1 ТЕРМИТНАЯ СВАРКА

 1.1 ПРИНЦИП СВАРКИ

Термитами называются порошкообразные горючие смеси метал­лов с окислами металлов, способные сгорать с выделением зна­чительного количества тепла и развивать при этом весьма высо­кую температуру. Термиты изобретены в конце позапрошлого столетия. Они применяются для производства некоторых металлов и сплавов.

Важной областью применения термитов является сварка ме­таллов. Горючими металлами в термитных смесях могут служить металлы с большой теплотой образования окислов, например алю­миний, магний, кремний (в особенности аморфный). Источником кислорода в термитных смесях являются окислы металлов со сравнительно небольшой теплотой образования, например, оки­слы железа, марганца, никеля, меди и т. п. В качестве источника кислорода в сварочных термитах обычно применяется железная окалина, примерно отвечающая по составу магнитной окиси-за­киси железа Fe₃0₄, содержащей 27,6% кислорода и 72,4% железа.

Наиболее важным для сварки является алюминиевый термит, который состоит из металлического алюминия в форме грубозер­нистого порошка или крупы, обычно с величиной зерна около 1 мм, и из железной окалины примерно с той же величиной зерна. По внешнему виду алюминиевый термит представляет собой сыпучую грубозернистую смесь из белых зерен (алюминий) и черных зерен (железная окалина). Для зажигания термита его необходимо нагреть хотя бы в одной точке до температуры порядка 1000° С. Начавшееся горение протекает весьма бурно, быстро распростра­няется на весь объем термитной смеси и проходит по реакции:

3Fe₂О₄ + 8Al = 4Al₂О₃+9Fe                                        (1)

Термит сгорает полностью за 20—30 сек. Время горения зави­сит от грануляции, т. е. размеров зерен смеси: чем мельче зерно, тем быстрее заканчивается процесс горения. Экзотермическая реакция сгорания 1 кг алюминиевой термитной смеси развивает около 750 ккал.

Из приведенной выше реакции сгорания термита легко рас­считать, что на 1 кг термитной смеси необходимо 237 г алюминия и 763 г железной окалины. Этот расчет относится к химически чи­стым компонентам. В действительности термитную смесь изготов­ляют из возможно более дешевых материалов: из технического алюминия низших марок или алюминиевого лома с содержанием алюминия 88—98%. Железную окалину берут обычно из цехов горячей прокатки стали, в которых она является отбросом про­изводства. Такая окалина может содержать различное количе­ство кислорода. Поэтому действительный состав термитных сме­сей может меняться в довольно широких пределах в зависимости от химического состава применяемых материалов, который сле­дует проверять химическим анализом. Наиболее распространен­ный состав термитной смеси для материалов среднего качества: 23%  алюминия и 77%  железной окалины.

Несмотря на то, что алюминиевый термит выделяет сравни­тельно небольшое количество тепла, в среднем 750 ккал на 1 кг смеси (1 кг хорошего каменного угля дает 7000 ккал), термитная смесь развивает при сгорании весьма высокую температуру. Это объясняется тем, что сгорание термита идет исключительно за счет вещества самой смеси и 1 кг термита при сгорании дает столько же, т. е. 1 кг продуктов сгорания. Уголь же сгорает за счет кислорода воздуха, и при сжигании 1 кг угля в воздухе получается около 14 кг продуктов сгорания. По теоретическому расчету реакции сгорания термита с учетом теплоемкости про­дуктов сгорания обеспечивается температура ~ 3000°С; такую же температуру показывают и непосредственные измерения. Поэтому продукты сгорания термита — железо (температура плав­ления около 1500°С) и окись алюминия А1₂O₃ (температура плав­ления 2050°С) получаются в расплавленном, жидком и сильно перегретом виде.

Если сжечь термит в огнеупорном тигле, то по окончании реакции горения продукты реакции — жидкая сталь и шлак, состоящий главным образом из окиси алюминия, быстро разде­лятся на два слоя: металл — шлак в соответствии с удельным весом продуктов реакции; из 1 кг термитной смеси образуется 550 г расплавленной стали и 450 г шлака — расплавленной окиси алюминия. В сварочные термитные смеси, помимо алюминия и железной окалины, обычно вносят различные добавки с целью улучшить состав и повысить прочность термитного металла, увеличить общий выход металла при сжигании смеси, несколько понизить температуру термитной реакции.

Для раскисления термитного металла, улучшения его химиче­ского состава и повышения механической прочности в термитные смеси обычно вводят ферросплавы, главным образом ферроси­лиций и ферромарганец. Меняя количество этих присадок, можно изменять в широких пределах химический состав и механические свойства термитного металла, например предел прочности можно изменять от 40 до 75 кг/мм². Для увеличения выхода термитного металла и некоторого снижения температуры термитной реакции в термитную смесь для сварки обычно добавляют технически чистое железо в мелких кусочках в количестве 10—15% веса термитной смеси. Для этой цели чаще всего применяют обсечку — отход при производстве проволочных гвоздей. Окончательный состав тер­митной сварочной смеси определяют расчетом в зависимости от характера работы и состава металла, подлежащего сварке.