Неметаллические включения в сварных швах
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.
–
.
ешанных 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
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
