Свойства, состав и форма силикатных оксидных включений в сварных швах

Наиболее часто при дуговой сварке в швах встреча­ются силикатные оксидные включения, под которыми по­нимают включения оксидов в металле со значительным содержанием диоксида кремния.

Наличие в металле швов при дуговой сварке силикат­ных оксидных включений является вполне закономер­ным. Как уже отмечалось выше, преобладающее количество оксидных включений в сварных швах образуется в результате окислительно-восстановительных реакций между жидким металлом в сварочной ван­не и защитной средой. Кремний при этом является уча­стником практически всех этих реакций либо как раскислитель металла, либо как элемент, восстанавливаемый из шлаковой фазы, например, при сварке покрытыми электродами и сварке под флюсом.

Наиболее простой и прогнозируемый состав оксидные включения имеют при сварке в защитных га­зах или сварке непокрытым электродом без защиты. При этом количество и состав оксидных включений опре­деляются лишь двумя факторами — количеством и coставом элементов-раскислителей в металле (сварочная проволока и основной металл) и окислительным потенциалом защитного газа.

В металле шва, выполненном в углекислом газе проволокой Св-08Г2С, наблюдаются оксидные включения двух видов: силикатные в виде застывших шаровидных частиц, преимущественно мелкодисперсные, и тонкодисперсные зерна А1₂0₃. В других полях зрения, особенно при увеличениях более х500, наблю­даются мелкодисперсные зерна А1₂0₃ в виде скоплений в силикатной оболочке. Это, по-видимому, связано с тем, что, находясь в твердом состоянии в жидкой стали, А1₂0з не вступает в реакцию с SiO₂, а покрывается пленкой силикатов.

Значительное количество включений А1₂0₃ в наплав­ленном металле можно объяснить окислением остаточно­го алюминия проволоки и раскислением металла прово­лок алюминием при металлургическом производстве. Влияние основного металла в данном случае исклю­чено, поскольку выполнялись многослойные наплавки, когда влияние основного металла сведено к минимуму. Вместе с тем содержание остаточного алюминия в про­волоках, по данным исследований, составляло 0,04—0,07 % [3].

Исследования оксидных включений в металле сва­рочных проволок показали, что они преимущественно со­стоят из глинозема (70—85 %) и бедны оксидами крем­ния (2—5 %) и марганца (7—15 %), которые в условиях выплавки при металлургическом производстве стали успевают достаточно полно коагулировать и переходить в шлак.

При раскислении стали в процессе выплавки алюми­нием вначале образуются крупные, быстро всплывающие частицы продуктов раскисления, а затем на завершаю­щей стадии мелкодисперсные, остающиеся в металле частицы неметаллических включений. Это положение подтверждается данными металлографи­ческих исследований продольных шлифов проволоки марки Св-08Г2С.

Учитывая изложенное, можно пола­гать, что значительная доля находящихся в электродных проволоках дисперсных оксидов алюминия не успевает в процессе сварки выделиться в шлак и остается в ме­талле шва.

Действительно, количество шлака, образующегося на поверхности швов при сварке в С0₂, может изменяться в широких пределах в зависимости от состава сварочной проволоки и при этом его состав заметно отличается от неметаллических включений в наплавленном металле. Очевидно, это обстоятельство связано с различной способностью оксидов коагулировать и всплывать на поверхность металла в сварочной ванне.

Это положение подтверждают данные, показывающие, что состав шлака и его температура плавления зависят от содержаний кремния и марганца в металле шва.

Таким образом, подавляющее количество образующихся при сварке в С0₂ оксидов успевает выделиться в сварочной ванне в виде шлака. В наплавленном металле остаются только образовавшиеся в жидком металле сва­рочной ванны продукты раскисления, наиболее обога­щенные оксидами алюминия. При этом включения окси­дов алюминия следует рассматривать дифференцирован­но от других включений, преимущественно на основе кварцевого стекла, поскольку тугоплавкие оксиды алю­миния за короткий срок существования сварочной ванны не успевает прореагировать с другими включениями ок­сидов и в лучшем случае являются лишь центрами, на которых осаждаются более легкоплавкие включения си­ликатов.

При сварке непокрытой электродной проволокой на­плавляемый металл окисляется кислородом окружающей атмосферы в отличие от сварки в С0₂.

Состав оксидных включений в металле, наплавленной непокрытой проволокой, существенно отличается от состава включений в металле шва при сварке в С0₂. Например, отсутствие достаточного количества раскислителей в наплавляемом металле приводит к тому, что при сварке проволокой СВ-08А в наплавленном металле существенно повышается доля FeO во включе­ниях и увеличивается их общее содержание. Применение проволоки Св-10НМ из спокойной стали так­же изменяет состав неметаллических оксидных включе­ний — уменьшается количество FeO, но зато возрастает концентрация кварцевого стекла. Омечается практически полное отсутствие в составе включе­ний А1₂0₃ в первом случае (проволока Св-08А) и незна­чительное количество названного оксида при сварке про­волокой Св-10НМ, что можно объяснить отсутствием ос­таточного алюминия в применяемых проволоках.

При сварке под флюсом состав и количество неметал­лических включений зависят от состава применяемого флюса. Это особенно касается оксидов, которые могут вступать в химическое взаимодействие с жидким метал­лом сварочной ванны (МnО, Si0₂, Сг₂0з, ТiО₂, А1₂0з, Zr0₂ и др.). Более высокой активности этих окси­дов во флюсе-шлаке соответствует большая концентра­ция их в наплавленном металле.

Данные по сварке покрытыми электродами показывают, что наибольшее количество включений наблюдается в металле, наплавленном электродами с покрытием рудно-кислого типа, наименьшее - с фтористокальциевым покрытием и среднее — с рутиловым покры­тием.

Обобщая результаты многочисленных исследований, можно констатировать следующее. Силикатные оксидные вклю­чения в металле сварных швов при сварке плавлением составляют самую большую группу неметаллических включений. В металле сварных швов они находятся преимущественно в виде застывших капель (шаровид­ных частиц), но часто их можно наблюдать и в виде со­вершенно правильных шариков, а также стекла в виде кусков и обломков. Химический состав сили­катных шаровидных частиц чрезвычайно непостоянен. В зависимости от входящих в их состав оксидов меняет­ся цвет, прозрачность и показатель преломления шаро­видных частиц. Как и все стекла, они оптически изотроп­ны.

Другая группа силикатных оксидных включений — Двухфазные включения. Они возникают в тех случаях, когда более легкоплавкие составляющие, к которым относятся силикаты и закиси марганца и железа, кристал­лизуются (осаждаются) в виде пленок на ранее образо­вавшихся тугоплавких включениях, например, глинозе­ма и шпинелей. Некоторые двухфазные вклю­чения в сварочной ванне являются следствием расслое­ния твердых растворов оксидов, образующихся при вы­сокой температуре и распадающихся в процессе снижения температуры.

Неметаллические оксидные включения в стали имеют преимущественно эндогенное происхождение и с жидким металлом в сварочной ванне взаимодействуют более ин­тенсивно, чем покрывающий сварочную ванну жидкий шлак. При этом указанные включения в основном имеют размеры, составляющие доли микрометра и лишь незна­чительная часть до 10—15 мкм.

Экзогенные оксидные включения по составу практи­чески мало отличаются от сварочного шлака, образую­щегося при сварке в защитных газах, под флюсом или ручной дуговой сварке покрытыми электродами. Отличи­тельной их чертой являются размеры, составляющие от десятых долей до нескольких миллиметров. Образованию экзогенных включений, как правило, со­путствуют нарушения режима сварки, в результате чего образуются подрезы в свариваемых кромках. В образу­ющихся полостях при подрезах чаще всего и залегают экзогенные включения и с этой точки зрения их правильней было бы называть шлаковыми включениями.