Сера и ее удаление из металла шва

Содержание серы в металле в количестве, превышающем допустимые нормы, отрицательно сказывается на его механических свойствах, служит причиной красноломкости металла и появления в нем кристаллизационных трещин.

Сера образует с железом сульфид железа FeS, который имеет температуру плавления 1195^оС. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе и выделяется в нем или в виде эвтектики, или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектики могут быть двойные, либо тройные (FeS + Fe - t_пл=985^oC; 2FeOּSiO₂ + FeS; Fe +FeS + MnS – t_пл = 980^oC).

В процессе кристаллизации металла, протекающем в интервале температур Т_ликв. – Т_солид., эти сернистые эвтектики оттесняются растущими кристаллами шва с границами между ними и месту стыка кристаллов – в центральную часть сварочной ванны и являются частью так называемых межкристаллитных прослоек.

К моменту окончания кристаллизации металла шва также межкристаллитные прослойки могут еще находится в жидком состоянии. Тогда возникновение заметных по величине растягивающих напряжений в шве может вызвать появление на этих участках кристаллизационных или горячих трещин. Одновременное присутствие в металле углерода и кремния увеличивает склонность швов и к кристаллизационным трещинам.

Для удаления серы из металла и благоприятного распределения оставшейся ее части необходимо вводить в сварочную ванну такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо.

Образующиеся сульфиды должны обладать высокой температурой плавления и не создавать эвтектик..

В сварочной практике связывают и удаляют серу двумя способами: с помощью Mn и MnO, а также CaO.

Сера образует с марганцем прочный сульфид MnS, с температурой плавления около 1620^оС. MnS слабо растворим в металле и хорошо в шлаке, поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле сульфид марганца распределяется в мелкодисперсном виде достаточно равномерно и не образует легкоплавких эвтектик.

Основной реакцией связывания серы марганцем является

1). (*)

.

Эффективность связывания серы в сульфид марганца по такой реакции мала, т.к. в направлении направо она развивается заметно лишь при пониженных температурах, когда скорости протекающих процессов весьма замедляются. В итоге в металле шва оказываются значительные количества FeS.

Поэтому реакция (*) дополняется второй

2).

; .

Для реакции (1) К_С растет с увеличением температуры, т.е. реакция сдвигается в сторону большего выхода (MnS) и [FeO].

Превращение FeS в MnS способствуют:

а) лучшая раскисляемость металла;

б) увеличение содержания марганца в металле;

в) высокая концентрация (MnO) в шлаке.

При отношении трещин кристаллизационных нет.

Содержанию серы 0,03% при отношении должна отвечать концентрация [Mn] = 0,75% и [C +Si] = 0,5.

3). Связывание серы известью основано на образовании прочного сульфида кальция, практически нерастворимого в металле.

.

С увеличением температуры процесс интенсивнее идет вправо, в сторону образования CaS.

Наличие Si и Al в металле значительно ускоряет процесс его десульфации, причем сера удаляется одновременно с кислородом. По-видимому, это является следствием как прямого испарения серы в виде Al₂S₃, SiS, так и включая ее в состав образующихся шлаковых частиц.