способность диффузии углерода и на металле образуется пленка твердого неактивного углерода. При цементации это тормозит дальнейший процесс, а при сварке может препятствовать образованию металлической связи между закопченными поверхностями. Однако при сварке в условиях кратковременного нагрева и быстрого обмена газа в защищаемой зоне контакт с природным газом не только не приводит к образованию пленки твердого углерода, но, как правило, не вызывает заметного науглероживания даже тонких поверхностных слоев стали. Это связано с особенностью кинетики разложения метана, представляющего многоступенчатый, очень сложный процесс, последней стадией которого является образование ацетилена, непосредственно диссоциирующего на углерод и водород. Макроступени этого процесса соответствуют реакциям 2СН4 = С2Нв + Н2; С2Нв — С2Н4 -4- Н2;_ С2Н4 = С2Н2 + Н2; С2Н2 = 2С + Н2. При температуре сварки стали в твердом состоянии (1000— 1200° С) равновесная концентрация ацетилена в смеси с СН4 достаточно велика. При давлении 1 ат, Т — 1400° К количество метана, превратившегося в ацетилен, достигает 46,2% [148]. Однако из-за относительно малой скорости образования ацетилена из метана, связанной с длинной цепочкой промежуточных реакций, в условиях быстрого нагрева взаимодействие с природным газом (в основном метаном) не дает заметного науглероживания, а наличие в газе большого количества С02 и Н20 может даже привести к окислению стали. При сварке нелегированной стали без оплавления целесообразна добавка к природному газу около 10% ацетилена [79]. Ацетилен разлагается на элементы непосредственно с выделением углерода в активном состоянии. Ацетилен неустойчив при относительно низкой температуре и в состоянии равновесия выше 227° С диссоциирует полностью. Кинетически этот процесс идет с заметной скоростью уже при Т 400° С. По-видимому, углерод, образующийся в результате распада С2Н2, сначала востанавливает окислы на поверхности, а затем диффундирует в сталь. Кинетика "разложения метана и ацетилена может быть проанализирована на основе данных по выпадению из нагретых газов частиц сажевого углерода. В первом приближении скорость выпадения этих частиц является косвенным критерием интенсивности разложения газа на элементы. Теснер П. А. и др. пропускали через кварцевую трубку при 1000—1300° С метан, ацетилен или бензол в смеси с азотом и определяли количество образующихся частиц сажи на 1 мл газа в за-222 Рис. 149. Микроструктура стыка труб из стали 20, сваренных,'с нагревом т. в. ч. в атмосфере природного газа с добавкой 10% ацетилена [79]: а — науглероживание в соединении; б — ледебуритная эвтектика у поверхности усиления (Х200) висимости от температуры и других параметров [141]. В частности, было показано, что при каждой температуре имеется некоторая пороговая концентрация углеводорода, ниже которой заметного сажеобразования нет. Эта концентрация значительно выше у метана. Например, при расходе 500 мл1мин и Т = 1000° С выпадение частиц сажи начиналось при 5% СаНа (остальное N2), а для СН4 — только при 63%. При сварке встык с нагревом т. в. ч. до 1200—1250° С труб из стали 20 защита природным газом с добавкой 10% ацетилена уже приводит к заметному науглероживанию в стыке (рис. 149, а) [79]. Несмотря на малую продолжительность нагрева, в соедине-•ниях появляется науглероженная зона шириной до 0,2 мм. На поверхности усиления шва, дольше контактирующего с газом, степень науглероживания больше; здесь иногда появляется слой чугуна (ледебуритной эвтектики), под которым образуется прослойка мартенсита толщиной 0,05—0,1 мм (рис. 149, б). Степень науглероживания можно регулировать составом защитной атмосферы: чем больше длительность сварочного нагрева, тем меньше должно быть в ней ацетилена. Тонкая прослойка повышенной твердости мало влияет на свойства соединения при статическом и при циклическом нагруже-нии. Поэтому при сварке без оплавления низкоуглеродистой ч низколегированной стали с умеренным науглероживанием зоны оединения появление в ней структур с несколько повышенной твердостью не должно препятствовать применению восстановительно-науглероживающей защитной атмосферы, надежно предупреждающей окисление и образование связанных с нимдефектов.
Карта
|