Влияние температуры капель и кинетики плавления электрода на насыщение металла азотом.

И.К.Походня, А.М.Суптель

(Часть V) 

    Для проверки гипотезы электрического растворения были поставлены специальные опыты, исключающие наличие катодной области на капле (В проведении опытов участвовали инженеры П.В.Гладкий и А.П.Пальцевич).   Проволока марок Св-08А и  Св-0Х18Н9  Ø2 мм  расплавлялась факелом независимой аргоно-азотной плазмы. Образующиеся капли металла собирались на массивную медную пластину и охлаждались на ней. Для предупреждения попадания воздуха в факел плазмы зона сварки и капли дополнительно защищались потоком аргона. Расход плазмообразующего газа составлял      Q_Ar  = 4,5 ,  Q_N2  = 0,5,  защитного   Q_Ar .= 20 л/мин ( I_св  = 130-140 А,   U_д  = 20В).

        Химический анализ капель показал многократное пересыщение их азотом в сравнении с равновесной растворимостью по Сивертсу. В трех сериях капель из проволоки Св-08А содержалось 0,202,  0,185 и 0,228 % N, а в каплях из нержавеющей стали – 0,517% N. Эти опыты позволяют заключить, что роль внедрения ионов азота под действием катодного падения напряжения в пересыщении капель азотом невелика. Полученный эффект пересыщения металла азотом в плазме можно использовать для азотирования металлических материалов.

     В условиях дуговой сварки металл на торце электрода контактирует с атмосферой, состоящей из молекул, нейтральных атомов в обычном и возбужденном состоянии и ионов. Вероятность существования последних незначительна, если речь идет об азоте, так как степень термической ионизации в столбе и ионизации электронами, вырывающимися с катода, очень мала  [13, 14]. Обычные представления о равновесных концентрациях азота в этих условиях, по-видимому, не применимы. Содержание азота в металле, контактирующем со смесью различных частиц, будут определяться температурой, кинетическими факторами и парциальным давлением этих частиц в смеси:

                             S_[N] = K₁ √ P_N2 +  K₂ P_N  + K₃ P_N*  + K₄ P_N⁺                               (5)

где Р_N2 ,  Р_N ,Р_N*,   Р_N+       - парциальное давление молекул, атомов, возбужденных атомов и ионов азота; К₁,  К₂,  К₃  и К₄   - соответствующие константы. Поглощение азота металлом резко ускоряется, если в контактирующей с металлом атмосфере есть атомарный азот. По данным В.И.Явойского  [15]  скорость растворения атомарного азота выше, чем молекулярного в  e¹⁸  раз. Во время взаимодействия капли с атмосферой дуги, содержащей атомарный азот, количество азота, окклюдированного каплей, может значительно превышать растворимость в равновесных с молекулярным азотом условиях. При прекращении контактирования с атмосферой дуги определенная часть азота выделяется из металла, однако большая скорость кристаллизации, характерная для процессов сварки, способствует фиксации значительного количества азота в металле шва (капель).

( часть1 - часть2 - часть3 - часть4 - часть5 - часть6 - часть7)