Из уравнения (II 1.17) время полного растворения включения (гв — 0) составляет

(III. 18)

Рис. 29. Зависимость времени полного растворения включений Sit\ от размера включений при различном содержании Si в металле:

/ — [Sil — 0,01 %; 2 — [Sil — 0.03 %; 3 — [Sl] — 0,06 %; 4 — [Si] - 0,1 % (по массе)

В ([0]р - [0]ф)

Следует отметить, что выражения (III. 17) и (II 1.18) получены в предположении, что [0]ф = const. Однако на самом деле в первоначальный момент эта величина равна содержанию кислорода в металле, а в процессе вакуумирования должна снижаться за счет взаимодействия растворенного кислорода с углеродом и удаления кислорода в газовую фазу. Поэтому для расчетов правильнее пользоваться средним значением между начальным и конечным содержанием кислорода в металле.

Расчеты показали (рис. 29, 30), что в углеродистом железе включения Si02 и Сг203 радиусом до 10 мкм могут полностью раствориться за 3—5 с. С повышением содержания Si и Сг в расплаве скорость растворения заметно снижается, что связано с уменьшением разности [OL —■ [0]ф, которая входит в знаменатель выражения (III.18).

При вакуумировании будут растворяться и сульфиды. Однако снижение содержания серы в расплаве при его вакуумировании зависит от наличия в расплаве поверхностно-активных элементов, в первую очередь от концентрации кислорода [307].

Рассмотрим второй возможный процесс укрупнения неметаллических включений за счет их объединения. Объединение отдельных включений может происходить с исчезновением разделяющей их поверхности или с частичным сохранением поверхности раздела. В первом случае процесс называется ко-алесценцией, во втором ■— коагуляцией. Коалесценция наблюдается при укрупнении жидких включений, которые могут быть и одина-

Рис. 30. Зависимость времени полного растворения включений Сг203 от размера включений при различном содержании Сг в металле:

I — [Сг] — 1 %; 2 - [Сг] — 3 %; 3 — [Сг] — Б % (по массе).

кового и различного состава, а коагуляция чаще всего наблюдается при столкновении твердых включений, твердых с жидкими включениями или при встрече жидких малорастворимых друг в друге включений. Коагуляция может быть ортокинетической и перикинетической. Коагуляция будет перекинетической, если она совершается под действием сил, действующих одинаково во всех направлениях. Если же вероятность столкновения частиц в одном направлении больше, чем во всех остальных, то в этом случае будет иметь место ор-токинетическая коагуляция.

Благодаря наличию в сварочной ванне частиц различных размеров, форм и плотности, а также вследствие интенсивного перемешивания расплавленного металла в сварочных процессах наибольшее значение имеет ортокинетическая коагуляция.

Не касаясь всех сторон процесса укрупнения неметаллических включений в результате их объединения, рассмотрим в данном параграфе только возможность протекания этого процесса с точки зрения термодинамики. Поскольку наличие в сварочной ванне большого числа включений обусловливает существование развитой поверхности раздела между неметаллическими включениями и расплавом, такая система будет обладать значительной свободной энергией. Естественно, что свободная энергия системы стремится уменьшиться, и это может быть достигнуто лишь при замене множества мелких частиц меньшим числом крупных. Величина снижения свободной энергии при объединении частиц будет зависеть от их агрегатного состояния.

При коалесценции жидких включений, как было показано в [236], убыль свободной энергии сЮ прямо пропорциональна межфазному натяжению и уменьшению поверхности раздела

между металлом и включением: — Ю = см_в^5. Поскольку существование устойчивых коллоидных систем возможно лишь при значениях межфазного натяжения много ниже 1 мДж/м2, вследствие высокого значения ам_в (см. табл. 5) включения, диспергированные в металле сварочной ванны, представляют собой весьма неустойчивую эмульсию. Поэтому процесс коалесценции жидких неметаллических включений может протекать самопроизвольно и полнота этого процесса будет тем больше, чем больше будет величина сгм_в. В случае слияния жидкого включения с твердым убыль свободной энергии

— (Ю = о„_вй5м—в + о„_тс/5м_т.

Однако появление поверхности раздела между жидким и твердым включениями приведет к возрастанию величины