2.4. Взаимодействие шлака с металлом

В процессе расплавления покрытие и флюс вступают во взаимодействие с расплавленным металлом. Степень контакта между расплавленным покрытием или флюсом при сварке очень велика (т.к. шлак обволакивает капли расплавленного металла).

При ручной дуговой сварке расплавленное покрытие начинает взаимодействовать с металлом уже на торце электрода. Затем происходит обволакивание капель и стекание шлака вместе с каплями в сварочную ванночку.

В передней части ванночки покрытие - шлак перемешивается с расплавленным металлом ванночки. Затем шлак всплывает (он легче металла) и движется по поверхности ванночки назад. Это происходит потому, что шлак движется по зеркалу расплавленного металла и непосредственно подвергается воздействию газового потока (рис. 2.1). В этих условиях происходит "промывание" металла шлаком. Степень контактирования металла и шлака при сварке очень важна. Отношение веса шлака к весу наплавленного металла составляет от 20% до 40% в зависимости от способа сварки (это значительно больше, чем в классической металлургии. Так делают специально, чтобы хорошо промыть металла шва).

Рис. 2.1. Продольное сечение ванночки

Для защиты расплавленного металла от воздуха, его высококачественной металлургической обработки и хорошего формирования швов больше значение имеют свойства шлака: плотность, температура плавления, вязкость и её изменение с температурой.

Плотность шлака должна быть существенно ниже плотности расплавленного металла. В противном случае шлак не сможет всплывать, и будет застывать в расплаве, образуя шлаковые включения. Температура затвердевания шлака должна быть ниже температуры затвердевания металла. Тугоплавкие шлаки затрудняют хорошее формирование поверхности швов, и также могут приводить к образованию шлаковых включений.

При сварке время взаимодействия металла и шлака крайне мало. Поэтому для облегчения протекания процессов взаимодействия шлак должен иметь низкую вязкость. Важна также зависимость вязкости шлака от температуры. Она (зависимость) может быть двух типов (рис. 2.2.: 1-короткие шлаки, 2-длинные шлаки).

Рис. 2.2. Зависимость вязкости шлака от температуры:

I – короткие шлаки, II – длинные шлаки

Короткие шлаки более предпочтительны для сварки, т.к. они обеспечивают хорошее формирование швов.

При сварке используют различные шлаковые системы. По температуре затвердевания шлаки разделяют на три группы:

1-ая группа - шлаки с температурой затвердевания 1200 -1400^оС. Их используют для сварки сталей.

2-ая группа - шлаки с температурой затвердевания 600 -1000^оС. Их используют для сварки тяжёлых цветных металлов и сплавов (например, Сu и её сплавы).

3-я группа - шлаки с температурой затвердевания 400 - 600 ^оС. Они предназначены для легких сплавов (например, Al, Mg и их сплавы).

Наибольшее распространение в шлаках 1-ой группы имеют силикатные и титанатные системы. Они имеют свойства, пригодные для формирования удовлетворительных швов. Главные составляющие таких систем: кислые оксиды (SiO₂; TiO₂; ZnO₂), основные оксиды (K₂O; Na₂O; CaO; MgO; MnO; FeO) и A₂O₃. Для регулирования вязкости и температуры затвердевания в шлаки добавляют CaF₂. Обычно составляющие шлаков входят в виде двойных и более сложных соединений (природных минералов): оливин [2(Mn,Fe)O·SiO₂]; шпинель [FeO(Fe·TiO)]; пирофанит (MnO·TiO₂) и др.

Шлаки 2-ой группы создают на основе боратов, силикатов, хлористых и фтористых соединений: бура ( Na₂B₄O₇), борный антидрид (B₂O₃) и др.

Шлаки 3-ий группы создают на основе хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов: NaF; ZnC₂; NaC; KC; LiC; BaC₂; AF₃; креолит (Na₃AF₆) и др.

Хотя одним из важнейших параметров флюсов и покрытий электродов является защита расплавленного металла от воздуха (т.е. от О₂), в некоторых случаях они сами окисляют металл шва. Окисление возможно путём протекания следующих двух процессов:

1. По закону распределения отношение концентрации вещества, растворимого в двух взаимодействующих несмешивающихся жидкостях, для данной температуры есть величина постоянная, называемая константой распределения

L= ,

где [MeO] - концентрация оксида в металлле, (MeO) - концентрация оксида в шлаке. Например, при сварке низкоуглеродистой стали в ней находится мало кислорода (обычно не более 0,01%), а в некоторых шлаках содержание О₂ довольно высокое. Поэтому происходит перераспределение О₂ между шлаком и металлом в соответствии с действием закона распределения

,

т.е. происходит окисление металла шва шлаком.

2. Второй процесс окисления металла шлаком имеет преимущественное значение при дуговой сварке сталей. В шлаках для сварки сталей содержатся окислы железа, а также окислы его обычных компонентов (MnO; SiO; TiO₂ и др.).

Поэтому возможно химическое взаимодействие по реакциям

Fe+MnO ↔ FeO+Mn,

2Fe+SiO₂ ↔ 2FeO+Si.

Условия равновесия этих реакций определяются концентрацией Mn, Si и Fe в металле, составом шлака (в частности, концентрацией в нем FeO, MnO, SiO₂) и температурой.

При малых исходных содержаниях в стали Mn; Si и O₂ и высоком содержании MnO и SiO₂ в шлаке реакции протекают слева направо (→), т.е. идет окисление. Этому способствует перегрев металла и шлака.

При дуговой сварке низкоуглеродистых сталей условия для протекания подобных реакций особенно благоприятны.