с бурным выделением газов.

Рассмотренная схема растворения газов в металле получил название химического поглощения газов металлом.

При наличии электрического поля возможно и электрическое поглощение газов металлом. Такое поглощение наблюдается только у поверхности катода, в области активного пятна, куда внедряются положительные ионы газов, поступающие из столба дуги. Наличие у поверхности катода слоя положительных ионов повышенной концентрации приводит к их перемещению в объем металла диффузионным путем вследствие разности потенциалов.

(рис на обороте).

Степень развития электрического поглощение газов металлом зависит от величины катодного падения напряжения, состава газовой среды, тока и др.

В таблице приведены данные о растворении на катоде и аноде при использовании аргоно-азотной и гелиевой азотной смесей, подтверждающие сказанное.

Табл.1

Исслед. обл. и газы	Ток, А	Азот в каплях, вес %
На катоде Ar + 10% N2 He + 10% N2 На аноде Ar + 10% N2 He + 10% N2	300 – 310 300 – 320   300 – 310 300 - 310	0,018 0,074   0,016 0,016

 

 

1.2.3 Влияние кислорода на свойства стали

 

Кислород находится в металле шва как в растворенном состоянии, так и чистых окислов железа или в смеси с другими окислами. Кислород растворяется во многих металлах, в том числе и в железе. Железо с кислородом образует три окисла:

(закись, содержащую 22,7% О₂);

(закись-окись содержащую 27,64% О₂);

(окись, содержащую 30,06% О₂).

Из этих трех окислов только закись железа FeO растворима в железе и поэтому наиболее сильно влияет на его свойства; остальные окислы в железе не растворяются, могут в нем присутствовать только в виде отдельных включений и легко разлагаются при высоких температурах.

Установлено, что при температуре плавления железа предельная растворимость кислорода в железе составляет 0,16%, а при комнатной температуре – тысячные доли процента.

При комнатной температуре кислород находится в железе как в твердом растворе -Fe (в оксоферрите), так и в виде включений типа Fe₃O₄.

Максимальная растворимость в железе определяется по уравнению ; .

Наличие легирующих элементов в стали также влияет на растворимость кислорода. Наиболее сильно снижает растворимость кислорода в железе углерод, кремний.

Присутствие кислорода в сталях, наряду с окислением железа, вызывает непосредственное окисление ряда легирующих элементов, например:

,

,

.

 

Рис. 9.

Кроме того, параллельно могут идти реакции взаимодействия легирующих элементов и закисью железа, например:

,

,

.

Наличие кислорода в стали ухудшает все свойства металла как видно из рис., относительное удлинение и ударная вязкость с увеличением содержанием кислорода резко падает, причем особенно значительно снижается ударная вязкость.

Наряду с этим при увеличении содержания кислорода в стали

1) уменьшается стойкость против коррозии;

2) обнаруживается склонность к старению;

3) при содержании О₂>0,08% появляется склонность к хладноломкости и красноломкости;

4) усиливается рост зерен при нагреве;

5) ухудшается обрабатываемость резанием и ковка;

6) понижается магнитная проницаемость и увеличивается электрическое сопротивление.

 

1.2.4 Азот в жидких сталях и сварных швах

 

равновесная концентрация азота в расплавленном железе пропорциональна квадратному корню из парциального давления:

, где

– коэффициент пропорциональности;

- парциальное давление азота.

Молекула азота диссоциирует на атомы на поверхности металла, а затем растворяются в форме группировок, содержащих один атом азота. Растворимость азота зависит от состава металла и температуры.

О₂, S₂, C, Si, Ti – снижают растворимость азота;

Nb, Mn, Cr, V – повышают;

W, Mo, Al – мало влияют на растворимость азота в железе.

О₂, S₂ – являясь поверхностно-активными элементами в железе, снижают скорость поглощения азота.

При очень больших содержаниях кислорода на поверхности железа образуется тонкая окисная пленка, которая препятствует проникновению азота в металл.

Образование окиси углерода на поверхности металла снижает парциальное давление азота, препятствует контакту его с металлом и уменьшает скорость адсорбции азота.

Максимальная растворимость азота наблюдается при Т = 2570 – 2670 К и составляет 0,056%.

Диссоциация молекулярного азота существенно ускоряет процесс его растворения Н. М. Чуйко предложил формулу для расчета растворимости азота в которой учитывается степень диссоциации молекул газа в дуге:

,

где – общие парциальные давления атомарного и молекулярного газов;

α – степень диссоциации молекулярных газов.

В сварных швах на углеродистых сталях азот является вредной примесью. Повышенное его содержание в металле вызывает снижение пластичности, пористость швов, приводит к образованию трещин и других дефектов. В легированных сталях (хромоникелевых и хромоникелемарганцевых) азот используется в качестве легирующего элемента, повышающего стойкость аустенита. Источник азота при сварке – воздух.