Взаимодействие алюминия с кислородом

Алюминий обладает способностью активно взаимодействовать с кислородом. Так, например, при температуре 1000 °С реакция окисления алюминия может протекать уже при p_о2 = 4,4-10^-41 Па. Образующийся в результате этого взаимодействия оксид алюминия А1₂О₃ покрывает поверхность изделия прочной и плотной пленкой. Окисление алюминия при нормальной температуре после достижения предельной толщины пленки практически прекращается. Предельная толщина пленки при выдержке алюминия в атмосфере воздуха при температуре 20 °С устанавливается через 7-14 дней и достигает 5-10 нм.

Такое поведение алюминия может быть объяснено хорошими защитными свойствами оксидной пленки. Это подтверждается известным правилом, согласно которому плотная пленка с защитными свойствами образуется в том случае, если отношение объема оксида к объему окислившегося металла больше единицы Для алюминия такое соотношение равно 1,24, а для магния 0,79. Благодаря плохим защитным свойствам оксидной пленки магния окисление его в отличие от алюминия идет непрерывно, и толщина пленки возрастает со временем линейно.

Важнейшей характеристикой оксидной пленки алюминия служит его способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Последний удерживается оксидной пленкой вплоть до температуры плавления металла. Отличаясь значительной механической прочностью (20 МПа при толщине 10^-5 см), оксидная пленка алюминия, несмотря на большую плотность, чем у алюминия (2,85— 3,95), легко удерживается на поверхности жидкого металла силами поверхностного натяжения. Коэффициент температурного расширения оксидной пленки почти в 6 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в оксидной пленке образуются трещины.

При наличии в алюминии легирующих добавок состав оксидной пленки может меняться. В составе оксидной пленки сплавов, содержащих кремний или магний, обнаруживается соответственно присутствие силлиманита (Al₂О₃-SiO,) и магнезиальной шпинели (MgO-Al₂О₃). При наличии в алюминии примесей щелочных и щелочноземельных элементов оксидная пленка обогащается их оксидами Подобная сложная оксидная пленка — более рыхлая, более гигроскопичная и хуже защищает металл от диффузии газов.

Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050 °С), оксидная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образование общей ванны. При сварке должны быть приняты меры для разрушения и удаления пленки и защиты металла от повторного окисления.
Благодаря большой химической прочности соединения восстановление алюминия из его оксида в условиях сварки практически невозможно. Также не удается связать Al₂О₃ в прочное соединение по реакции кислота + основание = соль. Поэтому действие флюсов для сварки алюминия основано на процессах растворения и смывания диспергированной оксидной пленки расплавленным флюсом.
Флюсы и покрытия электродов для сварки алюминия и его сплавов построены однотипно. Основу флюсов, как правило, составляют легкоплавкие смеси хлористых солей щелочных и щелочноземельных элементов, к которым добавляют небольшое количество фтористых соединений, активизирующих действие флюса.

Ранее предполагалось, что действие флюсов основано исключительно на растворении оксидной пленки фторидами, имеющимися в составе флюсов. Однако сравнение данных растворимости оксида илюминия фторидами позволяет признать это объяснение маловероятным, поскольку его растворимость во фторидах невелика, а их содержание во флюсах недостаточно. Так, например, в чистых расплавленных солях натрия и калия, часто служащих основой флюсов для сварки, оксид алюминия практически не растворяется. При введении в состав флюса криолита растворимость оксида алюминия возрастает. Однако при температуре 900 °С при содержании во флюсе 10 % криолита растворимость оксида алюминия все же не превышает 0,15 %.

Более вероятен следующий механизм действия флюса. В процессе нагрева металла, благодаря различным коэффициентам теплового расширения металла и пленки, в последней образуются мельчайшие трещины. В трещины затекает расплавленный флюс, содержащий хлориды. В результате взаимодействия алюминия с флюсом образуется соединения А1С1₃. Хлорид алюминия возгоняется при температуре 183 °С, и при сварке упругость паров хлоридов алюминия может достичь значительной величины. Образующиеся в месте контакта с жидким металлом пары хлористого алюминия отрывают частицы пленки от его поверхности. Последние уносятся движущимся флюсом и частично в нем растворяются.

Известный факт благоприятного действия фторидов, содержащихся во флюсах, на повышение их активности можно объяснить тем, что фториды, растворяя оксид алюминия преимущественно по границам образующихся в пленке трещин, облегчают доступ флюсов к жидкому металлу под пленкой, активизируя процесс ее разрушения и удаления.

В условиях аргонодуговой сварки возможно удаление оксидной пленки за счет катодного распыления. Катодное распыление обусловлено бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами.

Благодаря относительно большим размерам положительно заряженные ионы при соударении отдают свою энергию (кинетическую и потенциальную) поверхностным атомам, которые в свою очередь передают энергию глубинным атомам. В связи с концентрированной передачей энергии поверхностным атомам создаются благоприятные условия для их испарения. При этом в первую очередь испаряются атомы поверхностных оксидных пленок.

Анод бомбардируется в основном электронами, которые из-за малых размеров передают свою энергию (кинетическую и потенциальную) не только поверхностным атомам, но и глубинным. В этом случае энергия, передаваемая электронами аноду, распределяется более равномерно между поверхностными атомами и расположенными глубже. Такой характер передачи энергии снижает вероятность испарения поверхностных атомов, но с другой стороны способствует интенсивному нагреву металла в поверхностном слое анода. Благодаря этому анод при прочих постоянных условиях нагревается до более высокой температуры по сравнению с катодом (температура нагрева вольфрамового анода 4200 К, катода 3600 К, температура плавления вольфрама 3660 К), а испарение поверхностных атомов происходит более интенсивно с катода. Это учитывают при разработке технологии сварки алюминия и его сплавов.

Поскольку в процессе аргонодуговой сварки имеет место лишь разрушение пленки, а не удаление ее, как при сварке с флюсами, то возникает необходимость повышения требований к качеству предварительной обработки деталей перед сваркой с целью получения возможно более тонкой и однородной пленки по всей поверхности кромок изделий. Для предупреждения дополнительного окисления ванны и засорения ее оксидами в процессе сварки обязательное условие — применение аргона высокой чистоты.

В алюминиевых сплавах концентрация легирующих элементов., как правило, невелика и редко превышает 5—10 %. Если учесть исключительно высокую активность алюминия по отношению к кислороду и его способность восстанавливать многие металлы из их оксидов, то ожидать ощутимых потерь в результате окисления таких элементов, как Сu, Mn, Fe, Si, Zn, входящих в небольших концентрациях в состав сплавов, нет основания.

Исключение может составить магний, обладающий значительно большим сродством к кислороду, чем алюминий. Ориентировочные расчеты показывают, что в присутствии алюминия преимущественное окисление магния наблюдается при содержании его в сплаве нескольких десятых долей процента. Наличие же на поверхности алюминиево-магниевых сплавов сложной оксидной пленки, которая в ряде случаев представляет собой практически чистую магнезию, подтверждает это положение.

Присутствие на поверхности металла прочной оксидной пленки сказывается на характере капельного переноса металла. При сварке в окислительной среде размер капель, переходящих с электрода, достигает большой величины, и горение дуги протекает неустойчиво. Снижение окисляющего действия атмосферы и применение покрытий на электродах способствуют уменьшению размеров переходящих капель.

Большое влияние на размер переходящих капель и устойчивость процесса сварки оказывают выбранная полярность и плотность тока на электроде. При сварке на прямой полярности благодаря разрушению пленки на катодном пятне наблюдается быстрое плавление электрода при сравнительно мелкокапельном переносе металла. Начиная с некоторой величины плотности тока металл переходит в виде очень мелких капель, создающих впечатление струи.

При сварке на обратной полярности при прочих равных условиях размер переходящих капель с электрода оказывается большим, чем при сварке на прямой полярности. Однако и в этом случае начиная с определенной величины плотности тока крупнокапельный перенос металла сменяется мелкокапельным струйным. Дуга приобретает высокую устойчивость и способность к саморегулированию.

Наличие резкой границы по току, отделяющей капельный перенос металла от струйного, можно объяснить тем, что начиная с определенной величины тока силы, отрывающие каплю от электрода (сила пинч-эффекта и сила тяжести), превалируют над силами, удерживающими каплю на электроде (в основном механическая прочность пленки). В связи с этим капля отрывается от электрода в момент образования, не успевая вырасти в размерах.

Для устранения оксидных включений в металле швов рекомендуются различные технологические приемы, направленные на создание условий для перемешивания металла сварочной ванны и дробления оксидных пленок.

Алюминий энергично реагирует со всеми газами, образуя нитриды, карбиды и оксиды. Однако образование карбидов и нитридов алюминия возможно в атмосфере, в которой отсутствуют кислород и кислородосодержащие элементы. При наличии в атмосфере кислорода в первую очередь образуется пленка оксидов, задерживающая дальнейший обмен с окружающей средой и образование соответствующих соединений.