Рафинирование металла при сварке.

Рафинирование протекает одновременно с раскислением и легированием.

Рафинирование – очищение Ме шва от вредных примесей. Для сплавов на основе железа это удаление S и P.

Источники поступления S и P в Ме:

1. Расплавляющийся основной и присадочный Ме;

2. Шлаки.

Сера вызывает красноломкость стали, а значит повышает склонность к образованию к горячим трещинам. Такое влияние серы на свариваемый Ме при высоких температурах объясняется следующим. Сера образует с Fe легкоплавкие эвтектики. На первой стадии образуется FeS (Т_пл = 1195°С). Этот сульфид почти не растворяется в твёрдом железе, а выделяется в нём в виде эвтектики или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектика FeS + Fe имеет Т_пл = 985°С. Низкую Т_пл имеет эвтектика типа 2FeO × SiO₂ + FeS (T_пл < 980°С). Чем больше серы, тем больше появляется легкоплавкой эвтектики, тем сильнее красноломкость стали, т.е. содержание серы ограничивают. Особенно вредным оказывается наличие серы в легированных сталях, особенно в сплавах, содержащих Ni, т.к. образуется эвтектика NiS (Т_пл = 644°С). Усиливать вредное влияние серы могут и другие элементы. В низколегированной стали это углерод. Аналогичное воздействие может оказать и Si.

Вывод: Для более полного удаления серы из Ме или для более благоприятного распределения оставшейся её части в сварочную ванну нужно вводить элементы, которые исеют большее сродство к сере, чем к железу. По степени возрастания прочности образующихся сульфидов эти элементы можно расположить в следующий ряд:

Al, Ca, Na, Mg, Mo, Mn, Fe, Ni.

Однако использовать в сварочной практике первые 4 неудобно, т.к. все они имеют высокое сродства к O₂; т.е. связываются в оксиды, а потом в сульфиды.

Наибольший интерес представляет Mn, т.к.

§ имеет высокое сродство к серк;

§ всегда присутствует в стали в достаточно больших количествах;

§ образует тугоплавкий сульфид, который равносерно распределяется по всему объёму Ме шва;

§ При концентрации в стали > 0,5 – 0,6% способствует переходу серы в шлак.

При сварке сталей применяют связывание серы в MnS (Т_пл = 1610°С).

Удаление серы в шлак посредством воздействия оксидов Mn и Ca.

Связывание серы происходит следующим образом:

Концентрация FeS в Ме уменьшается, при увеличении в нём концентрации Mn. Однако реакция (1) в направлении связывания серы в MnS развивается только при понижении температуры Ме. Следовательно при большом количестве марганца в Ме значительная часть серы остаётся в шве, связанной в FeS. Уменьшить содержание FeS в жидком Ме можно воздействием шлака, содержащего оксиды Mn и Ca. При этом происходят реакции:

Уменьшению FeS в шве способствует лучшая раскисляемость Ме и увеличение содержания оксидов Mn и Ca в шлаках.

В ряде случаев для десульфурации серу связывают в летучие соединения типа Al₂S₃, SnS с Т_кип = 1550°С и Т­_кип = 940°С.

Фосфор в сплавах на основе Fe является очень вредной примесью. Он ухудшает механические свойства низколегированных и углеродистых сталей, вызывая хладноломкость. В сталях аустенитного класса повышается склонность к образованию горячих трещин.

Уменьшение количества фосфора добиваются за счёт ограничения его содержания в основном и присадочном Ме, в покрытиях, флюсах, шлаках, газовой фазе. Удаление фосфора из Ме шва основывается на его окислении и последующем связывании фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соединения. Окисление фосфора осуществляется по следующим реакциям:

P₂O₅ – кислый окисел, следовательно он должен образовывать комплексное соединение с основными окислами (FeO, MnO, MgO, CaO).

Наиболее активно связывание происходит по следующим реакциям:

Если представить в общем виде, то получится:

Анализ выражения (7) показывает:

Уменьшение содержания фосфора в Ме шва будет возрастать с увеличением содержания в шлаке свободных окислов Fe и Ca и с уменьшением количества CaO связанного с P₂O₅ в комплексные соединения с SiO₂ и TiO₂. Отсюда следует, что их свободные концентрации будут гораздо меньшими и удаление фосфора из Ме в шлак будет затруднено.

Основные шлаки более благоприятны для процесса обесфосфоривания. В основных шлаках концентрация комплексных соединений (3CaO P₂O₅) уменьшается путём разбавления шлака нейтральными добавками (плавиковый шпат CaF₂). Такая добавка улучшает ряд физических свойств шлака увеличивая его жидкотекучесть, а это приводит к большёму участию её относительно объёма в реакциях с Ме. Константа реакции (7) с повышением температуры возрастает, а это указывает на смещение равновесия в сторону усиления перехода фосфора в Ме. Следовательно, более активно процесс обесфосфоривания Ме при сварке при обработке его шлаком будет происходить при понижении температуры. Аналогично, но слабее, происходит процесс обесфосфоривания, если вместо CaO применить MnO. Однако, всегда следует учитывать, что фосфор является спутником примесях Mn, следовательно увеличение марганца в покрытиях и флюсах будет сопровождаться увеличением фосфора в шлаке. При сварке фосфор будет переходить в Ме. Широкое применение MnO при сварке не получил.

Интенсификация процесса взаимодействия Ме – флюс при повышении температуры приводит к тому, что применение тонкой электродной проволоки и больших плотностей тока увеличивает содержание P в Ме шва по сравнению с более толстой сварочной проволокой. Даже если P в добавочном Ме и флюсе содержится одинаковое количество.