Группа 203 

Предмет: Технология термитной сварки. 

Тема урока: Физико-химические основы термитной  сварки. 

Цель урока: изучить данную тему, составить краткий конспект. 

Термитная сварка — это процесс формирования соединения металлических деталей жидким металлом регламентируемого химического состава, который образуется в результате термитной (алюмино- термической) реакции. Суть термитной реакции заключается в том, что алюминий способен восстанавливать оксиды металлов с выделением большого количества тепловой энергии. Это приводит к изменению потенциального состояния системы и рекристаллизации компонентов, принимающих участие в данном процессе:

где Q — теплота реакции, Дж;

U — U2 — изменение энергетического состояния материалов, Дж;

А — работа по рекристаллизации компонентов, Дж.

Большая часть тепловой энергии, образующейся при термитной реакции, продолжительное время поддерживает металл в жидком состоянии с существенным перегревом выше ликвидуса, что и позволяет применять его для различных технологических целей.

Термитная реакция существенно отличается от свободного горения веществ тем, что она протекает за счет кислорода, связанного в оксиды металлов. Поэтому данная реакция протекает в ограниченных объемах и в вакууме.

Термитный процесс с железоалюминиевым составом протекает в соответствии со следующей зависимостью:

где М, — металл, стоящий левее в ряду напряжений химических элементов;

М2 — металл, стоящий правее в ряду напряжений, в данном случае Fe;

М20 — оксиды железа (FeO и Fe2Os);

М[0 — оксид алюминия (А1203);

Q — теплота реакции, Дж.

Основным высококалорийным горючим, применяющимся в термитных смесях, является алюминий. После кислорода и кремния алюминий является самым распространенным элементом земной коры и составляет около 8% массы Земли (железо 4,7%).

Алюминий в тонко измельченном состоянии при нагревании на воздухе быстро окисляется, выделяя большое количество тепла, и образует оксид алюминия А1203 — прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 °С и температурой кипения 2980 °С. Теплота образования оксида алюминия 1588 кДж/моль.

Удельный вес алюминия 2,7 г/см3 при 20 °С; в расплавленное состоянии, при температуре 1000 °С — 2,35 г/см3. Температура плавления технически чистого алюминия (99,5%) — 659,8 °С; температура кипения —2400 °С. Для окисления алюминия на 1,12 г металла требуется 1 г кислорода. При этом алюминий, сгорая, выделяет 2998 кДж тепла и развивает температуру до 3000 °С.

Термитная смесь для сварки состоит из алюминиевого металлического порошка, железной окалины и различных присадок, вводимых в нее для легирования получаемой термитной стали.

Для старта реакции при термитной сварке необходимо выполнить ряд обязательных условий.

• 1. Необходимо рассчитать состав термитной шихты так, чтобы на старте реакции выделилось необходимое количество тепла для перевода в перегретое жидкое состояние продуктов реакции.
• 2. Необходимо обеспечить состояние компонентов, составляющих термитную шихту, в виде мелких фракций при их однородном перемешивании.
• 3. Для старта термитной реакции в объеме термитной смеси необходимо обеспечить нагрев выше 1350 °С. Это обеспечивает ускоренное распространение фронта реакции на весь объем термитной смеси.

Термитная реакция очень активно протекает в течение 30 с от старта, а затем ее активность спадает. За указанный промежуток времени образуется жидкий перегретый металл в количестве 0,5 от исходной массы шихты, и шлак.

Некоторое количество выделившейся тепловой энергии тратится на нагрев тигля, лучеиспускание и прочие потери. Оставшегося тепла хватает для расплавления шихты и перегрева жидкого металла и шлака до температуры 2550—2700°С. Из-за существенной разницы в плотности жидкого металла и шлака последний поднимается вверх на поверхность, а жидкий металл, наоборот, перемещается на самое дно тигля. Указанный процесс обеспечивает получение рафинированного металла.

Наличие дефектов, равномерность химического состава и наличие примесей в термитном металле регламентируется свойствами компонентов, формирующих термитную смесь.

Для получения металла (стали) нужного химического состава в шихту вводят в измельченном состоянии легирующие материалы: ферромарганец, ферромолибден, ферротитан, феррованадий, углерод и т. д,

Участие легирующих элементов в термитной реакции весьма разностороннее: это легирование термитной стали, ее глубокое раскисление и рафинирование. Наблюдается частичная утрата легирующих элементов в термитной смеси на испарение и переход в шлак.

Ценные ферросплавы (ферротитан, феррованадий и др.) повышают прочность термитной стали, так как в ходе реакции, находясь в жидком состоянии, они образуют карбидную фазу титана и ванадия. Наличие в стали перечисленных карбидов увеличивает ее мелкозернистость, повышает твердость и т.п.

Длительность термитной реакции от момента зажигания термита до ее окончания и полного отделения металла от шлака находится в прямой зависимости от количества сжигаемого термита и колеблется от 15 до 40—50 с.

Условия, требуемые для осуществления термитной реакции. Для осуществления реакции горения термита требуется соблюдение определенных обязательных условий, к которым относятся следующие.

• 1. Химическая чистота основных компонентов, составляющих термитную смесь.
• 2. Определенный гранулометрический состав компонентов шихты.
• 3. Строго регламентируемое соотношение основных составляющих термитной смеси.
• 4. Быстрый нагрев термита до температуры воспламенения.

В железоалюминиевом термите в качестве восстановителя используется порошок технически чистого алюминия, а в качестве окислителя — размолотая железная окалина.

Для достижения требуемой активности и теплового эффекта термитной реакции требуется химическая чистота как окислителя, так и восстановителя.

Влияние химической чистоты восстановителя на качество сварных соединений показано в табл. 1.1.

Для приготовления термитных смесей для сварки стыков рельсовых путей используются порошки из технического алюминия марок А-00, А-0, А-1 по ГОСТ 11070—70 (концентрация алюминия в указанных порошках изменяется в следующем диапазоне: для А-00 — 99,05% А1; для А-0 - 98,95% А1 и для А-1 - 98,80% А1).