Кристаллизация и перекристаллизация металла шва и околошовной зоны
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
«Дивногорский гидроэнергетический техникум имени А.Е. Бочкина»
РЕФЕРАТ
На тему: «Металлургические процессы при газовой сварке и резке.»
Выполнил студент группы 317 ______________ Фролова.А.И
Проверил преподаватель ______________ Клушкин.А.С
2019-2020 уч.год
Содержание
1. Реакции в расплавленном металле при сварке………………………………………3
2. Флюсы…………………………………………………………………………………..7
3. Кристаллизация и перекристаллизация металла шва и околошовной …………...10
Список источников………………………………………………………………………16
1 Реакции в расплавленном металле при сварке
В процессе сварки металл соприкасается с газами пламени, а вне пламени - с окружающей средой, обычно с воздухом. В результате этого взаимодействия металл подвергается изменениям, характер которых зависит от свойств металла, способа и режима сварки.
Наибольшим изменениям подвергается металл, расплавляющийся в процессе сварки. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле, а также может происходить обогащение его кислородом, а при некоторых условиях - водородом, азотом и углеродом (см. § 18). Так, при сварке стали, представляющей собой сплав железа с углеродом с присутствующими в виде примесей и добавок Mn, Si, S, Р, общая схема реакций в жидком металле сварочной ванны имеет вид, представленный на рис. 38.
|
|
|
Поступающая с кромок расплавляемого металла, а также образующаяся на поверхности жидкого металла закись железа растворяется в ванне и реагирует с различными элементами внутри сварочной ванны:
FeO + С = Fe + СО - 37,3 ккал/г·мол;
2FeO + Si = 2Fe + SiO2 + 63 ккал/г·мол;
FeO + Mn = Fe + MnO + 2,4 ккал/г·мол.
Вероятность протекания реакций раскисления в сварочной ванне определяется сродством различных элементов к кислороду и их количеством в сварочной ванне.
Обладая в конкретных условиях большим сродством к кислороду, чем железо, Mn, Si и С в реакциях (приведенных выше) могут связывать в сварочной ванне кислород: удалять его либо в виде газообразного продукта СО, либо неметаллических жидких или твердых соединений МпО, SiО2 и др. В металле ванны при этом уменьшается содержание кислорода - происходит раскисление. Такое раскисление называется осаждающим.
По мере уменьшения количества раскислителя в жидком металле вероятность его соединения с кислородом уменьшается и равновесное ему содержание кислорода увеличивается. Так, применительно к реакции (FeO + Mn = Fe + MnO + 2,4 ккал/г·мол) связь между равновесными количествами раскислителя Мn и закисью железа FeO (а следовательно, и кислорода в жидком металле) определяется формулой
|
|
|
[FeO] [Mn] = K = const
Качественно зависимость конечного содержания закиси железа (кислорода) в сварочной ванне при какой-то температуре показана на рис. 39.
На конечное содержание кислорода в ванне также будут влиять и количества Si, С, А1 и других раскислителей. При изменении температуры эта зависимость может смещаться либо в сторону ослабления действия раскислителя (вправо вверх), либо в сторону усиления его действия (влево вниз). Так, для экзотермических реакций раскисления марганцем и кремнием повышение температуры (+AТ) смeщает зависимость вправо вверх, при понижении температуры (-AT) - влево вниз. Углерод, дающий эндотермическую реакцию, при изменении температуры смещает эту зависимость в обратных направлениях.
В целом увеличение количества раскислителей в ванне способствует ее освобождению от кислорода. Это обстоятельство следует учитывать при сварке таких металлов, в составе которых раскислители практически отсутствуют (чистой меди, никеля высокой чистоты и др.), что приводит к возможности значительного окисления ванны при сварке.
|
|
|
Основным способом введения раскислителей для осаждающего раскисления является применение присадочного металла, содержащего такие составляющие. Так, например, в присадочный металл для сварки сталей обычно вводят повышенные по сравнению со свариваемым металлом количества Мn или Мn и Si.
При сварке нежелезных металлов и сплавов применяются и другие раскислители.
При сварке следует учитывать влияние водорода. При охлаждении сварочной ванны в расплавленном металле растворяется атомарный водород, который по мере понижения температуры стремится выделиться из раствора (рис. 40). Если охлаждение металла и затвердевание (кристаллизация) происходят достаточно быстро, выделившийся водород в виде отдельных газовых пузырей (обычно на дне ванны или на неметаллических включениях, находящихся в ванне) приводит к пористости или увеличивает поры, полученные от образования в ванне СО по реакции (первой). При дальнейшем охлаждении металла водород продолжает выделяться в оставшиеся полости и пустоты у границ зерен, создавая возможность разрыва спайности зерен. Это приводит к пороку - флокенам, особенно при сварке легированных закаливающихся сталей, а иногда и при сварке углеродистых сталей с несколько повышенным содержанием углерода.
|
|
|
При реакции водорода с окислами металлов в процессе кристаллизации могут также образовываться нерастворимые в металле пары воды:
МеО + Н2 = Me + Н2О
Это приводит к появлению внутренних надрывов (водородной болезни) и ухудшению механических свойств металла.
В пламени могут присутствовать SО2 или Р2О5, которые, взаимодействуя с расплавленным металлом, увеличивают в нем содержание S и Р, что может быть весьма вредным (в частности, увеличение содержания S приводит при кристаллизации к образованию горячих трещин). Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким загрязнениям (например, Ni в отношении S), количество вредных примесей в пламени необходимо сводить к минимуму, применяя только очищенный ацетилен.
2 Флюсы
В ряде случаев количество окислов, получающихся при сварке или пайке металлов, является столь значительным, что мешает получению хорошего сварного (или паяного) соединения.
С целью получения качественных соединений в таких случаях применяют флюсы. Флюсы - это вещества, которые вводятся в реакционное пространство при выполнении сварки или пайки для предотвращения окисления кромок твердого металла, извлечения из жидкого металла окислов и неметаллических включений, а иногда и для частичного ввода в расплавленный металл благоприятно действующих элементов. Будучи в основной своей части нерастворимыми в металле, расплавленные флюсы образуют на поверхности металла пленку шлака, предохраняющую его от непосредственного воздействия газов пламени и воздуха.
Освобождение металла от окислов воздействием флюса может быть осуществлено посредством физического растворения окислов, химического связывания окислов в комплексные соединения и введения посредством флюса раскислителей.
Принцип физического растворения можно представить следующим образом. Если расплавленный металл покрыт шлаком, состоящим из окисла этого же металла, то количество растворенного окисла в металле определяется константой распределения. Для каждого конкретного металла (Me) такая константа применительно к равновесию системы для постоянных условий (температуры жидкого металла и шлака) имеет определенную величину. Эта величина константы (LMeO) определяется отношением концентрации свободного окисла в шлаке (МеО)ш и его концентрации в расплавленном металле [МеО]м
LMeO = (МеО)ш / [МеО]м
В этом случае любая добавка к шлаку (даже инертной примеси) уменьшит концентрацию (МеО)ш, и часть окислов из металла перейдет в шлак, уменьшая соответственно [МеО]м. В качестве таких физических растворителей используется ряд галлоидных солей: CaF2, NaF и др.
Большое значение имеет химическое связывание растворимых в металле вредных окислов в комплексные нерастворимые в металле желательно более легкоплавкие соединения и соли. Так, FeO растворим в расплавленном Fe и оказывает вредное действие на металл. Являясь основным окислом, FeO может образовывать комплексные соединения с кислыми окислами, например с SiО2;
FeO+ SiО2 ↔ FeO · SiО2;
2Fe0 + SiО2 ↔ (FeО)2·SiО2. (42)
Эти комплексные соли нерастворимы в металле и уходят в шлак. Таким образом происходит раскисление металла, которое называется диффузионным.
Для того чтобы связать большее количество окислов основного типа, необходимо во флюсе (шлаке) иметь также большее количество свободных кислых окислов, а образующиеся комплексные соединения должны быть достаточно стойкими, не распадаться, не диссоциировать.
При газовой сварке и пайке в целях интенсификации связывания основных окислов (FeO, Cu2О и др.) в комплексные соединения обычно используют не относительно тугоплавкий кислый окисел SiО2, а окись бора В2О3. Для этого в состав флюсов вводят борную кислоту Н3ВO3.
Если при сварке сплава (например, чугуна) образуется значительное количество кислых окислов (SiО2 при окислении Si), то для их связывания надо вводить сильные основные окислы - основания (К2О, Na2О и др.). С этой точки зрения полезно введение в качестве флюса буры (Na2B407), которая при разложении выделяет Na2О.
В качестве основных флюсов также используются углекислые соли натрия и калия. Связывание кислых окислов можно видеть на примере следующей реакции:
2К2СО3 + SiО2 = (K2О)2 . SiО2 + 2CО2
Введение раскислителей посредством флюсов имеет место, например, при сварке меди, когда применяются фосфорнокислые легко распадающиеся при сварочных температурах соли. Освобожденный при этом фосфор восстанавливает окислы меди.
При сварке Al, Mg и сплавов на их основе раскислить окислы практически не удается, и для удаления А1203 и MgO применяются флюсы на базе галлоидных соединений щелочных металлов. Для того чтобы флюсы были достаточно активными при температурах процесса сварки (или пайки), они должны находиться либо в газообразном, либо в жидком состоянии, т. е. должны иметь температуру плавления ниже температуры процесса сварки (пайки).
Флюсы вводятся в реакционное пространство непосредственно (насыпаются рукой или ложкой) либо предварительно наносятся на кромки основного металла в виде раствора или пасты, либо вводятся совместно с присадочным металлом или припоем. Разработаны специальные устройства (например, КПФ-1-56 с горелкой ГАФ-1-56) для пневматической подачи порошкообразного флюса непосредственно в пламя.
Для сварки, наплавки и пайки некоторых цветных металлов и сплавов разработаны газообразные флюсы, представляющие собой легко испаряющуюся борорганическую жидкость, которая в виде дозированного количества паров смешивается с горючим газом, при его пропускании через бачок с жидкостью. В этом случае применяется специальная установка К.ГФ-1.
Флюсы, как правило, замедляют сварку, увеличивают ее стоимость и поэтому должны применяться только в тех случаях, когда без них нельзя получить доброкачественных соединений.
Кристаллизация и перекристаллизация металла шва и околошовной зоны
В процессе газовой сварки кроме расплавления металла сварочной ванны происходит нагрев и основного свариваемого металла до достаточно высоких температур, приближающихся к температуре плавления на границе раздела со сварочной ванной. Поэтому при сварке одновременно происходит ряд сложных процессов, связанных:
1) с расплавлением металла, его взаимодействием с газами и шлаками, а также последующей кристаллизацией;
2) с нагревом и охлаждением металла в твердом состоянии как в пределах шва, так и в основном металле, в зонах, прилегающих к шву.
Расплавленный металл сварочной ванны представляет в общем случае сплав основного и присадочного металлов. В результате воздействия газов пламени или флюсов расплавленный металл ванны иногда изменяет свой состав. По мере удаления сварочного источника тепла металл затвердевает (кристаллизуется) в задней части ванны. Как и во всех случаях сварки плавлением, кристаллизация металла осуществляется на зернах основного металла, выходящих на границу сплавления и являющихся как бы «подкладкой» для кристаллизующегося расплавленного металла.
Более медленный прогрев при газовой сварке по сравнению с дуговой сваркой приводит к большому росту зерен нерасплавленных кромок основного металла и, следовательно, к уменьшению их числа на единице поверхности границы сплавления в момент ее контакта с жидким металлом. Это уменьшает число зерен «подкладки», на которой кристаллизуется металл ванны, что способствует более крупнозернистому строению литого металла шва. Крупнозернистому строению первичной кристаллизации также способствуют умеренные скорости охлаждения при газовой сварке. Поэтому первичная структура при газовой сварке, как правило, является худшей, чем при дуговой сварке.
Несмотря на замедленную кристаллизацию ванны при газовой сварке ликвация в металле шва почти отсутствует, хотя некоторая слоистость в расположении ликвирующих примесей имеет место. В связи с этим химический состав металла сварного шва в различных микрообъемах при сварке в один проход можно считать примерно равномерным. Средний химический состав шва может быть определен по формуле: 
где [Х]м.ш, [Х]0.м, [Х]пр - концентрация элемента X соответственно в металле шва, основном металле и присадочном;
m - доля расплавленного основного металла в металле шва (рис. 41),
n - доля наплавленного присадочного металла в металле шва.
В связи с относительно незначительным окислительным влиянием газового пламени на выгорание различных примесей в металле формула (44) позволяет достаточно точно определить средний химический состав шва по всем элементам, кроме имеющих весьма большое сродство к кислороду (например, Al, Ti, С и в некоторой степени Si при сварке стали), содержание которых в шве обычно оказывается ниже, чем рассчитанное по формуле (44).
Закристаллизовавшийся металл сварочной ванны, образующий металл шва, имеет структуру литого металла с вытянутыми достаточно крупными кристаллитами, направленными от зерен-подкладок основного металла к центру шва.
Микроструктура металла швов, кроме того, зависит и от вторичных процессов перекристаллизации, определяемых как составом металла, так и скоростью его охлаждения после затвердевания.
Металл, не расплавлявшийся при сварке, т. е. оставшийся при сварке в твердом состоянии, но нагревавшийся до тех или иных температур, как правило, в определенной зоне меняет свою структуру. Всю область основного металла, изменившего в результате сварки свою структуру и свойства, называют зоной термического воздействия.
Рассмотрим как типичный случай изменение структуры в зоне термического воздействия при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Всю зону термического воздействия (влияния) можно разделить на ряд участков, характеризуемых различными структурами, определяемыми главным образом их максимальной температурой нагрева в условиях сварки.
Общая схема изменения структуры основного металла углеродистой стали с содержанием углерода -0,2% в зоне термического влияния показана на рис. 42. Изменения структуры связаны с диаграммой состояния Fe-С и кривой максимальных температур, достигаемых различными участками этой зоны при сварке.
Непосредственно к металлу шва прилегает участок зоны термического влияния, в котором металл нагревался ниже температуры ликвидус (температура полного перехода металла в жидкое состояние) и выше температуры солидус (температура появления начальных порций жидкости в твердом металле), т. е. при сварке металл в этом участке находился в двухфазном твердо-жидком состоянии. Ширина этого участка неполного расплавления зависит от температурного перепада солидус-ликвидус и интенсивности спада максимальных температур от шва в околошовную зону. При газовой сварке низкоуглеродистых сталей она составляет около 0,2 мм, а для стали, содержащей около 0,5% С, примерно 0,6 мм. Этот участок имеет, как правило, крупнозернистую структуру с видманштедтовой ориентацией ферритных выделений. По существу этот участок является переходным от металла шва к основному и его называют зоной или (при малой его ширине) границей сплавления.
Следующий за ним участок перегрева характеризует область металла, который не расплавлялся, но нагревался до температур, близких к солидусу (например, при сварке сталей выше 1100- 1200° С). Здесь происходит процесс перекристаллизации металла в твердом состоянии, и обычно этот участок имеет также крупнозернистое строение (даже у закаливающихся при сварке сплавов зерна неравновесной структуры в этой зоне являются достаточно грубыми).
Ширина этого участка при газовой сварке значительно больше, чем при дуговой сварке.
При сварке незакаливающихся сталей участок перегрева постепенно переходит в участок нормализации. Структура здесь дезориентирована даже при сварке прокатанного металла и мелкозернистая. При сварке сталей с малой критической скоростью охлаждения (закалки) этот участок и участки, расположенные ближе к шву, обычно имеют структуру закаленного металла и обладают относительно низкой пластичностью.
Еще дальше от шва расположен участок неполной перекристаллизации, имеющий в незакаливающихся сталях структуру с некоторым измельчением перлитных образований, а в закаливающихся - структуру неполной закалки.
Общая ширина участков околошовной зоны при газовой сварке сталей составляет примерно от 8 мм (при сварке металла малой толщины) до 25 - 28 мм (при сварке металла средних и больших толщин). Металл околошовной зоны в связи с изменением структуры в различных участках имеет различные механические свойства.
При сварке металла с напряженной структурой зона изменения структуры и свойств, как правило, распространяется в область и более низких температур и, следовательно, имеет еще большую ширину. Так, при сварке холоднокатаных сталей или холодно-штампованных деталей появляется участок рекристаллизации, ограничиваемый температурой нагрева около 500°С. Металл в этом участке крупнозернистый и легче разрушается, чем металл соседних зон.
При сварке предварительно закаленных деталей сварочный нагрев приводит к отпуску. Ширина участка отпуска закаленных сталей при сварке ограничивается температурой нагрева 200- 250° С. В этой зоне исходные свойства закаленного основного металла несколько снижаются.
Характер изменения структур других металлов и сплавов зависит от их состава, диаграммы состояния и состояния металла перед сваркой. Так, например, при сварке металлов и сплавов, не имеющих аллотропных превращений при нагреве до температур плавления и охлаждения, зона термического влияния характеризуется постепенным укрупнением зерна по мере увеличения максимальных температур при выполнении сварки (т. е. от основного металла к границе сплавления). Иногда в зоне термического влияния выпадают особые фазы-карбиды, интерметаллиды и пр.
Для улучшения структуры и свойств сварных соединений, выполненных газовой сваркой, в некоторых случаях применяется термомеханическая обработка (обычно горячая проковка швов) и общая или местная термообработка. Местная термообработка часто производится с применением нагрева пламенем той же сварочной горелки.
Список литературы
1 http://metallicheckiyportal.ru/articles/svarka/gazovaa_svarka/metallurgicheskie_p
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 84; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!