Легирование металла при сварке плавлением

В ряде случаев состав металла шва для обеспечения его качества и эксплуатационных свойств сварных соединений должен отличаться от состава свариваемого металла, в частности по содержанию различных легирующих элементов. В связи с этим наряду с другими видами металлургической обработки металла при сварке часто осуществляется легирование металла шва. Легирование металла при сварке возможно посредством воздействия металлической или шлаковой фаз, а также газов. Основным способом легирования металла шва при сварке является легирование посредством введения в сварочную ванну соответствующих элементов в металлическом состоянии, в частности в виде сплавов. Легирование в этом случае происходит в результате: а) поступления легирующего элемента из расплавляющегося при сварке основного свариваемого металла; б) его поступления из присадочного металла (плавящихся электродной проволоки, электродного стержня при дуговой и электрошлаковой сварках); в) введения легирующего элемента в состав покрытия при сварке штучными электродами или керамического флюса при автоматической сварке под флюсом.

в зависимости от режима сварки, свойств основного металла и электродной проволоки составляет обычно от 0,50,8. По опытам К. В. Любавского, доля участия металлической добавки флюса в составе шва с определяется в основном количеством металлической добавки во флюсе, хотя, конечно, она зависит и от свойств флюса и режима сварки. Зависимость величины с от общего содержания металлической добавки во флюсе показана на рис. V.37 (заштрихована область разброса результатов эксперимента), а ее величина может быть определена формулой

(V.58) где (% Me) содержание металлической добавки в составе флюса, %. В связи с тем что количество металлических добавок во флюсе обычно не превышает 2025%, величина с обычно меньше 0,08. Применительно к рассматриваемому случаю формула Кусв принимает вид

(V.59)

(V.62)

(V.63)

=0,5 г (всего 87 г). Это

=(70/87) 100=

,5/87) 100=19,1%.

=0,57/2 =

в зависимости от свойств элемента изображена на рис. V.38. Элемент, близкий к основе сплава, не

обладающий большим сродством к кислороду и не имеющий повышенных потерь испарением, возрастает в наплавленном металле пропорционально его содержанию в электроде (прямая I ). При этом коэффициент перехода таких элементов близок к единице, хотя, как показано выше, в некоторых случаях он может быть и несколько больше единицы. Переход в наплавленный металл элемента, обладающего большим сродством к кислороду, чем основа сплава, и выступающего в конкретной системе легирования как основной раскислитель, в соответствии с рис. V.35 характеризуется кривой (ломаной) 4. Элемент, потери которого определяются в основном повышенным избирательным испарением или только несколько большей окисляемостью по сравнению с основой сплава, или защищенный от окисления достаточным количеством более сильных раскислителей, по коэффициенту перехода характеризуется прямой 2. Кривая (ломаная) 3 характеризует переход элемента с менее сильной раскисляющей способностью, чем для элемента, характеризуемого кривой 4, но обладающего большим сродством к кислороду, чем у элемента, подчиняющегося прямой 2.

(V.64)

Для сварки легированных сталей покрытия чаще всего создаются на фтористо-кальциевой основе с достаточным количеством сильных раскислителей (ферротитана, ферросилиция). Коэффициенты перехода ряда легирующих элементов в этом случае можно принимать в соответствии с табл. V.20.

Легирование наплавленного металла и металла шва в результате обменных реакций используется обычно при необходимости введения не очень большого количества легирующих элементов. Наиболее распространенными в этом случае являются обменные реакции с окислами [Me]+(Me"0)^[Me0]+[Me"] (V.66) в которых Ме" выступает как легирующий элемент. 17 з аказ № 269 257

тем больше, чем больше свободного окисла этого элемента в шлаке и чем меньше окислен металл растворимым окислом основы сплава. Одновременно формула (V.68) показывает, что такой способ легирования, как правило, повышает окисленность металла. Наиболее часто такая система легирования применяется при автоматической и полуавтоматической сварках под плавленными флюсами. В некоторой степени такая схема легирования может использоваться и при электродных покрытиях и керамических флюсах. Легирование воздействием газовой фазы на металл имеет при сварке второстепенное значение. При газовой сварке (ацетилено-кислородной или при использовании в качестве горючего газа других углеводородов) посредством соответствующей регулировки пламени можно науглероживать металл, если он растворяет углерод. Например, при значительном избытке ацетилена в пламени сплавы на железной основе могут быть науглерожены до весьма высокого содержания углерода (-1%). При дуговой сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа также возможно некоторое науглероживание наплавленного металла и металла шва, особенно при низком исходном содержании углерода. Обычно в этом случае повышение содержания углерода по сравнению с его содержанием в проволоке составляет не более 0,05%. Электродные покрытия, содержащие значительные количества углекислых солей (обычно мрамора), также в определенных условиях могут науглероживать наплавленный металл. Степень такого науглероживания возрастает при увеличении в металле электрода концентрации сильных раскислителей, например алюминия. Тогда идет реакция (V.69)

(V.70)

(V.74) с константами „т-тгч (V.75)

и SiS с температурами кипения соответственно 1550 и 940° С). Фосфор в железных сплавах также является весьма вредной примесью. Он ухудшает механические свойства сталей, вызывая хладноломкость у "низколегированных и углеродистых сталей и повышенную склонность к образованию горячих трещин в сталях аустенитного класса. Уменьшения количества фосфора в металле шва добиваются, ограничивая его содержание в основном и добавочном металлах, а также в покрытиях, флюсах-шлаках и газовой фазе, взаимодействующей с металлом. Удаление фосфора из металла основано на его окислении и связывании фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соединения. Окисление фосфора, образующего с железом фосфиды Fe2P и Fe3P, осуществляется по реакциям

. Наиболее активно происходит связывание фосфорного ангидрида посредством реакций:

(V.786) Менее активно происходит связывание Р205 посредством МпО. Реакций при этом подобны реакциям (V.78). Если представить процесс обесфосфоривания металла в общем виде, скомбинировав, например, реакции (V.776) и (V.786), получим

(V.79)

Константа этой реакции

(V.80)

(V.81)

уменьшается путем разбавления шлака соответствующими нейтральными добавками, обычно плавиковым шпатом. Такая добавка часто применяется и для улучшения ряда физических свойств шлаков, увеличивая их жидкоподвижность, а следовательно, и возможность участия большего его относительного объема в реакциях с металлом. Константа реакции (V.79) с повышением температуры уменьшается, что указывает на смещение равновесия в сторону усиления перевода фосфора в металл. Поэтому более активно процесс обесфосфоривания металла при обработке его шлаком происходит при понижении температуры. Аналогичными, но влияющими в меньшей степени на процесс обесфосфоривания, являются реакции Р205 с МпО. При этом следует учитывать, что фосфор-сопутствующая примесь марганца и увеличение марганцевых соединений в покрытиях и флюсах сопровождается увеличением содержания фосфора в шлаке, а следовательно, возможно и в металле. Интенсификация процессов взаимодействия металл флюс при повышении температуры приводит к тому, что применение тонкой электродной проволоки и больших плотностей тока (например, при полуавтоматической сварке в сравнении с автоматической) увеличивает содержание фосфора в металле при том же его содержании в добавочном металле и флюсе.