ДВОЯКОЕ ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА
Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление, связывая кислород, восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образованию нитридов железа; с другой — растворяется в металле и становится причиной появления существенных дефектов в шве в виде пористости и трещин.
Металлы по способности взаимодействовать с водородом делятся на 2 группы:
1) не образующие химических соединений с водородом — Fe, Ni, Al, Со, Сu, Mo, Pt и др.;
2) образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды) — Zr, Ti, V, Та, Th и др.
Наряду с этим водород не образуют химических соединений с Fe, но образует химические соединения с легирующими элементами стали. Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе.
Для сварных соединений нежелательно резкое изменение растворимости газов. Растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений.
При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание растворимости водорода, достигающее максимальной величины при температуре ~ 2400 °С. Таким образом, наиболее значительное насыщение металла водородом происходит в процессе переноса капель металла.
Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, нерастворимые в жидком металле и тем самым снижающие парциальное давление его в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и HF, нерастворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.
Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по уравнениям:
Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концентрацию в нем водорода. На рис. 1 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидком железе. Как видим, даже незначительная окисленность жидкого металла резко снижает содержание в нем водорода.
Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказывается на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении металла ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться, что ведет к образованию газовых пузырей.
Оставшийся в металле атомарный водород превращается в молекулярный, что ведет к формированию газовой фазы в микротрещинах металла. Парциальное давление атомарного водорода в зоне микротрещин снижается, что ведет к его притоку за счет диффузии.
Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам не в состоянии диффундировать через металл и практически нерастворим в нем.
В связи с тем, что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению его пластических свойств, а иногда — и к хрупкому разрушению. Следовательно, хотя водород и не образует с металлом соединений, отрицательно влияющих на прочность этого металла, он усиливает вредное влияние макро- и микро-несплошностей, способствует резкому снижению пластических свойств металла и его хрупкому разрушению.
РАСКИСЛЕНИЕ ВОДОРОДОМ
Раскисление металла водородом представляется следующим уравнением:
где:
или
отсюда:
Восстановление металла водородом имеет много общего с восстановлением его окисью углерода. Однако водород в сравнении с СО слабее раскисляет металл.
Недостатком водорода как раскислителя является его высокая растворимость в металлах, которая может привести к образованию пор и трещин.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПОР В МЕТАЛЛЕ
Влияние состава газов на образование пор при наличии ржавчины зависит от степени окисленности сварочной ванны. Причиной возникновения пор может быть, в т. ч., водород, интенсивно растворяющийся в жидком металле и частично не успевающий в момент кристаллизации выделиться из него. Это происходит в случаях:
- если сварочная ванна хорошо раскислена и металл содержит нужное количество кремния и других раскислителей, то создаются условия для активного поглощения ванной водорода. Тогда образование пор в шве следует связывать преимущественно с интенсивным выделением водорода из кристаллизующегося металла;
- если ванна окислена, то растворимость водорода в металле снижается. В этом случае повышение содержания закиси железа в системе «шлак-металл» способствует развитию в кристаллизующейся части ванны реакции окисления углерода — поры образуются окисью углерода.
Для борьбы с пористостью, вызываемой образованием окиси углерода, нужно сохранять в ванне достаточное количество раскислителей, способных подавить реакцию окисления углерода в момент кристаллизации металла. Чтобы предупредить водородную пористость, нужно обеспечить в газовой фазе более полное связывание водорода в соединения, нерастворимые в металле.
Для удаления водорода используют соединения фтора, которые взаимодействуют с атомарным водородом или парами воды и образуют нерастворимый в металле фтористый водород:
а затем:
Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение соответствующих режимов, замедляющих охлаждение металла ванны, например, повышение погонной энергии, и мер, снижающих поглощение газов расплавленным металлом, особенно при его переносе через газовую фазу (применение короткой дуги и др.).
Рекомендуется также зачищать свариваемые кромки металла и присадочную проволоку от ржавчины и других загрязнений.