Глава 2. Взаимодействие металла с азотом

Выход ионизации железа. При расчете принимаем /',,= 107. 108 А/м2; 7Ф - 5000 К; и,Гс = 7,9 В; ик = 16,8 В; д^ = 7,5-Ю'20 м2. Парциальное давление паров железа РГе принято равным 0,9 атм (равно приблизительно 90 кН/м2). Такое допущение правомерно, поскольку при сварке происходит интенсивное испарение электрода. По данным Г.И. Лескова, около 12 % железного катода испаряется, скорость паров достигает 17 м/с. Концентрацию нейтральных атомов железа СРс определяем по уравнению

с* =^з;'(2'67)

где — давление паров железа; Та — температура паров; к — постоянная Больцмана.

При принятых в расчете температуре и давлении паров железа Сг,= 1,33-10м м-3, 2^ = 6,2-10зо.1031 1/(м3-с), а соотношение выходов ионизации железа и азота

7Л 7-1П 30 31

^-Ц^-*»Л*.(2.68,

Вероятность термической ионизации азота при температурах сварочных дуг между железными электродами также очень мала [891. По данным работы [90] отношение доли молекул и атомов азота к доле ионов азота N1+ в азотной плазме при температурах 5000 и 6500 К составляет соответственно 0,5-105 и 0,38-104, а соотношение концентрации ионов железа и азота в дуге приблизительно равно 10* 189].

В обычных условиях сварки в зону дуги чаще всего попадает воздух. В результате реакции между азотом и кислородом образуется оксид азота N0. Согласно расчетам, приведенным в работе [91], при 5000 К молярная доля N0 в воздухе составляет примерно 3 %. Если принять, что парциальное давление воздуха в зоне дуги 0,1 атм (порядка 10 кН/м2), то давление N0 равно 0,003 атм (приблизительно равно 0,3 кН/м2).

Принимая те же условия, что и для расчета 21У в атмосфере с 10 % N2, учитывая значения адао = 3,8* 10~22 м2/В, получаем выход ионизации 2^о* = 7,65-1026.Ю27 1/(м3-с) и соотношение

■|^-= 5,35-10 3.(2.69)

Для водорода при ЯНг = 0,1 атм (приблизительно равно 10 кН/м2) и прочих равных условиях

2^ = 4,4-)027.1028 1/(мЧ) и* 1,4-10 3 . (2.70)

Таким образом, молярная доля ионов N5, Щ, N0* в общем количестве частиц, участвующих в переносе зарядов, незначительна.

Для оценки молярной доли азота, переносимого из атмосферы дуги в металл ионами, были использованы экспериментальные данные о содержании азота в каплях-катодах при расплавлении проволоки Св-0Х18Н9, а также данные о количестве азота в каплях-катодах при расплавлении проволоки Св-08 диаметром 2 мм в атмосфере Не + 10 % Ы2 в герметичной камере. Плотность тока ионов азота /м , необходимого для переноса определенного количества азота, рассчитывали по формуле

, У„л[М]Лу0- .

~ ША '(2-7,)

гДе У™ — скорость плавления электрода, г/с; |г1] — массовая доля поглощенного азота, %; Ил — число Авогадро; е0 — заряд однозарядного иона, Кл; А — атомный вес азота, г.

Соотношение концентраций ионов железа СРс1 и азота С^,

определяли по уравнению

(2.72)

где /Ре, и /м — плотности токов ионов железа и азота.

Для упрощения расчетов было принято, что ионный ток при расплавлении малоуглеродистой и нержавеющей сталей в смеси Не + N2 состоит из ионов железа и азота, т. е. /об111 = /Ге+ + ^ и

что все ионы азота поглощаются катодом.

Доля общего ионного тока была принята равной 50 и 20 % (последнее значение, по оценкам специалистов, более вероятно).

Сравнивая данные табл. 2.6 с рассчитанным выше соотношением выходов ионизации железа и азота, видим, что при сварке на максимальных силах тока, т. е. когда наиболее вероятна ионизация азота и в каплях фиксируются наибольшие его количества, соотношения концентраций ионов железа и азота в катод-