8.6 Вплив сo на властивості сталі

Окис вуглецю СО має відновні властивості. СО здатний утворити захисну атмосферу над зварювальною ванною. СО, який утворюється в середині зварювальної ванни грає негативну роль.

. (8.22)

CO при цьому намагається вийти на поверхню зварювальної ванни. У тому випадку, коли у зоні зварювання кількість марганцю та кремнію недостатня, процес утворення СО іде активно і відбувається процес «кипіння» сталі. Бульбашки СО, що виходять на поверхню, захоплюють з собою сторонні включення та виносять їх у шлак. Якщо утворення СО іде вельми активно, то не всі бульбашки виходять на поверхню і у зварному шві буде знаходитися багато пор.

8.7 Шлаки та їх призначення

Шлаки — це сплав оксидів та солей. Питома вага шлаків повинна бути менша, ніж питома вага металу зварювальної ванни. Шлаки виходять на поверхню, переходять в твердий стан та утворюють шлакову кірку, яку після зварювання необхідно усунути.

Існують дві теорії будови шлаків: молекулярна і іонна.

Відповідно до молекулярної теорії шлаки вважають ідеальним молекулярним розчином, що складається з вільних та зв’язаних оксидів.

Відповідно до іонної теорії шлаки уявляють собою іонні розчини — електроліти, які складаються з аніонів: F ^–, O ^2–, та інші і катіонів металів Na ⁺, Mg ⁺, Fe ²⁺ та інші. Молекулярна теорія не заперечує присутності у шлаках іонів, але відводить їм другорядну роль.

Іонна будова шлаків підтверджується доброю електропровідністю шлаків, яка зростає при підвищенні температури. Це вказує на зв’язок шлаків з електролітами. Але іонна теорія ще повністю не розроблена, тому на цей час використовують молекулярну теорію.

Зварювальні шлаки можуть бути трьох типів:

1) оксидного;

2) сольового;

3) оксидно–сольового.

Зварювальні шлаки виконують наступні функції:

1) захист металу ванни від навколишнього середовища;

2) розкиснювання, рафінування, легування та модифікування зварювальної ванни;

3) забезпечують формування металу шва;

4) утворюють сприятливий тепловий режим (уповільнюють швидкість охолодження);

5) забезпечують необхідну стійкість процесу зварювання.

8.8 Властивості зварювальних шлаків

8.8.1 Хімічні властивості зварювальних шлаків

Хімічні властивості зварювальних шлаків оцінюються за ступенем кислотності (n) або за ступенем основності (1/n). Ступінь кислотності — це відношення суми молекулярних відсотків кислотних оксидів (SіO₂, TіO₂, P₂O₅ та інші) до суми молекулярних відсотків основних оксидів (MgO, MnO, K₂O, Na₂O та інші).

. (8.23)

В шлаках знаходяться амфотерні оксиди, які з кислотами поводять себе як основні оксиди, а з основами — як кислотні оксиди (Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃ та інші). Якщо ступінь кислотності більше одиниці, то шлак має кислотні властивості. Ступінь кислотності дає лише орієнтовну оцінку кислотності шлаку.

У шлаковій фазі ідуть реакції, які мають вигляд

. (8.24)

Константа рівноваги цієї реакції

. (8.25)

Чим менша температура, тим більша константа рівноваги, тим більше у шлаках знаходиться комплексних з’єднань у вигляді шпінелів.

8.8.2 Фізичні властивості зварювальних шлаків

Усі шлаки поділяються на короткі і довгі.

Короткі зварювальні шлаки швидко твердіють зовні, залишаючись рідкими збоку металу зварювальної ванни. Це утворює сприятливі умови для виходу газів та якісного формування металу шва. Для коротких шлаків ступінь кислотності менше одиниці.

У довгих зварювальних шлаках перехід із рідкого стану у твердий відбувається у декілька етапів:

— рідкий стан;

— густий стан;

— тістоподібний стан;

— твердий стан.

Ці шлаки більш в’язкі, повільніше твердіють, утворюють гірші умови для формування металу шва. Для них ступінь кислотності більше одиниці.

Фізичні властивості зварювальних шлаків оцінюють:

1. Тепловими константами (теплоємність, тепломісткість, прихована теплота плавлення, температура розм’якшення та температура переходу до рідкого стану). Зварювальні шлаки відносять до аморфних тіл, тобто перехід від рідкої фази до твердої відбувається у деякому температурному інтервалі.

2. Густиною. Чим вона більша, тим гірші умови для формування металу шва.

3. В’язкістю та її зміною зі змінюванням температури. Чим більша в’язкість, тим гірші умови для формування металу шва. Всі зварювальні шлаки мають велику в’язкість і цим пояснюється їх схильність до переохолодження. Від в’язкості шлаку залежить його активність. Чим більша в’язкість, тим менша активність.

4. Газопроникністю. Вона залежить від в’язкості шлаку. Чим вона більша, тим менша газопроникність. Це веде до того, що у зварювальній ванні залишаються бульбашки газів, а між шлаком та металом зварювальної ванни накопичуються гази, які утворюють надлишковий тиск. Тому для твердого металу шва характерна наявність пор, а на поверхні — вм’ятин, штрихуватостей, побитостей. Для зниження в’язкості у зварювальний шлак впроваджують розріджувачі (CaF, TіO₂, K₂O, КСl та інші).

5. Відділенням шлакової кірки від металу шва. Вона визначається здатністю шлаку до окиснення. Якщо у шлаку знаходиться велика концентрація FeO, а на поверхні металу, що за кристалізувався, знаходиться плівка FeO, яка має кубічну кристалічну гратку, тобто таку ж як і у сталі, що зварюється, тому такий шлак дуже міцно зчеплений з поверхнею металу шва.