26. Что представляют собой сварочные шлаки, их физико-химические характеристики и свойства?

Состав шлаковых включений в наплавленном металле зависит в основном от применяемых электродов или флюса. При сварке сталей включения возникают в результате застревания частиц кварца Si02 и корунда А1203, присутствующих в некоторых исходных компонентах покрытий и флюсов. Эти включения, в первую очередь Si02, взаимодействуют с находящимися в металле шва окислами (MnO, FeO и др ), образуя более сложные легкоплавкие включения диаметром от нескольких микрон до десятков микронПри сварке сталей в металле шва могут возникнуть в сравнительно большом количестве сернистые включения. Сера может переходить в металл шва из покрытий и флюсов, которые иногда загрязнены. В сварочной ванне сера находится в форме сульфида железа FeS, наличие которого повышает склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах.

Одной из форм. неметаллических включений в металле шва при дуговой сварке являются нитриды — химические соединения азота с различными металлами. Наибольшее влияние на свойства металла шва оказывают нитриды железа, образующиеся при дуговой сварке сталей. Нитриды железа обладают высокой твердостью. Пластические свойства металла шва при повышенном содержании азота резко снижаются.

Факторы, влияющие на количество и величину шлаковых включений в наплавленном металле. Величина и количество шлаковых включений зависят от скорости всплывания частиц, их способности к коагуляции, их вязкости, плотности и от механического воздействия на жидкий металл.

Скорость всплывания частиц зависит от их размеров, от плотности жидкого металла и частиц и от вязкости металла. Основное влияние на скорость всплывания имеет радиус частиц, с увеличением которого ускоряется всплывание. Поэтому малые частицы, образующиеся в процессе раскисления, имеют очень малую скорость всплывания.

Способность к коагуляции ведет к укрупнению частиц, облегчает их всплывание. Коагуляция зависит от поверхностного натяжения частиц и от их вязкости.

Наличие в металле посторонних включений представляет собой отрицательное явление, так как включения делают металл неоднородным. В большинстве случаев неметаллические включения имеют высокую температуру плавления, не обладают пластичностью, прочность ихмала, а хрупкость значительна. Отличаясь от наплавленного металла по химическому составу, они способствуют коррозии.

Поэтому при сварке необходимо стремиться к получению более чистого металла шва или наплавки с возможно меньшим количеством посторонних включений.

Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле принимают следующие меры:

удаляют загрязнения, ржавчину и окалину с поверхности основного металла в местах сварки;

проводят промежуточную зачистку швов от шлака при многослойной сварке или наплавке;

замедляют остывание наплавленного металла (применяют толстый слой шлака, соответствующий режим сварки и т. п.);

вводят в состав покрытий вещества, которые способствуют понижению температуры плавления окислов и могут образовать соединения, легко удаляемые из металла.

При дуговой сварке одновременно с расплавлением электродного и основного металла образуется жидкая фаза неметаллического характера — шлак. Источники его образования — покрытие электродов или флюсы, плавящиеся при сварке, а также непосредственное окисление металла кислородом в результате реакции взаимодействия в самом металле.

Шлаки при сварке стали могут иметь различный химический состав, определяемый составом покрытия или флюса, а также условиями сварки. Обычно шлаки состоят из окислов (Si02, ТЮ2, P2Os> СаО, МпО, FeO, BaO, MgO, NiOи др.) и солей различных кислот (CaS, MnS, CaF2и т. п ).

Окислы Si02, Ti02 и Р205 — кислотные, остальные окислы имеют основный характер. Все шлаки в зависимости от соотношения в их составе кислых и основных окислов делят на кислые и основные.

Отношение массы всех кислых окислов данного шлака к массе всех основных окислов (в грамм-молекулах) * называют степенью кислотности шлака. У кислых шлаков степень кислотности больше единицы, основных — меньше единицы. Степень кислотности определяет физические свойства шлака и механизм взаимодействия между шлаком и металлом.

Шлак, окружающий капли электродного металла при переносе их через дуговой промежуток, и шлаковый покров на сварочной ванне улучшают свойства наплавленного металла: защищают металл от действия воздуха; химическое взаимодействие между металлом и шлаком раскисляет и легирует металл шва, в шлаке растворяются вредные соединения; увеличивает запас тепла в наплавленном металле и замедляет его охлаждение.

При наличии в составе шлака стабилизирующих компонентов улучшается устойчивость горения дуги. К шлакам предъявляют следующие основные требования:

температура плавления шлака должна быть несколько ниже температуры плавления металла; применение тугоплавких шлаков затрудняет правильное формирование шва и способствует возникновению в нем шлаковых включений; FeO значительно понижает температуру плавления шлака; MgO в тех небольших количествах, в каких обычно бывает в шлаках, также понижает температуру их плавления;

плотность шлака в жидком состоянии должна быть ниже плотности расплавленного металла, что обеспечивает всплывание шлака в верхнюю часть сварочной ванны;

шлак должен обладать хорошей жидкотекучестью, т. е. незначительной вязкостью; чем меньше вязкость шлака, тем выше его активность, тем быстрее протекают в нем химические реакции и процессы растворения, тем легче выделяются из металла газы; с увеличением кислотности шлака увеличивается его вязкость; при избытке Si02 шлак становится густым; для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат CaF2;

шлак должен хорошо растворять различные соединения; количество вредных примесей в шлаке должно быть минимальным;

в твердом состоянии шлак должен легко отделяться от наплавленного металла.

В сварочной ванне при ручной дуговой сварке и автоматической под флюсом образуется неметаллический материал — сварочный шлак. Он состоит из расплавленных элементов электродных покрытий или сварочного флюса.

Химический состав шлака определяется компонентами электродных покрытий или флюса. Шлаки состоят из окислов кремния (SiO2), титана (Ti2O2), марганца (МnО2), железа (Fe2O3) и солей различных кислот.

В процессе сварки металл сварочной ванны, нагретый до температуры, превышающей его температуру плавления, взаимодействует со шлаками.

Взаимодействие металла со шлаками может улучшать качество металла, но может и ухудшать его химический состав. Все зависит от химических реакций между расплавленным металлом и шлаком, а также от физического растворения в металле элемент Что представляют собой сварочные шлаки, их физико-химические характеристики и свойства.

Шлак – расплав неметаллических соединений, а именно окислов, галоидов, сульфидов, солей как свободных, так и образующих комплексные соединения.

Большинство сварочных шлаков нерастворимы в Ме. В расплавленном состоянии Ме и шлаки представляют собой не смешивающиеся жидкости, различные по удельному весу (плотности).

Свойства шлаков и характер взаимодействия их на Ме определяется их химическим составом. Состав влияет на следующие физические свойства: температуру плавления, вязкость, характер изменения вязкости от температуры, плотность и межфазное натяжение.

Существует две теории, описывающие строение жидких шлаков: молекулярная и ионная.

Согласно молекулярной теории шлаки представляют собой системы свободных и химически связанных неметаллических соединения, между которыми имеется подвижное химическое равновесие. При этом с Ме взаимодействуют только свободные соединения (например окислы). Наличие ионов в шлаках молекулярная теория не отрицает, но их влиянием пренебрегают в общей схеме взаимодействия.

По ионной теории шлаки имеют строение ионного типа, т.е. каждый катион (+) окружён анионами (-). Анионы в свою очередь катионами. Ионное строение расплавленных шлаков подтверждает их электропроводность и улучшение электропроводности с увеличением температуры. Химическое воздействие расплавленного шлака на Ме в значительной степени определяется соотношением в его составе основных, кислых и амфотерных окислов.

К кислым окислам относят: SiO₂, TiO₂, P₂O₅.

Основными окислами являются: K₂O, Na₂O, CaO, MgO, MnO, FeO, NiO.

Амфотерные окислы: Al₂O₃, B₂O₃.

Формально преобладание кислых или основных характеристик шлака оценивается коэффициентом кислотности К_к или коэффициентом основности К_о = 1/К_к.

Расчёт коэффициента кислотности или основности даёт только приближённую оценку кислых или основных свойств шлака. Например, считают, что если К_к > 1, то шлак является кислым, если К_к < 1 – основным. Но на практике это не совсем так. Кислотный или основный характер будет проявляться, если в шлаке имеются свободные кислые или основные окислы. В ходе сварки возможно образование в шлаке различных комплексных соединений: FeO × SiO₂ или (FeO)₂ × SiO₂. Поэтому шлак, состоящий из 50% (FeO)₂ и 50% SiO₂ не будет нейтральным, а будет кислым. Отсюда, если исключить влияние рутила, то шлаки, применяемые для сварки сталей, оцениваются по следующей формуле: ,

где a,b,c,d – коэффициенты, учитывающие различную силу сродства основных окислов к SiO₂ (не более 1).

Если флюс содержит SiO₂ от 2 до 48%, CaO, MgO, MnO в небольших количествах, от 2 до 48% CaF₂ (флюорита), то a = 1, b = 0,5, c = 0,37, d = 0,26.

Амфотерные окислы в различных условиях могут выступать как основные. В этом случае образуются комплексные соединения с кислыми окислами. Такое поведение имеет место, когда количество основных окислов оказывается недостаточным. Если в шлаке избыток основных окислов, то они ведут себя как кислые.

Химическое воздействие.

Воздействие шлака на Ме может быть либо окислительным, либо раскислительным, при этом шлак переводятся в растворимые в Ме окислы. Шлаки могут изменять содержание в Ме серы и фосфора. На процессы взаимодействия шлака и Ме оказывают влияние физические свойства шлаков. Очень важной характеристикой является температура плавления. Температура плавления шлаков является менее определённой характеристикой, т.к. шлаки изменяют свою вязкость в широком диапазоне температур. В зависимости от характера изменения вязкости от температуры бывают длинные и короткие шлаки. Короткие шлаки – основные. Они затвердевают в малом температурном интервале и при остывании быстро переходят из состояния значительной текучести к образованию шлаковой корки.

Кислые шлаки постепенно изменяют свою вязкость. После затвердевания имеют аморфное, стеклообразное строение.

В реальных сварочных процессах шлаки должны иметь температуру плавления (затвердевания) незначительно отличающуюся от температуры плавления свариваемого Ме.

Е сли температура плавления шлака намного ниже температуры плавления Ме, то он будет сильно растекаться по нагретым свариваемым кромкам и слабо защищать сварочную ванну. При очень высокой температуре плавления шлак собирается в наиболее нагретой зоне, а края ванны оказываются оголёнными. Наиболее благоприятным является такое соотношение, когда шлак плавится при температуре, немного ниже температуры плавления Ме (при сварке сталей эта разница должна быть 200-300°С). Известны случаи, когда возможно применение шлаков с температурой плавления более высокой, чем у свариваемого Ме (например, сварка Cu с флюсом ОСЦ-45).

Вязкость шлаков.

Вязкость шлаков при температуре плавления Ме всегда значительно больше, чем вязкость Ме. Однако эта разница не должна быть очень большой. При сварке сталей h_Ме = 0,01-0,02 Пуаз (Температура плавления металла Т_{пл Ме} » 1500°С). Шлаки для сварки таких материалов должны иметь h_{шл £} 10 Пуаз. Шлаки с h_шл > 10 Пуаз неприменимы. Т.к. большая вязкость шлаков для сварки является нежелательной, в них добавляют ”плавни”: плавиковый шпат и рутил. Эти добавки придают шлаку и другие свойства.

Межфазное натяжение.

Натяжение на границе раздела шлак – Ме. Это межфазное натяжение определяет формирование наружной поверхности сварного шва при ручной, автоматической и полуавтоматической сварках. Оно же влияет на разделение перемешенного в ванне шлака и металла.

Плотности и газопроницаемость.

При меньшей плотности (при большей разности плотностей жидкого Ме и шлака) шлак легко удаляется из ванны, всплывая на поверхность.

Газопроницаемость основных шлаков больше газопроницаемости кислых шлаков. С точки зрения защиты Ме от атмосферных газов это является отрицательной характеристикой, а с точки зрения удаления через шлак газов – положительной. Это необходимо при понижении температуры в случае кристаллизации Ме шва.

Электропроводность.

Хорошая электропроводность может быть положительным фактором при ЭШС, отрицательным – при ручной сварке и, в некоторых случаях, при сварке под флюсом.

Вывод: К шлакам предъявляют такой комплекс требований, который заставляет осуществлять очень сложный выбор их составов. Цель – обеспечить необходимые свойства при сварке различных Ме и сплавов окружающего его расплавленного шлака.