Неметаллические включения не относятся к числу дефектов сварных швов, но оказывают заметное влияние на их качество и свойства. Рассмотрим различные типы неметаллических включений, встречающихся в сварных швах на стали.
Оксидные включения. В металле шва может содержаться до 0,1% кислорода, находящегося в виде неметаллических оксидных или смешанных включений. Химический и минералогический составы этих включений зависят от химического состава металла шва. При низком содержании кремния и марганца в металле шва и отсутствии других легирующих элементов оксидные включения содержат в основном FeO, остальное — SiO2 и МnО.
При повышении содержания кремния и марганца в металле шва заметно увеличиваются концентрации окислов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшается содержание в них окислов железа. Общее количество оксидных включений в шве при этом также уменьшается. С увеличением соотношения [% Si) : [% Мn] в металле глва содержание SiO2 во включениях растет, а МnО уменьшается.
Введение алюминия в металл шва уменьшает общее количество оксидных включений и ведет к появлению в их составе герцинита FeO-Al2О3. Дальнейшее повышение содержания алюминия сопровождается образованием включений глинозема Аl2О3. При наличии хрома в шве образуются включения хромита FeO-Cr2О3; продуктом раскисления сварочной ванны ванадием является окись ванадия V2О3. Низкая концентрация титана в металле шва ведет к образованию включений титаната железа FeO-Ti2О3, при высоком его содержании образуется оксид титана Ti2O3.
Выявленные в швах ручной дуговой сварки оксидные включения по минералогическому составу можно разделить на следующие главные типы: 1) смешанные железо-марганцевые оксиды, представляющие собой непрозрачные включения преимущественно шарообразной формы. Их образованию способствует высокая окисленность металла шва при низком содержании кремния и отсутствии других активных раскислителей; 2) железо-марганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных округлых включений с вкраплениями темных частиц; 3) стекловидный кремнезем (прозрачные частицы шарообразной или неправильной формы), встречается преимущественно в хорошо раскисленных кремнием швах.
При сварке под флюсом вид и состав оксидных включений зависят от состава флюса. В швах, сваренных под высококремнистыми марганцевыми флюсами, включения преимущественно представлены высококремнистыми и железо-марганцевыми силикатами. Это округлые, прозрачные и сравнительно крупные (0,002—0,02 мм) оксидные включения. Кроме того, в таких швах много межкристаллитных силикатных пленок. На рис. 6-26 показаны межкристаллитные силикатные пленки, выявленные в низкоуглеродистом шве при исследовании под электронным микроскопом. Пленки расположены на границах между кристаллитами металла шва и иногда сливаются с круглыми оксидными включениями.
Рис. 6-26. Межкристаллитные силикатные пленки в шве, сваренном под высококремнистым марганцевым флюсом на низкоуглеродистой стали; X 9000
При высококремнистых безмарганцевых флюсах во включениях преобладают округлые бесцветные выделения стекловидного кремнезема, наблюдаются и межкристаллитные силикатные пленки. В швах, сваренных под низкокремнистыми и бескремнистыми флюсами, основную массу включений составляют алюмосиликаты и шпинели. При сварке в защитных газах вид и состав оксидных включений определяются химическим составом металла шва и содержанием в нем кислорода. Кроме перечисленных видов включений встречаются и другие. Оксидные включения часто имеют неоднородный минералогический состав, они также могут образовывать сложные кислородсодержащие включения, например, оксисульфиды.
Оксидные включения и силикатные пленки снижают ударную вязкость и хладостойкость металла шва на углеродистых и низколегированных сталях. В аустенитных швах силикатные пленки уменьшают пластичность металла шва при испытаниях на растяжение и изгиб, не влияя, однако, на величину ударной вязкости.
Сульфидные включения. В сварных швах на стали обычно содержится 0,02—0,04% S, образующей сульфидные включения. На нетравленых шлифах эти включения имеют вид темных пятен, чаще всего неправильной формы. Размер включений сильно возрастает в направлении от границы сплавления металла шва с основным металлом к середине шва. Наиболее крупные включения наблюдаются в середине верхней части шва. При специальном травлении шлифов выявляются сульфидные пленки и цепочки мелких сульфидных включений, расположенные по границам кристаллитов металла шва.
Состав, форма и размеры сульфидных включений зависят от химического состава металла шва. В сульфидных включениях сера в основном находится в виде соединений с железом и марганцем. Повышение содержания в шве марганца способствует преимущественному связыванию серы в сульфид марганца MnS. Окисление сварочной ванны окалиной уменьшает содержание MnS во включениях и увеличивает содержание сульфида железа FeS. При высоком содержании марганца в шве повышение количества углерода уменьшает содержание MnS в сульфидных включениях. При малом количестве марганца изменение концентрации углерода мало влияет на связывание серы в форме MnS.
Кремний сильно уменьшает содержание сульфида марганца во включениях. Наличие хрома в металле шва способствует связыванию серы в виде сульфида хрома или смешанных хромомарганцевых сульфидов. Повышение содержания углерода в металле шва заметно увеличивает размер сульфидных включений.
В зависимости от степени раскисленности металла сварочной ванны образуются сульфидные включения трех типов. При окисленном металле, а также в присутствии марганца, хрома и кремния преимущественно образуются шаровидные оксисульфидные включения. Под влиянием небольших добавок сильных раскислителей (алюминия, титана, циркония и др.) сульфидные включения приобретают вид пленок и цепочек, расположенных по границам кристаллитов металла шва. Введение алюминия и циркония в количествах, больших необходимого для полного раскисления стали, может вызвать превращение пленок и цепочек во включения угловатой неправильной формы.
Наиболее опасными в отношении образования кристаллизационных трещин в сварных швах являются сульфидные пленки и цепочки. На рис. 6-27 показаны расположенные по границам кристаллитов низкоуглеродистого шва сульфидная пленка и цепочка сульфидных включений. Сульфидная пленка дала начало кристаллизационной трещине.
Рис. 6-27. Цепочка сульфидных включений и сульфидная пленка, послужившая причиной возникновения кристаллизационной трещины; X 1500
В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали по сравнению с кислородом в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием оксисульфидов. Аналогично образуются карбосульфидные и другие сложные сульфидные включения.
Фосфорсодержащие включения. Содержание фосфора в сварных швах на стали, как правило, невысокое — не больше 0,04— 0,06%. В швах на углеродистых и низколегированных сталях фосфор преимущественно находится в твердом растворе, а не в виде неметаллических включений. Это обусловлено низкой концентрацией фосфора в металле швов и относительно высокой его растворимостью в феррите. В связи с низкой растворимостью фосфора в аустените фосфорсодержащие включения значительно чаще встречаются в швах с аустенитной структурой. В этих включениях фосфор может находиться в виде фосфидов, фосфидных эвтектик и фосфатов.
Фосфидные включения имеют червевидную форму и располагаются по границам кристаллитов металла шва. В зависимости от направления сечения на шлифах они имеют вид межкристаллитных прослоек или включений округлой формы. Фосфидные эвтектики находятся в виде прослоек по границам кристаллитов металла шва или зерен основного металла в околошовной зоне. Фосфидная эвтектика в зоне термического влияния марганцевой аустенитной стали Г13, показанная на рис. 6-28, расположена на границе двух зерен, между которыми проходит горячая трещина.
Рис. 6-28. Фосфидная эвтектика и горячая трещина на границе зерен основного металла; X 800
Вредное влияние фосфора на свойства сварных соединений заключается в снижении высокотемпературных характеристик металла шва вследствие ослабления межкристаллитных границ (при выделении легкоплавких включений) и в ухудшении механических свойств швов при нормальной и низких температурах. Последнее обусловлено снижением пластичности металла в результате растворения фосфора и наличием на границах кристаллитов хрупких неметаллических прослоек. Так как растворимость фосфора в аустените ниже, чем в феррите, опасность образования кристаллизационных трещин и снижения механических свойств металла шва значительно больше для швов с аустенитной структурой.
Для среднелегированных сталей вредное влияние фосфора и серы в отношении образования кристаллизационных трещин усиливается тем, что места ликвации этих элементов в металле шва совпадают. Обогащенные фосфором участки феррита лежат по границам первичных кристаллитов, где скапливаются и сульфидные включения.
Нитридные включения. В зависимости от надежности защиты зоны сварки от воздуха содержание азота в металле шва составляет 0,01—0,1%. Нитридные включения в сварных швах встречаются значительно реже, чем оксидные или сульфидные. Это обусловлено низким содержанием азота в швах и меньшей стойкостью нитридов при высоких температурах. Образование отдельной нитридной фазы в жидкой стали возможно лишь в присутствии сильных нитридообразующих элементов (титана, циркония). В основном нитридные включения выделяются в процессе охлаждения или термообработки сварных соединений. Для их образования необходимо наличие в металле шва сравнительно высокой концентрации азота, что возможно, например, при сварке открытой дугой без защиты или же при повышенном содержании азота в основном металле.
Обычно в связи с быстрым охлаждением и низкой концентрацией азот в металле швов фиксируется в виде твердого раствора. Если этот твердый раствор перенасыщен азотом, то при работе сварных соединений в нормальных условиях или при нагреве из него выделяются включения нитридов. Этим обусловлено так называемое старение металла шва. Ввиду малой скорости диффузии азота в твердом металле этот процесс проходит медленно.
В швах низкоуглеродистой стали с повышенным содержанием азота иногда обнаруживаются иголки нитрида железа Fe4N и железонитридный эвтектоид, так называемый браунит. Нитридные иголки наблюдаются лишь в швах, сваренных на воздухе голым электродом или электродом с тонким покрытием.
Источник: Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Б.Е. Патона. М., Машиностроение, 1974
Twitter
Вконтакте
Livejournal
Facebook
Мой Мир
Google Buzz
Gmail