Окисление свободным кислородом газовой фазы.

При наличии свободного кислорода в газовой фазе над сварочной ванной, он взаимодействует с жидким металлом по реакции

. (13)

Кроме того, вследствие высокой температуры столба дуги, наряду с молекулярным над сварочной ванной обязательно присутствует атомарный кислород. В этом случае окисление металла идет по реакции

. (14)

Причем реакция (14) идет более интенсивно, чем реакция (13).

Рассмотрим простейший случай окисления металла газообразным кислородом при сварке плавлением. В простейшем виде (для FeO, NiO и других оксидов) реакция (13) примет вид

. (15)

Реакция обратима и может идти как в сторону окисления (с выделением теплоты), так и в сторону восстановления (с поглощением Q). Направление реакции определяется стремлением системы к равновесию и задается соотношением температуры и давления. Равновесие реакции определяется константой равновесия.

(16)

Где - равновесное парциальное давление кислорода, называемое упругостью диссоциации оксида и характеризующее его химическую прочность при данной температуре.

Когда металл и оксид являются конденсированными фазами и не находятся в растворе константа равновесия (16) выражается одним парциальным давлением кислорода:

или .

В рассматриваемом случае значение упругости диссоциации оксида позволяет судить о том, каковой является среда по отношению к металлу: нейтральной, окислительной или восстановительной. Так если текущее парциальное давление кислорода в газовой фазе над сварочной ванне равно , то газовая фаза по отношению к металлу нейтральна; при > газовая фаза окислительная; при < газовая фаза восстановительная.

Упругость диссоциации различных оксидов, наиболее часто встречающихся при сварке, существенно зависит от температуры. Элемент , имеющий большое сродство к кислороду, чем , может обеспечить протекание обменных реакций вида (10). Т.е. элементы с большим средством к кислороду являются раскислителями для оксидов элементов с меньшим сродством к кислороду.

При сварке наиболее часто идет взаимодействие металлов в растворах, причем их оксиды также присутствуют в растворах (например в жидком шлаке). В этом случае упругость диссоциации оксида для реакции (15) выражается как

,

где и - соответственно активности оксида и металла.

Заменив на (упругость диссоциации чистого оксида), получим

.

Если раствор насыщен оксидом металла, то и тогда имеем

(17)

Активности меняются не строго согласно изменению концентраций, т.к. понятие термодинамической активности определяется как отношение давления пара данного вещества над раствором к давлению пара над чистым веществом при той же температуре. В термодинамических расчетов применяют коэффициент активности, представляющий собой отношение активности к концентрации:

,

где - концентрация вещества в растворе в мольных долях;

- термодинамическая активность вещества.

Упругость диссоциации оксида железа в зависимости от абсолютной температуры описывается уравнением

Расчеты равновесных концентраций кислорода в газовой фазе при различных содержаниях оксида железа в жидком металле для интервала температур от 1813 до 2573К свидетельствуют о том, что даже незначительное парциальное давление кислорода (концентрация) в газовой фазе может вызвать окисление жидкого металла.

Таким образом, при дуговой сварке необходимо принимать меры к ограничению парциального давления в газовой фазе над сварочной ванной, особенно если есть ограничения по его содержанию в наплавленном металле. Например, для сварных конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера.

Окисление сварочной ванны поверхностными оксидами.

При сварке сталей такими оксидами являются окалина и ржавчина. В сварочной ванне высшие оксиды железа будут раскисляться жидким железом по реакциям:

(18)

(19)

Константы равновесия этих реакций (рассчитанные С.Т. Ростовцевым)

говорят о возможности реакций (18) и (19) слева направо в интервале температур сварочной ванны. Образующийся в результате реакций оксид железа будет распределяться между металлом и шлаком в соответствии с константой распределения.

Экспериментальные данные (получены К.В. Любавским) свидетельствует, что при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом ОСЦ-45 при зачищенных кромках содержание кислорода в металле шва составляет 0, 035 %, а при сварке по кромкам с окалиной – достигает 0,055 %.