Взаимодействие расплавленного металла с азотом. Пути снижения азота в металле шва

Присутствие азота в газовой фазе является результатом попадания в зону дуги воздуха, в котором находится 75, 5% (по массе) азота. Соприкасаясь с расплавленным металлом, находящийся в атомарном и молекулярном состояниях, азот растворяется в нем. Поскольку азот, как и другие газы, может растворяться только в виде атомов, растворение его молекулярной формы происходит после предварительной диссоциации молекул непосредственно на поверхности расплава.

Растворимость азота газовой фазы в жидком железе пропорциональна его парциальному давлению и степени термической диссоциации:

где [N] — равновесное содержание азота в металле; - общее парциальное давление соответственно атомарного и молеку- лярного азота в газовой фазе; — степень диссоциации азота при данной температуре; K_N — коэффициент пропорциональности, увеличивающийся с повышением температуры металла.

При дуговой сварке с применением покрытых электродов усиливающее влияние на растворимость азота в расплавленном железе может оказывать присутствующий в газовой фазе кисло­род, который образует с азотом его оксид NO. Встречаясь с име­ющим заметно более низкую температуру металлом, оксид азота диссоциирует на его поверхности с образованием активного, хорошо растворимого атомарного азота. Активность атомов газов, образующихся при разложении многокомпонентных моле­кул (в данном случае молекул NO), выше активности атомов чистых двухатомных газов (N₂).

Определенное влияние на растворимость азота в стали ока­зывают и находящиеся в ней легирующие элементы. Это влияние неоднозначно. Так, марганец, ванадий, ниобий и хром повышают растворимость азота в жидком металле, а углерод, кремний и ни­кель снижают ее.

На рис. 23 показана зависимость растворимости азота в жид ком и твердом железе от температуры при парциальном давле­нии азота P_N2=0, 1 МПа. С повышением температуры раствори­мость азота в металле растет. При этом при температуре плавле­ния металла и изменении типа решетки растворимость меняется скачкообразно.

Согласно расчетам, максимальная растворимость азота при парциальном давлении 0, 1 МПа наблюдается при температуре 2200-2400°С и составляет около 0, 06%. При более высоких тем­пературах упругость паров железа заметно повышается, что ведет к снижению парциального давления азота в образующейся газовой смеси. При температуре кипения металла парциальное давление газа над металлом становится равным нулю, поэтому в кипящем металле газы вообще не растворяются. В то же время содержание азота в металле шва, полученного при дуговой сварке низкоугле­родистой стали на воздухе (более 0, 22%), в несколько раз превы­шает расчетное значение. Это подтверждает большое интенсифи­цирующее влияние рассмотренных факторов (диссоциация азота в зоне дуги, наличие кислорода в газовой фазе) на растворение азо­та в жидком металле.

Таким образом, руч­ная дуговая сварка покры­тыми электродами прохо­дит в условиях, когда в высокотемпературной час­ти ванны и каплях может иметь место значительное насыщение расплавленно­го металла содержащимся в газовой фазе азотом. При охлаждении расплава за счет снижения раство­римости (см. рис. 23) про­исходит значительное пе­ренасыщение сварочной ванны азотом во всем ее объеме, тем самым созда­ются предпосылки для выделения газа в виде пузырьков и, как следствие, для возможного образования пор (см. гл. 11).

Другим негативным моментом повышенного содержания азо­та в расплавленном металле является следующий. Согласно диа­грамме состояния Fe~N, при температуре ниже 590°С азот, кроме раствора, образует с железом твердое и хрупкое химическое со­единение — нитрид FeN, при этом растворимость азота в железе становится чрезвычайно малой. При температуре 200°С она не превышает 0, 005%, при температуре 590°С — 0, 1%. Это приводит к тому, что даже при умеренном содержании азота в расплавлен­ном металле и, как следствие, в металле шва можно ожидать по­лучение сварных соединений с пониженными пластическими свойствами. Причиной этого является выделение FeN либо при сварке, либо в течение некоторого времени после завершения сварочных работ в результате распада перенасыщенного твердого раствора азота в железе (старения). Особенно резко, в 3-5 раз, снижается ударная вязкость. Подогрев стали до температуры 200-400°С интенсифицирует процесс старения.

Освобождать качественно расплавленный металл от содержа­щегося в нем азота металлургическими способами не представля­ется возможным. Единственным путем снижения концентрации азота в металле остается повышение надежности защиты зоны сварки от влияния воздуха. С целью уменьшения возможности его поглощения расплавленным металлом в частности следует:

- сварку многими марками электродов вести только корот­кой или предельно короткой дугой;

- не допускать выполнения сварочных работ при скорости воздушного потока в месте сварки более 5-10 м/с (в зави­симости от вида и марки электрода);

- сборку тавровых соединений производить с минимальным зазором между деталями.

Содержание азота в металле швов, получаемых при ручной дуговой сварке отечественными электродами, составляет

0, 01-0, 03%.