Если взаимодействовать с кислородом могут несколько элементов, как это имеет место в сварочной ванне, то в первую очередь окислению подвергаются те элементы, которЬ(1е обладают наибольшим химическим сродством к кислороду. По мере окисления этих элементов концентрация их в зоне реакции уменьшается и скорость окисления замедляется; тогда начинают более интенсивно окисляться другие элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду. Постепенно процесс окисления охватывает все новые и новые элементы и протекает до тех пор, пока концентрация всех элементов в жидком металле не будет соответствовать равновесной. То же имеет место и при обратном процессе-раскислении.

Если элементы, наиболее часто применяемые в качестве рас-кислителей при сварке, расположить по признаку уменьшения ик химической активности к кислороду, то получим следующий ряд: алюминий (обладает наибольшим сродством к кислороду), титан, ванадий, кремний, углерод, марганец и хром.

Эти элементы поступают в сварочную ванну из присадочного металла, покрытия электрода или флюса и вступают в химическое взаимодействие с окислами металла. В качестве веществ, содержащих раскислители, применяют ферросплавы - фэрромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.

Ферросплавы вводятся в состав электродного покрытия или флюса и при их расплавлении почти полностью переходят в шлак. При этом входящие в них элементы окисляются, отнимая кислород у окислов железа. Вновь образовав лиеся окислы элементов - раскис-лителей в большей своей части остаются в шлаках, покрывающих металл шва, и после сварки удаляются вместе с ними.

Рассмотрим некоторые наиболее типичные реакции раскисления. Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:

2 FeO + SiexSiO , + 2 Fe ex; FeOex + Mn ei=f3=MaOu -f Feex-

Образующиеся при этом окись кремния и закись марганца плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Закиси железа и марганца по своим химическим свойствам являются основаниями и могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2FeO- SiOa; 2MnO- SiOj (силикаты) и 2FeO TiOg (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в слое шлака.

Окислы по своим химическим свойствам могут быть кислые и основные. К кислым окислам относятся окись кремни ч (ЗЮ) и двуокись титана (ТЮ. К основным окислач относятся окись кальция (СаО), закись железа (FeO), закись марганца (МпО), окись натрия (Najj), окись калия (KjO) и окись магния (MgO).

Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы, то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флю-

сы называются кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов, наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными.

При сварке электродами с кислыми покрьпгиями процесс раскисления протекает также за счет углерода, содержащегося в металле сварочной ванны и ферросплавах, вводимых в покрытие обычно в ввде ферромарганца.

Реакция раскисления углеродом протекает так:

Образовавшаяся газообразная окись углерода (СО) не растворяется в жидком металле и выделяется из него в атмосферу, что вызывает сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия иногда называют кипящими.

При высоких температурах сварочной ванны, содержащиеся в шлаках окись кремния SiOj и закись марганца МпО вступают в реакцию с железом сварочной ванны. Зги реакции протекают на границе раздела жидкого шлака и жидкого металла последующей схеме:

(SiO,) + 2 [Fe]-2 (FeO) + [Si];

шлак металл шлак кеталл

[FeO]

металл .

(МпО) + [Fe]-*(FeO) + [Мп];

шлак металл шлак металл

[FeO]

металл

С повышением температуры сварочной ванны скорость и полнота протекания этих реакций увеличиваются. Как видно из схемы, образующаяся закись железа FeO растворяется в жидком металле. При последующем остывании металла шва находящаяся в нем закись железа вступает в реакцию с другими элементами, содержащимися в расплавленном металле, такими, как Si, Сг, Мп, образуя чистое железо и окислы этих элементов, которые могут оставаться в металле шва. Поэтому при сварке сталей, содержащих повышенное количество кремния, хрома и марганца, не рекомендуется поль-воваться покрытиями или флюсами с высоким содержанием окислов кремния и марганца, так как при этом увеличивается содержание кислорода в металле шва, снижающего его ударную вязкость. Основные электродные покрытия и флюсы дают и основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (СаО), которая не отнимает кислород от окислов металлов. Поэтому в покрытия основного типа для раскисления наплавленного металла вводятся ферросплавы! ферросилиций или ферротитан. В электродных покрытиях этого типа основными реакциями раскисления будут:

раскисление кремнием 2 FeO Si SiOg -\- 2 Fe; раскисление титаном 2 FeO -\- Ti :Ti02-j- 2 Fe.

Эти реакции протекают без газообразования и сварочная ванна остается спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высокими механическими свойствами.

В результате происходящих в сварочной ванне реакций раскисления содержание кремния и марганца в металле шва несколько увеличивается, например кремния до 0,1-,3%, марганца до 0,7-1% и более.

Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (AlgOg) не растворима в жидком металле и медленно переходит в шлак. Кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает пористость шва. По этим причинам алюминий как раскислитель при сварке стали почти не применяется.

Углерод в тех концентрациях, какие встречаются в сварных швах стали, является менее активным раскислителем, чем кремний. С кислородом окислов углерод взаимодействует, главным образом, в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны. Раскисление же марганцем и кремнием происходит при более низких температурах и протекает вплоть до начала кристаллизации металла шва.

Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление может происходить преимущественно за счет углерода с образованием СО, избыточное количество которой не успевает выделиться из твердеющего металла и остается в нем, образуя газовые поры. Поэтому для получения плотного беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания кремния в металле сварочной ванны до 0,2-0,3%. При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.

Азот поглощается расплавленным металлом из окружающего воздуха. Под действием высоких температур сварочной дуги азот частично переходит в атомарное состояние и растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выделяется из раствора и, взаимодействуя с металлом и его окислами, образует химические соединения, называемые нитридами - FeN; FeJ<i; MnN; SiN. Нитриды в стали повышают ее прочность и твердость, но сильно уменьшают пластичность. Поэтому азот является вредной примесью в наплавленном металле.

Наибольшее насьш],ение металла азотом дает дуговая сварка длинной дугой и голыми электродами, наименьшее - газовая. При сварке непокрытыми электродами содержание азота в металле шва может достигать 0,12-&,2%.. -С увеличением тока содержание азота в наплавленном металле уменьшается. Увеличение содержания