Изучение процесса легирования

Металла при сварке под флюсом

Цель работы

Изучение процессов легирования стали марганцем и кремнием при автоматической сварке под флюсом.

 

Теоретическое введение

При сварке под флюсом сварочную ванну покрывает слой расплавленного шлака, предохраняющий расплавленный металл от непосредственного воздействия атмосферного воздуха. Кроме того, компоненты шлака могут вступать в обменные реакции с жидким металлом, изменяя его состав. Легирование марганцем, который является основным легирующим элементом в качественных сталях, связывающим серу в тугоплавкие сульфиды марганца, происходит по схеме

 

Шлак (MnO)↔ (Mn²⁺) + (O^2–) (Fe ²⁺) ↔ (FeO)

↑↓ ↑↓

Пограничный слой Mn²⁺ + Fe ⁰ ↔ Mn⁰ + Fe ²⁺ (9.1)

↑↓ ↑↓

Металл [Fe] [Mn] [FeO]

 

Здесь символ химического вещества в круглых скобках означает его наличие в шлаке, а в квадратных – в металле.

Равновесная концентрация марганца

 

. (9.2)

 

Содержание марганца в металле увеличивается с повышением температуры, увеличением в шлаке концентрации MnO и уменьшением концентрации feO.

Процесс легирования кремнием протекает по аналогичной схеме

 

Шлак (SiO₂)↔ (Si⁴⁺) + 2(O^2–) 2(Fe ²⁺) ↔2 (FeO)

↑↓ ↑↓

Пограничный слой Si ⁴⁺ + 2Fe ⁰ ↔ Si ⁰ + 2Fe ²⁺ (9.3)

↑↓ ↑↓

Металл 2[Fe] [Si] 2 [FeO]

 

Состав флюса АН-348А, приведенный в табл. 9.1, создает благоприятные условия для легирования марганцем и кремнием, которое происходит в основном в высокотемпературной области (капли электродного металла).

Таблица 9.1

Состав флюсов

Марка флюса	Содержание компонентов, %
SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	CaF2
АН-348А АН-30	41¸43 2¸5	2,5 39¸44	5,5 16¸20	5,5¸7,5 13¸16	34¸38 ≤0.5	6,0 19¸23

 

В низкотемпературной области (хвостовая часть ванны) реакции легирования сменяются на реакции раскисления

 

[Mn] + [FeO] ↔ [MnO] + [Fe],

(9.4)

[Si] + 2[FeO] ↔ [SiO₂] + [Fe].

Однако при температурах кристаллизации основная часть FeO бывает уже извлечена шлаком, а скорость реакции раскисления значительно ниже, чем легирования в высокотемпературной области (действует кинетический фактор). Следовательно, при кристаллизации всегда наблюдается остаточное легирование.

9.3. Краткие сведения о спектральном анализе

Спектральный анализ является одним из методов определения химического состава веществ. В его основе лежит изучение линейчатого спектра излучения, испускаемого или поглощаемого веществом при высоких температурах, в котором присутствуют спектральные линии, характерные для атомов, имеющихся в пробе. Разложение света на спектр осуществляется с помощью спектральных аппаратов.

Для качественного анализа веществ используются стилоскопы, в которых в окуляр наблюдается присутствие в линейчатом спектре линий элементов, содержащихся в пробе.

 

9.4. Оборудование и материалы

1. Стилоскоп СЛП-1.

2. Сварочный автомат ТС-35 с трансформатором ТДФ-1001.

3. Заготовки из армко-железа 5´ 30 ´ 80.

4. Проволока сварочная Св-08А Ø 2,0.

5. Флюсы Ан-348А и АН-26.

Методика проведения

1. Ознакомиться с устройством сварочного автомата ТС-35 и принципом его работы.

2. Провести наплавку валиков длиной 4–5 см на пластины из армко-железа под флюсами АН-348А и АН-26. Тщательно зачистить образцы от шлака. Зачистить шкуркой небольшой участок наплавленного металла.

3. Отрезать конец электродной проволоки с закристаллизовавшейся каплей металла на конце. Зачистить каплю шкуркой.

4. Ознакомиться с устройством и порядком работы на стилоскопе. Качественным спектральным анализом показать переход легирующих элементов в металл шва и каплю электродного металла.

 

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Схемы легирования марганцем (1) и кремнием (3).

3. Порядок выполнения работы.

4. Выводы.

9.7. Контрольные вопросы

1. Какие компоненты вводятся во флюс для легирования наплавленного металла кремнием и марганцем?

Лабораторная работа № 10

Изучение процесса первичной

Кристаллизации сварного шва

Цель работы

Изучение процессов, протекающих при кристаллизации сварочной ванны методом моделирования.

 

10.2.Теоретическое введение

Под воздействием термического цикла сварки происходит процесс образования структуры металла, в котором выделяются две стадии:

— первичная кристаллизация при переходе металла из жидкого состояния в твердое;

— вторичная кристаллизация в результате превращений в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого состояния в твердое. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной энергии F материала с понижением температуры. При температуре ниже критической (Тпл) меньшей свободной энергией обладает вещество в твердом состоянии (рис.10.1).

 

Рис. 10.1. Зависимость свободной энергии F от температуры

 

При критической температуре плавления равновероятно как жидкое, так и твердое состояние. Однако для начала кристаллизации требуется некоторое переохлаждение ΔТ. При кристаллизации протекают одновременно два процесса:

― образование центров кристаллизации или зародышей;

― рост из них кристаллитов.

Образование зародыша возможно, если разность объемной свободной энергии Δf_V больше энергии для образования поверхности зародыша Е_σ. Избыток свободной энергии выделяется в виде скрытой теплоты кристаллизации.

В чистых металлах при идеализированной кристаллизации имеет место гомогенная кристаллизация, когда зародыши образуются из флуктуаций жидкой фазы. Для гомогенной кристаллизации требуется достаточно большое переохлаждение. В реальных условиях сварки преобладает гетерогенный тип кристаллизации при малых переохлаждениях, когда готовыми центрами кристаллизации служат оплавленные зерна основного металла, а также тугоплавкие частицы в расплаве.

Кристаллизация при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом тепла в основной металл. В результате в сварном шве образуются кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва (рис.10.2).

 

 

Рис. 10.2. Схема роста кристаллитов в сварочной ванне

 

Кристаллизация при сварке имеет следующие особенности:

1. Наличие центров кристаллизации в виде зерен основного металла по границе сплавления.

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты от источника, скорость движения которого определяет скорость фронта кристаллизации.

3. Малый объем и время существования ванны, большие скорости роста кристаллитов.

4. Значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва.

5. Интенсивное перемешивание расплавленного металла.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

 

Под влиянием конкретных условий сварки в различных областях шва могут быть получены различные типы первичной структуры – столбчатая или дендритная, а также промежуточные варианты.

Наиболее важные параметры, влияющие на первичную структуру – скорость кристаллизации v_кр и градиент температуры gradT. Градиент температуры можно повысить, увеличив тепловую мощность или понизить за счет предварительного подогрева. Скорость кристаллизации пропорциональна скорости сварки.

Градиент температуры и скорость кристаллизации обобщаются критерием . Характер структуры зависит от критерия Ф и концентрации легирующего элемента (или примеси) С (рис.10.3). С увеличением скорости сварки и степени легирования возрастает вероятность образования дендритной структуры.

 

 

Рис. 10.3. Зависимость типа кристаллитов от Ф и С.

Структуры со столбчатыми кристаллитами вызывают анизотропию свойств и в некоторых направлениях возможно ослабление механических свойств. Более предпочтительна равновесная структура.

Подавление столбчатой структуры с целью получения равновесной осуществимо следующими способами:

1. Введение элементов модификаторов (титан, РЗМ) с целью создания в объеме сварочной ванны дополнительных центров кристаллизации.

2. Введение элементов, образующих избыточные фазы в твердом растворе (карбиды, α – фаза).

3. Воздействие на ванну ультразвуковых, механических, электромагнитных колебаний.

4. Термомеханическая обработка сварных швов.