Файл: Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью.pdf

Есина и П. В. Гсльда [37]: остается поэтому неясным, находится ли углерод в ионном пли атомном состоянии или же он образует с частицами металла молекулы типа

Fe,С.

Количество углерода, которое может находиться в растворе с железом, определяется диаграммой состоя­ ния, увеличиваясь с повышением температуры. Соглас­ но данным Риста и Чипмеиа [38], в области заэвтектических сплавов растворимость углерода в зависимости от температуры описывается уравнением

смеси газов С0 + С 02 с углеродистым расплавом, Рист и Чипмеп получили уравнение для расчета концентрации атомной доли растворенного углерода в железе

Выражая концентрацию в весовых процентах, получаем

значение энтальпии свидетельствует о том, что процесс растворения графита в железе слегка эндотермнчеи, поэтому раствор углерода в железе не является идеаль­ ным. При рассмотрении процесса растворения, следова­ тельно, необходимо учитывать коэффициент активности углерода ус, который зависит от температуры и кон­ центрации углерода. Даркен и Гурри [39], рассматри­ вая активность углерода, заметили, что достоверных данных о связи активности с составом Fe—С пет. Они рекомендуют следующее уравнение для определения ко­

где Nс и jVfc— соответствующие доли (атомные) угле­ рода и железа в расплаве; а — коэффициент, который

6G

не зависит от состава, но зависит от температуры. Для обычных температур сварочного процесса величина этого коэффициента лежит в пределах 2—3. Имеется ряд дру­ гих уравнений [40—42] для расчета коэффициента ак­ тивности углерода с той или иной степенью точности. Обычно исследователи полагают, что при концентрации углерода в растворе [С]]>1% раствор можно считать идеальным и активность углерода равна его концентра­ ции, т. е. ус= 1; при более высоких концентрациях угле­

рода ус >1.

Кремний может находиться в металле шва или в виде атомов, или в виде катионов Si4+. Ионная форма крем­ ния в металле вероятна хотя бы вследствие того, что, находясь в IV группе периодической системы Менделе­ ева, кремний, как и углерод, во многом сходен с ним. Ион углерода С4+ и ион кремния Si/,+ могут образовывать с железом раствор внедрения. Радиус иона кремния ра­ вен 0,39 Â. Отношение радиусов ионов кремния и железа 0,39/0,82 = 0,47 позволяет предполагать в о з і м о ж н о с т ь

раствора внедрения и образование металлической связи с растворителем. Однако присутствие в металле ионов кремния экспериментально не обнаружено, а присутствие атомов кремния подтверждается. В таком случае процесс

личина которого, по данным разных авторов, лежит в пределах 19 600—28 500 кал/г-ат кремния. Во всех слу­ чаях максимальная теплота смешения жидких железа и кремния имеет место при 50 ат.% или 33 вес.% кремния. Поэтому можно полагать, что кремний образует с желе­ зом химическое соединение Fe—Si (силицид железа), что подтверждается экспериментально. Принято счи­ тать, что подавляющая часть кремния в растворе с же­ лезом находится в форме силицида железа.

В твердом состоянии встречаются и другие формы кремния согласно диаграмме состояния сплавов Fe—Si. Эта же диаграмма определяет и количество кремния, на­ ходящегося в растворе. Так, до концентрации 14,5% Si образуется «-твердый раствор кремния в железе, при повышении содержания кремния образуются более слож­ ные структуры. Так как в условиях сварки чугуна кон­ центрации кремния сравнительно низки (не более 4—

6%), то, следовательно, особый интерес представляет a -твердый раствор кремния в железе.

Активность кремния в растворе с жидким железом имеет отрицательное отклонение от величин соответству­ ющих идеальных растворов. При концентрациях кремния до 5—6% значение коэффициента активности, по дан­ ным Чипмена п Гокена [43], можно принять равным

Ysi = 0,0077.

Введение в железоуглеродистый расплав кремния со­ провождается рядом изменений в расплаве. Прежде всего изме­ няется растворимость углерода (рпс. 17) [35]. Снижение раст­ воримости углерода в железе

Рис. 17. Растворимость углерода в же­

лезе при соответствующем содержании кремния: / — 0%; 2 — 0,5; 3 — 1;

4 — 2\ 5 — 2,9; 6 — 3,7; 7 — 5%

то 1300 1500 тог,°с

при наличии кремния связано с тем, что связь атомов углерода с железом более слабая, чем связь атомов крем­ ния. Поэтому, присутствующий кремний вытесняет углерод из расплава, способствуя графитизацин — выделению сво­ бодного углерода в виде графита. Точно так же в присут­ ствии кремния температура мало влияет на растворимость углерода [44]

Присутствие кремния повышает температуру эвтектоидного превращения (точка 5' на диаграмме Fe—С) на 100—200°, при этом содержание углерода в эвтектонде снижается до 0,60—0,45%. Это значит, что кремний, спо­ собствуя выделению графита в период затвердевания, содействует увеличению количества перлита в структуре чугуна. Вследствие такого влияния кремния диаграмма состояния сплава Fe—С изменяется. Для ■правильного анализа сплава надо пользоваться тройной диаграммой сплава Fe—С—Si.

Механизм легирования

Легирование металла шва углеродом и кремнием происходит за счет основного свариваемого чугуна. В ле­ гировании участвуют твердый чугун, прилегающий к зо­

бе

пе сплавления, жидкий расплавленный чугун и жидкий наплавленный электродный металл. При этом легирую­ щие элементы перемещаются в твердом и жидком ме­ талле в направлении, обратном теплоотводу, т. е. в бо­ лее нагретую зону.

Жидкий металл сварочной ванны в общем случае со­ стоит из двух слоев: верхнего — стального и нижнего — чугунного. Наличие двух слоев определяется, во-первых, тем, что температура плавления чугуна (1150—1200 °С) ниже температуры плавления стали (1450—1480 °С) на величину около 300 °С. Поэтому под слоем стали, кото­ рая обычно нагрета выше температуры плавления, будет находиться слой чугуна. При условии неподвижности этих слоев можно определить толщину чугунного слоя, воспользовавшись данными Н. Н. Рыкалина [1] по опре­ делению максимальной температуры, создаваемой в металле движущимся точечным источником тепла. Рас­ считаем радиус изотермы с максимальной температурой

стали гс= 0,92 см, для чугуна гч= 1,025 см. В таком слу­ чае толщина слоя чугуна будет составлять 1,025—0,92 = = 0,105 см.

Характер расплавления чугуна сварочным пламенем также способствует образованию двух слоев. Действи­ тельно, при расплавлении чугуна сварочным пламенем в передней части ванны образуется жидкий чугун, который силой дутья дуги сдувается к задней стенке. Сверху на него наплавляется стальной слой в виде падающих ка­ пель, также сдуваемый к задней стенке и располагаю­ щийся над слоем чугуна. Это силовое воздействие сва­ рочного пламени, увлекая жидкий чугун, уменьшает толщину чугунного слоя в нижней части ванны.

Рассматривая схему сварочной ванны, видим, что ле­ гирование стального металла происходит как за счет

69

твердого чугуна, так и за счет жидкого чугуна — жидкой чугунной прослойки под стальным слоем. В первом случае легирование будет происходить по механизму мо­ лекулярной диффузии, во втором—по механизму конвек­ тивной диффузии. Укажем три основные причины, вызы­ вающие перемещение — диффузию легирующих элемен­ тов от чугуна в сталь: концентрационный потенциал, или градиент концентрации; разная растворимость элемен­ тов в твердом и жидком растворителе; электрический потенциал, или напряженность электрического поля.

Наличие напряженности электрического поля в сва­ рочной дуге способствует перемещению легирующих эле­ ментов, поскольку они могут находиться в жидком ме­ талле в ионной форме. Однако, как показывает расчет [5], таким путем может переместиться очень незначи­ тельное количество вещества, которое можно не прини­

твердом и жидком металле: для кремния потому, что ко­ личество его в чугуне не достигает предела раствори­ мости в твердом металле; для углерода в связи с тем,

без заметного выделения углерода из твердого раство­ р а — аустенита. Таким образом, очевидно, что основной причиной перемещения элементов является концентра­ ционный потенциал. Это и следует учитывать при анали­ зе легирования.

Кинетика легирования при молекулярной диффузии

Для анализа кинетики легирования можно применить второй диффузионный закон Фика, выражаемый уравне­ нием

(64)

Решение этого уравнения для заданных краевых усло­ вий имеет вид

(65)

70

где C(.v, /) — искомая концентрация легирующего эле­ мента па расстоянии л: от границы контактирования за время t, в течение которого протекает диффузия; С0— начальная разность концентраций диффундирующего

элемента.

Чтобы воспользоваться этим уравнением, уточним значения входящих в него величии: х — длина пути, ко­ торый проходит диффундирующий элемент в твердой и

Рис. 18. Схема сварочной ванны п перехода электродного материала

жидкой фазах (отсчет значений х следует вести от гра­ ницы контактирования двух веществ с разной концент­ рацией данного элемента на глубину до установившейся концентрации); t — время диффузии, определяющееся длительностью периода контактирования, который можно установить из анализа положения и перемещения ванны

(рис. 18).

В первый момент существования сварочной ванны образуется жидкая фаза (точка 1), вступающая в кон­ такт с твердой фазой основного металла (чугуна). Этот контакт продолжается по мере продвижения ванны и только около некоторой точки 2 прекращается, так как уже подходит закристаллизовавшийся металл шва, ко­ торый отделяет жидкую фазу ванны от твердой основно­ го металла.

Как видно из схемы ванны, длину участка контактиро­ вания твердой и жидкой фаз можно принять равной по-

71