Принципова схема та сутність процесу стикового зварювання оплавленням

 

Зварювання оплавленням - стикове зварювання, що відбувається з розігрівом металу стиків до оплавлення і наступним осаджуванням. Зварювання відбувається за наступною схемою.

Деталі спочатку затискують у електродах-губках, потім на них подається напруга від зварювального трансформатора і тільки після цього повільно переміщують одну з деталей назустріч іншій з потрібною швидкістю для їх зіткнення (див. рис)

 

 

а – стик під час оплавлення; б – стик осаджування; 1 – електроди-губки; 2 – деталі, що зварюються; 3 – грат; 4 – перемичка рідка; Т – трансформатор зварювальний; - зусилля осаджування; - швидкість осаджування; - швидкість оплавлення; - встановлювальна довжина; - струм іскри; , - припуски на оплавлення та осаджування

Рис. Схема стикового зварювання безперервним оплавленням:

 

В момент виникнення первісного контакту в окремих точках торців крізь нього (при незначному зусиллі стиснення) проходить струм високої густини. В результаті цього метал контактів-перемичок миттєво розігрівається до температури кипіння та випарювання і вибухоподібно руйнується. Під час вибуху частина металу перемичок викидається із стику у вигляді іскор та бризок.

Процес виникнення рідких перемичок та їх руйнування проходить безперервно до виникнення на торцевих поверхнях деталей рівномірного шару розплавленого металу.

Метал деталей нагрівається поступово внаслідок передачі тепла від іскрового зазору.

Контактний опір деталь-деталь при зварюванні оплавленням називається опором оплавлення. Величина його залежить від розмірів та кількості рідких перемичок, властивостей оксидних плівок на їх поверхні, величини перерізу деталей, від властивостей металу, що зварюють і т. ін.

На опорі оплавлення генерується до 85…90 % тепла із загального, що виділяється між електродами. На кінцевій стадії оплавлення кількість рідких перемичок зростає і збільшується їх провідність. Власний опір деталей на встановлювальній довжині під час зварювання монотонно зростає. Тому тільки на кінцевій стадії опір металу деталей може помітно впливати на процес тепловиділення.

Після прогріву деталей на потрібну глибину при оплавленні і наявності шару рідкого металу на всій площині торців деталей їх стискують з підвищеною швидкістю осаджування зусиллям осадки. При осаджуванні рідкий метал разом із оксидами і іншими забрудненнями витискуються із стику у ґрат.

Таким чином металеві зв'язки у з'єднанні починають формуватися у рідкій фазі, а закінчують у твердій.

Внаслідок використання відносно жорстких режимів зварювання якісні з'єднання виникають при відношенні кінцевої площі перерізу стику до площі деталей до зварювання , при якому обновлення поверхонь торців наближується майже до 100 %.

З'єднання деталей більших перерізів, коли виявляються недостатніми електрична та механічна потужності обладнання, здійснюється зварюванням оплавленням з попереднім підігріванням.

Кінці деталей при цьому способі спочатку підігрівають аналогічно зварюванню опором - їх періодично стискують невеликим осьовим зусиллям і вмикають струм, що викликає виділення тепла у контакті деталь-деталь, та розмикають і розводять. Після підігрівання стиків до потрібної температури виконується з'єднання безперервним оплавленням за схемою зварювання оплавленням. Закінчується процес осаджуванням. Осадка потрібна для витіснення із стику розплавленого та перегрітого твердого металу, що є забрудненим оксидами, та для виникнення металевих зв'язків між деталями. При осаджуванні деформація металу допомагає реалізуватися процесу рекристалізації.

Для зварювання деталей з великим перерізом науковцями ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України розроблено два способи, що роблять більш ефективним підігрів під час оплавлення: зварювання з імпульсним оплавленням і з програмним регулюванням напруги зварювання під час оплавлення.

При імпульсному оплавленні на головне поступове переміщення рухомої плити зварювальної машини накладаються додаткові механічні коливання з частотою 3…45 Гц і амплітудою 0,1…0,8 мм. Імпульсне оплавлення локалізує нагрівання, розширює зону високих температур в деталях, запобігає швидкій кристалізації рідкого металу, зменшує потужність, що споживається під час зварювання, припуск та тривалість оплавлення в 3…4 рази та підвищує швидкість оплавлення.

Зварювання з програмуванням напруги (при незмінній швидкості оплавлення) потребує підвищеної початкової напруги для збудження оплавлення. Після виникнення стійкого оплавлення напругу зменшують до мінімально можливих значень, які можуть забезпечити стійке оплавлення.

У кінці оплавлення перед осадкою напругу холостого ходу зварювального трансформатора на деякий час підвищують для збільшення локальної стійкості процесу.

При програмному регулюванні напруги у 3…5 разів знижується потужність зварювання та в 1,5…2 рази - тривалість зварювання.

 

 

Незважаючи на це способи зварювання тиском значно розширюють область застосування зварювання, дозволяючи зварювати між собою різнорідні метали, з'єднання яких зварюванням плавленням неможливо, неметалеві матеріали з металами, і різко підвищують продуктивність в умовах масового виробництва.

 

Основні труднощі при всіх способах зварювання тиском полягає в тому, що треба забезпечити фізичний контакт між сполучаються поверхнями і активувати їх так, щоб залишкова деформація деталей (вм'ятини, грат) була мінімальною.

Контактне зварювання (електрична контактна зварка) - це процес утворення нероз'ємних з'єднань конструкційних металів шляхом їх короткочасного нагрівання електричним струмом і пластичного деформування зусиллям стиснення.

Родоначальник контактного зварювання - англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін), який у 1856 р. вперше застосував стикове зварювання. В 1877 р. в США Эліху Томсон самостійно розробив стикове зварювання і впровадив її в промисловість. В тому ж 1877 р. в Росії Н.Н.Бенардос запропонував способи контактного точкового і шовного (роликового) зварювання. На промислову основу в Росії контактна зварка була поставлена в 1936 р. після освоєння серійного випуску контактних зварювальних машин.

Контактне зварювання відноситься до комбінованих (термомеханічним) способів зварювання.

Майже на всіх мовах такий спосіб називається електричним зварюванням опором, причому мається на увазі омічний опір провідника проходженню електричного струму, що грає велику роль в цьому процесі. У російській мові більш вживано назву «електрична контактна зварка», підкреслює провідну роль у даному процесі електричного контакту між зварюваними деталями.

Контактне зварювання дуже широко поширена в промисловому виробництві, що обумовлено наступними її перевагами:

- високою продуктивністю, яка визначається можливістю вести процес з споживанням великої електричної потужності;

- широкою можливістю автоматизації складально-зварювальних робіт, що дозволяє порівняно просто вбудовувати машини контактного зварювання (або зварювальну частина машини) в потокові складально-зварювальні лінії;

- високою і стабільною якістю зварювання, практично не залежить від кваліфікації зварника;

- відсутністю потреби у спеціальних технологічних матеріалах (присадочний дріт, флюси, гази тощо);

- відносно високою культурою виробництва й сприятливими умовами праці.

Класифікація контактного зварювання.

Всі способи контактного зварювання класифікують по ряду ознак (рис.1):

- за формою зварного з'єднання - точкове, рельєфне, шовне, стикове;

- по конструкції з'єднання (напускове або стикове);

- станом металу в зоні зварювання - з розплавленням металу і без розплавлення;

- за способом підведення струму - одно - і двостороннє;

- по роду зварювального струму і формі імпульсу струму (змінний - промислової, підвищеної і зниженої частоти, постійний, уніполярний - струм однієї полярності із змінною силою протягом імпульсу);

- по числу одночасно виконуваних сполук - одноточкове, двоточкове, багатоточкове, зварювання одним або декількома швами тощо;

- за наявності додаткових зв'язуючих компонентів (клею, грунту, припою і ін);

- за характером переміщення роликів при шовному зварюванні - безперервне (з постійним обертанням роликів) або крокове (із зупинкою роликів на час зварювання).

 

Контрольні питання

1 На які групи можна поділити способи зварювання за технологічними

ознаками? Поясніть.

2 Що таке контактне зварювання?

3 Назвіть родоначальника контактного зварювання.

4 Назвіть переваги контактного зварювання.

5 За якими ознаками класифікують контактне зварювання?

 

В контакті двох металевих поверхонь дія міжатомних сил притягання починається на відстані (4 ÷ 5) 10^-10 м. При обробці з найвищою точністю створюються мікро шорсткості (0,3 ÷ 1) 10^-6 м. Отже, зіткнення під малим тиском, без помітних пластичних деформацій, дає можливість атомної взаємодії лише в окремих мікро виступах. У зазорах встановлюються тільки адгезійні зв'язки між металом і газовими або рідинними молекулами адсорбційних нашарувань. Для здійснення розвиненого схоплювання, а надалі й зварювання необхідно щоб за допомогою дії високого тиску, метал в деякому обсязі навколо площини контакту повинен бути доведений до пластичних деформацій, або такого нагріву, який призводить до збільшення активності і рухливості частинок кристалічної решітки при одночасній дії і деякого тиску. Обидва процеси - і пластичного деформування, і нагрівання - створюють таку загальну концентрацію енергії в зоні зварюваного контакту, яка забезпечує перебудову поверхневих шарів твердих тіл, що контактують між собою, а також більш повільні вторинні процеси взаємної дифузії, рекристалізації та інші процеси, які протікають вже спонтанно і вимагають значно менше енергії, ніж робота деформування для утворення майданчиків безпосереднього контакту твердих тіл. При зварюванні тиском може відбуватися цілий ряд складних фізичних процесів: дифузія, рекристалізація, повзучість, утворення і переміщення дислокацій, вакансій та міжвузлових атомів. Сучасна технологія зварювання тиском базується на досягненнях фізики і хімії твердого тіла, використовує закони протікання високотемпературних твердофазних процесів при контактуванні з'єднуваних матеріалів. Область застосування зварювання тиском надзвичайно широка - це авіація та космонавтика, машино - і ракетобудування, транспорт і зв'язок, електроніка й електротехніка, медицина та приладобудування.

Зварювання тиском - це спосіб отримання нероз'ємного з'єднання деталей шляхом їх спільного пластичного деформування.

 

Міжатомна взаємодія.

Міжатомна взаємодія може спостерігатися як між окремими вільними атомами, так і між атомами, що входять до складу однієї або різних молекул, кристалів. Міжатомна взаємодія може бути: 1) нековалентним; 2) іонним; 3) металевим; 4) типу водневого зв'язку; 5) ван-дер- Вальсова. Взаємодія перших трьох типів є причиною утворення хімічних зв'язків у молекулах, атомних і іонних кристалах, металах і сплавах. Зв'язки цих типів часто реалізуються при зварюванні тиском. Так, при зварюванні тиском металів з ​​неметалами можуть виникати зв'язку на основі іонного і ковалентного взаємодії, а при зварюванні металів і сплавів на їх основі - за рахунок металевого зв'язку. 1. Ковалентне міжатомна взаємодія виникає в результаті усуспільнення валентних електронів парою сусідніх атомів. Усуспільнення веде до формування спільної для зв'язують атомів електронної пари. Залежно від числа виникають таким чином електронних пар розрізняють прості (одна електронна пара) і кратні зв'язки. При утворенні ковалентного зв'язку з однакових атомів розподіл електронної щільності в орбиталях, що пов'язують електронні пари, суворо симетрично щодо обох атомних центрів (неполярні зв'язку). Якщо ковалентні зв'язку утворені атомами з різною електронегативністю, то електронне хмара зміщена в бік більш електронегативного атома (полярні зв'язку). Різновидом ковалентного зв'язку є донорно- акцепторні зв'язок, яка утворюється при наявності угруповань, в яких число зв'язків, що утворюються центральними атомами, перевищує їх формальну вищу валентність. Виникнення донорно- акцепторного зв'язку обумовлено передачею електронної пари з цілком заповненою орбіталі донора на вакантну орбіталь акцептора і утворенням загальної зв'язує молекулярної орбіталі. Прикладом такої взаємодії можуть служити сполуки перехідних металів через шари нижчих оксидів з оксидами скла або кераміки. Так, оксиди марганцю (MnO, Mn2O3, MnO2) по відношенню до кремнезему SiO2 і оксиду алюмінію Al2O3 будуть донорами електронів. Це підтверджує можливість розробки технології одного із способів зварювання тиском дифузійної зварювання різних металів з ​​керамічними матеріалами на основі нітридних, карбідних, фторидних та інших з'єднань. 2. Іонна зв'язок - це тип хімічного зв'язку, енергія якої визначається майже виключно кулоновскими силами тяжіння протилежно заряджених іонів. Іонна зв'язок обумовлена ​​перенесенням електронів з одного атома на інший і електростатичним взаємодією що утворилися в результаті цього перенесення іонів. Воно характерне для з'єднання металів з ​​найбільш типовими металоїдами, наприклад, NaCl, Al2О3. 3. Металева зв'язок характерна для чистих металів та їх сплавів і обумовлена ​​наявністю електронів провідності, вільно рухаються в решітці металу. Ці електрони електростатично взаємодіють з позитивно зарядженими атомами металів, скріплюючи їх один з одним. Металева зв'язок на відміну від ковалентного і іонної є нелокалізованной і ненаправленої. 4. Водневі зв'язки можуть утворитися всередині молекул і між молекулами в основному в газоподібному стані. При зварюванні тиском цей вид зв'язку не реалізується. 5. Ван -дер- Вальсова взаємодія обумовлює міжмолекулярні зв'язки. Така взаємодія називають слабкою хімічною взаємодією. Воно розглядається як проміжна, незавершена стадія сильнішого хімічної взаємодії. Сполуки, в яких значні площі контакту мають незавершену фазу міжатомної взаємодії, вважають ненадійними, що мають низькі міцнісні властивості. Ван -дер- Вальсова сили відіграють важливу роль при утворенні структур інертних і двуатомних газів в твердому стані, будучи єдиними силами, які утримують атоми і молекули в кристалі. Енергія ковалентного, іонного і металевого міжатомної взаємодії відповідає ~ 102 кДж / моль, в той час як енергія ван-дер- Вальсова взаємодії становить 0,1 1 кДж / моль.

Контрольні питання: 1. Яке сучасне уявлення про будову атома? 2. Які основні особливості рівняння Шредінгера? 3. На які групи можна розділити хімічні елементи? 4. Чим визначаються хімічні властивості елементів? 5. Як відрізняються радіуси іонів і нейтральних атомів? 6. Які види міжатомної взаємодії ви знаєте?

 

 

Відомі два різновиди зварювання тиском: без нагрівання (зварювання вибухом, імпульсом магнітної енергії, холодне зварювання) і з нагріванням (ковальське, ультразвукове, тертям, дифузійне, високочастотне, газопрессове і контактне зварювання). Природа утворення з'єднання у всіх випадках зварювання як з нагрівом, так і без нього одна: це результат взаємодії між активованими атомами поверхонь, що з'єднуються. Розрізняють три стадії процесу утворення з'єднання при зварюванні тиском. На першій стадії утворюється фізичний контакт, відбувається активація поверхонь, які зближуються на параметр кристалічної решітки, долаючи енергетичний бар'єр, але зберігають стійкий стан, не зливаючись. На другій стадії утворюється хімічна сполука активованих поверхонь, відбувається зварка - зближення атомів на відстань межатомарного взаємодії. Ширина кордону розділу стає сумірною з шириною межзеренное кордону, міцність з'єднання стає сумірною з міцністю основного металу. На третій стадії відбувається дифузійний обмін мас через об'єднану поверхню з'єднання. При цьому знову отримана поверхня розділу розмивається або розчленовується продуктами взаємодії.

На третій стадії в залежності від її тривалості і роду з'єднуються металів може відбуватися один з наступних процесів. При зварюванні однойменних металів дрібнозерниста межа розділу при тривалій витримці заміщається великими рекристаллізованими зернами. Міцність з'єднання знижується на 10... 20%.При зварюванні пар металів з необмеженою розчинністю один в одному при достатньо великій витримці (до 10 хв) на новоутвореній межі розділу розвивається дифузійний прошарок, що складається з твердого розчину зварюваних металів. Міцність з'єднання в цьому випадку вище міцності одного з металів пари.При з'єднанні деяких пар металів може утворюватися евтектика - механічна суміш кристалітів компонентів цих металів. Вона тендітна, має низьку міцність. Інші різнорідні метали можуть утворювати один з одним хімічні сполуки інтерметаліди. Вони мають високу міцність, але низьку пластичність. При зварюванні таких металів між собою в їх контакті в третій стадії процесу будуть виникати евтектичні і інтерметаллідні включення, що погіршують механічні властивості проміжного прошарку. Тому при затягуванні третьої стадії дифузійні процеси в контакті різнорідних металів можуть призвести до повного руйнування з'єднання. Основна складність при всіх способах зварювання тиском полягає в тому, що треба забезпечити фізичний контакт між поверхнями і активувати їх так, щоб залишкова деформація деталей (вм'ятини, грат) була мінімальною.Реальні поверхні крім макро-, мікро і субмікрошороховатостей мають макровідхилення або відхилення форми поверхонь, що сполучаються, що характеризують точність їх обробки. Фізичний контакт повинен супроводжуватися великою деформацією. Дійсно, щоб зняти мікронерівності висотою всього 10... 15 мкм або вирівняти неплощинність на 50... 500 мкм, доводиться деформувати всю масу деталі на величину, що досягає 90% її товщини. Це "вимушена" деформація ев - така відносна залишкова деформація, при якій під дією зусилля стиснення відбулося завершення фізичного контакту по всій площині зварювання.Зменшитивв можна трьома прийомами. Перший з них - зменшення деформаційного зміцнення шорсткого шару в контакті шляхом уповільненої стиснення деталей при високій температурі нагріву (дифузійна та газопрессовая зварювання). У цьому випадку е3 = 5... 15%. Другий прийом - це різке збільшення напруженого стану в шорсткою шарі контакту шляхом чисто контактного стиску (зварювання вибухом, імпульсом магнітної енергії). У цьому випадку ев -> 1. Третій прийом - створення чисто контактного, локального нагріву при одночасному збереженні умов, при яких не відбувається деформаційного зміцнення в контакті. Це способи контактного зварювання, при яких. В = 15%, і прецизійні способи контактного зварювання, при яких ев = 2... 5%.Серед відомих способів зварювання тиском тільки при дифузійному зварюванні і зварюванні вибухом ев наближається до мінімально можливої. Це обумовлено контактуванням з критичними швидкостями, при яких завдяки дифузійним процесам знеміцнення в контакті переважає перед його деформаційним зміцненням. Для всіх інших способів зварювання тиском фактичні швидкості контактування набагато перевищують критичні. Отже, при цих способах можна отримати з'єднання з мінімальною залишковою деформацією. Наприклад, щоб при холодній зварці отримати з'єднання з мінімальною осадкою, швидкість контактування при кімнатній температурі повинна бути настільки повільною, що для завершення зварювання потрібні роки.Незважаючи на це способи зварювання тиском значно розширюють область застосування зварювання, дозволяючи зварювати між собою різнорідні метали, з'єднання яких зварюванням плавленням неможливо, неметалеві матеріали з металами, та різко підвищують продуктивність в умовах масового виробництва.

 

БУДОВА ТВЕРДИХ ТІЛ

Міжатомна взаємодію.

Міжатомна взаємодія може спостерігатися як між окремими вільними атомами, так і між атомами, що входять до складу однієї або різних молекул, кристалів.

Міжатомний зв’язок може бути:

- ковалентним;

- іонним;

- металевим;

- водневого зв'язку;

- ван-дер-вальсовий.

Взаємодія перших трьох типів є причиною утворення хімічних зв'язків в молекулах, атомних і іонних кристалах, металах і сплавах. Зв'язки цих типів часто реалізуються при зварюванні тиском. Так, при зварюванні тиском металів з неметалами можуть виникати зв'язки на основі іонної та ковалентної взаємодії, а при зварюванні металів і сплавів на їх основі - за рахунок металевого зв'язку.

1. Ковалентна міжатомна взаємодія виникає в результаті усуспільнення валентних електронів парою сусідніх атомів. Усуспільнення веде до формування спільної для цих атомів електронної пари. Залежно від числа виникаючих таким чином електронних пар розрізняють прості (одна електронна пара) і кратні зв'язки. При утворенні ковалентного зв'язку з однакових атомів розподілення електронної густини в орбіталях, що пов'язують електронні пари, відбувається симетрично щодо обох атомних центрів (неполярні зв'язки). Якщо ковалентні в'язки утворені атомами з різною електропроникністю, то електронна хмара зміщена в бік більш електронегативного атома (полярні зв'язки). Різновидом ковалентного зв'язку є донорно-акцепторний зв'язок, який утворюється при наявності угруповань, в яких число зв'язків, утворених центральними атомами, перевищує їх формальну вищу валентність. Виникнення донорно-акцепторного зв'язку обумовлено передачею електронної пари з цілком заповненої орбіталі донора на вакантну орбіталь акцептора і утворенням загальної зв'язуючої молекулярної орбіталі. Прикладом такої взаємодії можуть служити з'єднання перехідних металів через шари нижчих оксидів з оксидами скла або кераміки. Так, оксиди марганцю (MnO, Mn₂O₃, MnO₂) по відношенню до кремнезему SiO₂ і оксиду алюмінію Al₂O₃ будуть донорами електронів. Це підтверджує можливість розробки технології одного із способів зварювання тиском дифузійного зварювання різних металів з керамічними матеріалами на основі нітридних, карбідних, фторидних та інших з'єднань.

2. Іонна зв'язок - це тип хімічного зв'язку, енер-гія якої визначається майже виключно Куло-ського силами тяжіння протилежно зоря-дені іонів. Іонна зв'язок обумовлена переносом електронів з одного атома на інший і електростатічен-ським взаємодією утворилися в результаті цього перенесення іонів. Воно характерно для з'єднання металів з найбільш типовими металоїдами, напри-мер, NaCl, Al2О3.

3. Металева зв'язок характерна для чистих ме-таллов та їх сплавів і обумовлена наявністю електро-нів провідності, вільно рухаються в решітці металу. Ці електрони електростатично взаємодій-обхідних з позитивно зарядженими атомами металів, скріплюючи їх один з одним. Металева зв'язок на відміну від ковалентного і іонної є нелокалізо-ванною і ненаправленої.

4. Водневі зв'язки можуть утворитися всередині молекул і між молекулами в основному в газообраз-ном стані. При зварюванні тиском цей вид зв'язку не реалізується.

5. Ван-дер-вальсовий взаємодія обуславлі-кість міжмолекулярні зв'язки. Така взаємодія називають слабким хімічним взаємодією. Воно розглядається як проміжна, незавершена стадія більш сильного хімічної взаємодії. Сполуки, в яких значні площі контакту мають незавершену фазу межатомного взаимодейст вія вважають ненадійними, що мають низькі міцнісні властивості. Ван-дер-вальсовий сили відіграють важливу роль при утворенні структур інертних і двоатомний газів в твердому стані, будучи єдиними силами, які утримують атоми і молекули в кристалі.

Енергія ковалентного, іонного і металевого міжатомної взаємодії відповідає ~ 102 кДж / моль, в той час як енергія ван-дер-вальсовий взаємодії становить 0,1 1 кДж / моль.

Лекція №2. Структура металевої поверхні.

 

2.1. Будова металевої поверхні.

Ідеально чиста (ювенільний) металева по-верхность, вільна від оксидних плівок і адсорбує-ванних шарів рідинних і газових молекул, може бути отримана тільки в глибокому вакуумі. Над метал-лической поверхнею в даному випадку існує об-лако безперервно рухаються вільних електронів, що залишають метал і знову повертаються в нього.

Ідеально чисту металеву поверхню можна отримати тільки в вакуумі. Вона існує ко-Ротко моменти часу в зламі металу або в пер-ші миті після його механічної обробки. На повітрі металева поверхня миттєво покриття-ється оксидними плівками, а також шарами адсорб-рова молекул води, газів і жирових речовин. Товщина і послідовність нашарувань може бути різною і залежить від складу зовнішнього середовища.

Крім оксидних плівок, металеві поверх-ності завжди покриті жировими, газовими молекулами і парами води. Плівка парів води становить 50-100молекул. Жирові шари мають ще більшу товщину. Після промивання замасленими металу бензином шар органічних молекул становить 1-5мкм і тільки при особливо ретельній обробці розчинниками зберігаючи-ється жирова плівка товщиною 10-100 молекул. Орга-нічних забруднення особливо ускладнюють зварювання дав-ленням, якщо вона здійснюється при кімнатній темпе-ратурі або з невеликим нагріванням. Тонкий граничний шар масел, жирних кислот, парафінів, що знаходяться на металевій поверхні, утримується на ній ад-сорбційними силами. В результаті хемосорбції дос-Тігана щодо міцний зв'язок між молекулами органічної речовини і поверхневими атомами металу, а сама речовина набуває пружність твер-дого тіла. Жирові молекули глибоко проникають в усі мікротріщини металу і чинять сильний розклинюючий дію

 

Рис. 4.1. Поверхню металу на повітрі:

1 - глибинний шар металу, що не порушене пла-стическими деформаціями; 2 - поверхневий шар повністю разоріентіровать кристаллитов з про-слойки окислів; 3 - оксидний шар; 4 - адсорбує-ний шар кисневих аніонів і нейтральних мо-лекул повітря; 5 - шар водяних молекул; 6 - шар жи-рових молекул; 7 - іонізовані пилові частинки

1.2. Окисні плівки.

При зварюванні тиском особливе значення мають окисні плівки, так як іржу і інші забруднення попередньо видаляють. Освіта окисних плівок починається з процесу адсорбції. Безладно дви-жущіеся молекулы или атомы газа ударяются о поверхности металла и под действием сил Ван дер Ваальса как бы приклеиваются к ней – начинается физическая адсорбция газа. В результате чего на поверхности металла образуется плотный слой газовых молекул, расстояние между которыми соответствует их расстоянию в жидкости. При наличии в газовой фазе нескольких газов адсорбция идет избирательно – скорее адсорбируется газ с большей температурой кипения. На воздухе это кислород, кипящий при 90⁰К (для азота Т_кип=77⁰К).

Физическая адсорбция характерна для взаимодействия с металлами инертных газов. Молекула кислорода, попадая на металл, как правило, расщепляется на атомы, химически взаимодействующие с металлом и образующие очень прочные направленные связи. Такой процесс называется хемосорбцией, он связан с диссоциацией молекул О₂ и требует некоторой энергии активации. При благоприятных термодинамических условиях хемосорбция сопровождается образованием окисной пленки по реакции:

.

Из-за большого сродства металлов к кислороду растворимость О₂ в металлах невелика.

Тонкі окисні плівки утворюються на металах з великою швидкістю навіть при низькій температурі. У цих умовах швидкість їхнього зростання для більшості ме-таллов (Mg, Ti, Zr, Fe, Cu, Ni, Zn, Al та інші) підпорядковується логарифмічною закону: збільшення товщини плівки пропорційно логарифму часу. Зростання плівки при кімнатній температурі порівняно швидко призуп-навливается (в алюмінію приблизно через місяць при товщині 45). Нарощування окисної плівки завжди йде з боку кордону розділу окисел-газ шляхом пе-міщення до неї катіонів металу. Швидкість цього процесу при низьких температурах можна пояснити концентраційної дифузією іонів металу через плівку, що йде в цих умовах дуже повільно.

Один з механізмів утворення тонких окисних плівок (запропонований Кабрера і Моттом) предполага-ет, що через тонку хемосорбірованную плівку тол-щіной (рис. 4.2., А) електрони з металу можуть пере-ходити до кисню, адсорбованого на зовнішній по-поверхні плівки. Такий перехід, пов'язаний з преодо-ленням потенційного бар'єру Фх на межі метал - окисел, можливий при малій товщині плівки за рахунок тунельного ефекту (квантово-механічного процесу, при якому є ймовірність подолання вузького потенційного бар'єру електронами з низькою енергі-їй). В результаті цього на поверхні розділу оксид - газ утворюються аніони кисню і в плівці створюється електричне поле. При її товщині в кілька десят-ків ангстрем і різниці потенціалів В напря-боргованості поля дуже велика. В такому полі створюються умови для інтенсивного руху катіонів металу через плівку і, як наслідок, швидкого нарощування її товщини навіть при температурі, при якій звичайна дифузія майже не відбувається.

Рис. 4.2. Схема процесів окислення металів:

а - при утворенні тонкої плівки (енергетичн-ські рівні в металі, його окисле і кисні після обміну електронів); б - електрохімічна модель процесу при утворенні товстої плівки окалини.

Товсті окисні плівки (окалина) утворюються при високій температурі. Збільшення їх товщини зазвичай відповідає параболічної тимчасової залежності. Механізм окалинообразования (з теорії Вагнера) описується процесами концентраційної дифузії через плівку. При цьому поряд з рухом електронів від металу до межі оксид - газ (рис 4.2., Б) йде дифузія в тому ж напрямку катіонів металу, а іноді і дифузія в зворотному напрямку іонів кисню, що утворюються на поверхні розділу оки-сіл - газ в результаті взаємодії атомів кисню з електронами, які надходять з оксиду.

Зростання товстих плівок пов'язаний з термічно активи-руемой процесами дифузії: підвищення темпера-тури зазвичай призводить до різкого прискорення окислення. Наприклад, швидкість окислення міді при температурі 10000С на чотири порядки вище, ніж при температурі 6000C. Однак відомі випадки, коли швидкість окисле-ня із зростанням температури знижується (для кадмію при 390-5200С, для ніобію при 600-7000С).

При утворенні металом кількох оксидів з'являється багатошарова окалина з розташуванням шару, багатого металом, поруч з основним металом. Наприклад, окислення заліза на повітрі при Т> 6000С супроводжується утворенням трифазної окалини

(FeO Fe2O3 Fe3O4). При цьому для вагова частка її шарів складає 0,66-1,0% Fe2O3, 4,1-5,0% Fe3O4 і решта (близько 95%) - FeO). Механізм окислення заліза по Хауффе схематично представлений на рис. 4.3. У FeO і Fe3O4 дифундують катіони Fe; в Fe2O3 - аніони O2.

аявність в металі домішок може прискорити або сповільнити окислення, а також вплинути на склад і властивості окисної плівки. Вплив легування на ско-зростання окислення можна оцінювати ставленням

де і - приріст ваги зразків з металу і сплаву, окислюваних в однакових умовах.

Всі звичайні легуючі елементи зменшують швидкість окислення заліза; малі добавки більшості