5. Металургійні процеси при зварюванні електродами руднокислого типу

Рудно-кислі покриття – це покриття, що містять FeO, MnO, SiO₂ (іноді домішки TiO₂). Як розкиснювач тут застосовується феромарганець, додатковий газовий захист створюють органічні продукти покриття (33 % гематиту, 32 % граніту, 30 % феромарганцю, 5 % крохмалю (або целюлози) й 25…30 % рідкого cкла від маси сухої суміші).

Типовим представником цієї групи електродів є електрод ЦМ-7. Температура плавлення шлаків цієї групи становить 1170 …1250 ⁰С. Після затвердіння зварювальні шлаки являють собою склоподібні темні скоринки майже без зовнішніх ознак кристалізації.

У покриттях даного типу причиною інтенсивного розвитку окисних процесів, що відбуваються у металі й шлаках, є вищі оксиди заліза:

а) гематит покриття, що взаємодіє з рідким металом і окиснює його:

[ FeО]

Fe₂O₃ + Fe = FeО

( FeО)

б) гематит покриття, що взаємодіє з марганцем покриття і окиснює його:

Fe₂O₃ + 3Mn  3(MnО) + 2[Fe] + 349,0 кДж/моль;

Fe₂O₃ + Mn  (MnО) + 2(FeО) + 113,13 кДж/моль.

Відновлення заліза й тепло, що виділяється при окиснюванні марганцю, забезпечує при зварюванні електродами ЦМ-7 високий коефіцієнт наплавлення, що дорівнює 10…11 г/(А год.).

Паралельно з окисненням марганцю оксидами заліза частина його реагує з кремнеземом, внесеним у покриття гранітом, тобто також окиснюється:

(SiО₂) + 2Mn  2(MnО) + [Si].

Внаслідок обмеженого вмісту вільного SiО₂ у шлаку й наявності там FeО розвиток цієї реакції вправо є незначним.

Інтенсифікації цієї реакції перешкоджає висока концентрація окису заліза: вміст кремнію в металі шва становить близько 0,1 %, а марганцю – 0,75…0,8 %.

Помітне окиснювання зварювальної ванни приводить до окиснювання вуглецю. Однак при цьому концентрація кремнію й марганцю є достатньою для припинення реакції окиснювання вуглецю в задній частині зварювальної ванни, що кристалізується, й створення перешкоди утворенню пор від дії оксиду вуглецю.

Підвищене окиснення зварювальної ванни слід оцінювати позитивно, тому що це охороняє метал від надлишкового розчинення водню. Введення в подібну ванну додаткових розкиснювачів призвело б до інтенсивного поглинання ванною водню й розвитку пор. Шлаки цього типу обмежено видаляють сірку, ще менш – фосфор. Тому до електродної сировини ставлять підвищені вимоги щодо вмісту шкідливих домішок.

У цілому слід зазначити, що, незважаючи на неповне розкиснення металу, електроди з руднокислим покриттям забезпечують одержання металу шва з необхідними механічними властивостями.

6. Металургійні процеси при зварюванні електродами фтористокальцієвого типу

Фтористокальцієві покриття – це покриття, що не містять оксидів заліза й марганцю. Основою покриття є мармур, плавиковий шпат, кварцовий пісок і рідке скло. Як розкиснювачі у покриття можуть входити феромарганець, феросиліцій, феротитан. Додатковий газовий захист забезпечує розпад при нагріванні карбонатів покриття. Для легування металу використовують різні металеві порошки.

Шлаки електродів цієї групи характеризуються шлаковою системою CaО – SiО₂ – CaF₂ (сюди відносять електроди типу УОНИ-13, ЦУ-1, ЦЛ-9, ЦТ-9 й ін.).

При розпаді карбонату кальцію виділяється значна кількість вуглекислого газу, що за допомогою розкиснювачів при температурі

700 ⁰С відновлюється до CO в результаті таких реакцій:

CO₂ + Mn  MnО + CO;

2CO₂ + Si  SiО₂ + 2CO;

2СО₂ + Ti  TiО₂ + 2CO.

При цьому частина СО остається невідновленою, и газова фаза у всьому температурному интервалі зони зварювання є окиснювальною відносно рідкого металу.

Шлаки, що утворюються, внаслідок низького вмісту оксидів заліза не створюють окисної дії на метал. Наявність у покритті групи розкиснювачів забезпечує проведення не тільки ефективного розкиснення металу, але й деякий перехід у метал домішок (наприклад Mn і Si).

З одного боку, високий ступінь розкиснення зварювальної ванни, а також присутність у металі Mn, а в шлаку СаО створюють умови для видалення сірки й фосфору з металу шва. Вміст сірки й фосфору в наплавленому металі не перевищує 0,035 % кожного й це робить шви, виконані електродами цієї групи, малочутливими до кристалізаційних тріщин.

З іншого боку, розкиснення металу сприяє розчиненню в ньому водню. Вміст розчиненого в металі водню є настільки значним, що за наявності іржі на кромках, що зварюють, підвищеної вологості покриття, а також зварювання довгою дугою призводить до появи пор у шві, незважаючи на ефективне видалення водню за рахунок плавикового шпату, що є в покритті:

CaF₂ + 2Н  Ca + 2НF.

Наявність у покритті Si0₂ приводить до утворення тетрафториду кремнію:

2CaF₄ + 3SiO₂ = 2CaSiO₃ + SiF₄.

Тетрафторид кремнію переходить у газову фазу, де він взаємодіє з атомарним воднем або парами води:

SiF₄ + 3H = SiF + 3HF,

SiF₄ + 2H₂O= SiO₂ + 4HF,

і тим самим сприяє зменшенню кількості водню в металі шва.