Формы присутствия кислорода в металле сварных швов

Кислород в металле шва может находиться в виде оксида железа, в виде фазы, в твердом растворе, в виде оксидных включений, в виде твердых растворов и эвтектик, образованных оксидными и сульфидными включениями, а также в виде молекул и частиц. Растворимость кислорода в железе в форме FeO мала и может быть описана для контактирования жидкого железа со шлаками, состоящими практически только из оксида железа, уравнением

(11)

где [% O ] – содержание кислорода в % по массе.

Существенно меньшая электроотрицательность железа по сравнению с кислородом позволяет предположить, что кислород может существовать в железе в анионной форме О ^2-. Значительные размеры анионов обуславливают их ничтожную подвижность при пропускании через железо постоянного тока.

Однако практически все металлургические расчеты основаны на предположении о растворении кислорода в железе в форме FeO, и независимо от формы присутствия кислорода установлено, что растворимость его в твердом α-железе составляет 0,03 %, а в γ-железе – 0,003%.

В жидком железе, как показывают оценочные расчеты для температурного интервала выплавки стали, растворимость кислорода, соответствующая максимальным температурам в зоне плавления достаточно велика.

Например, при 2073 К в виде атомарного кислорода О она составляет 0,485 %, в виде FeO – 2,18 %; при 2573 К в виде О – 1,88 %; в виде FeO - 8,5 %.

При снижении температуры в сварочной ванне растворимость О₂ в жидком железе уменьшается. Например, при снижении температуры происходит перераспределение FeO между шлаком и металлом в соответствии с константой распределения

где [ FeO ] и (FeO) – концентрации оксидов в металле и шлаке соответственно.

Константа распределения изменяется в зависимости от температуры по формуле

Выделяющийся из раствора FeO может не только переходить в шлак, но и вступать во взаимодействие с элементами-раскислителями, присутствующими в сварочной ванне (Mn, Si, Al, Ti и др.). Так как сродство у таких элементов к кислороду растет при снижении температуры, продукты раскисления образующиеся по реакции

(12)

частично переходят в шлак, но частично остаются и в закристаллизовавшемся металле в виде неметаллических включений, повышая общую концентрацию кислорода в нем. Поэтому при дуговой сварке плавлением концентрация кислорода по экспериментальным данным существенно выше того количества, которое способно раствориться в твердом железе.

При повышении содержания Si и Mn в металле шва заметно повышаются концентрации оксидов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно количество оксидов железа в них уменьшается.

Введение Al уменьшает общее количество оксидных включений в металле шва и приводит к появлению в их составе герцинита и даже глинозёма .

При наличии в шве образуются включения хромита .

Присутствие ванадия V способствует образованию его оксида .

При низкой концентрации в металле шва образуются включения титаната железа . При высоком – оксид титана .

В сварных швах, полученных ручной дуговой сваркой, оксидные включения по составу делят на три основных типа:

- смешанные железомарганцевые оксиды в виде непрозрачных включений в основном круглой формы. Образуются при значительной окисленности наплавленного металла при низком содержании активных раскислителей;

- железомарганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных с вкраплениями темных частиц округлых включений;

- стекловидный кремнезем, имеющий вид прозрачных частиц округлой или неправильной формы.

При сварке под флюсом вид и состав оксидных включений зависит от состава флюса и химического состава свариваемого металла. При сварке под высококремнистыми марганцевыми флюсами, включения, как правило, железомарганцевые силикаты.

При сварке под безмарганцевыми флюсами-силикатами в шве преобладают включения стекловидного кремнезема.

При сварке в активных защитных газах и их смесях вид и состав оксидных включений определяются химическим составом наплавленного металла и активностью по кислороду защитной среды.

Количество оксидных включений в швах, выполненных в голой проволокой, как правило, не превышает содержания этих включений в швах, полученных другими способами сварки плавления. Преимущественно оксиды, образующиеся при сварке в , по-видимому, зарождаются на поверхности металла или успевают выделиться из него в виде шлака. В шве остается не более 2 %, образующихся в сварочной ванне продуктов раскисления с наибольшим содержанием оксидов алюминия.

Встречаются и другие оксиды. Эти оксиды имеют неоднородный минералогический состав, могут образовывать сложные кислородосодержащие включения, например, оксисульфиды или фосфорсодержащие соединения.