Влияние монооксида углерода на свойства стали

Монооксид углерода присутствует в тех или иных количествах в газо­вой среде, но будучи нерастворимым в жидком металле, не представля­ет для него особой опасности, наоборот, монооксид углерода может соз­давать защитную атмосферу у поверхности жидкого металла.

Иную роль играет монооксид углерода, образующийся в самом металле при взаимодействии углерода с оксидами. В этом отношении наиболее характерна реакция между углеродом и монооксидом железа:

FeO + C  CO + Fe

Наблюдающееся “кипение” металла – выделение пузырей образую­щегося монооксида углерода – способствует удалению всех посторонних включений. Однако, если в момент кристаллизации жидкого металла реакция выгорания углерода не будет подавлена, то выделяющийся монооксид углерода приведет к снижению содержания углерода и образованию в металле пор.

Как видно из изложенного материала, газовая среда при сварке плавлением оказывает существенную роль на получение качественного металла шва. В общем случае можно заключить, что защита жидкого ме­талла от контакта с воздухом необходима.

Лекция 10 — Шлаковая фаза при сварке плавлением. Теории строения шлаков. Химические свойства шлаков. Основные системы сварочных шлаков.

Шлаковая фаза при сварке плавлением.

Шлаки представляют собой сплав различных окислов и солей, кото­рый имеет пониженный по сравнению с жидким металлом удельный вес и поэтому располагается в основном на поверхности металлической ван­ны. В настоящее время существуют две теории строения жидких шлаков:

1. Молекулярная теория, разработанная Грум-Гржимайло, Карна­уховым и Шенком, которые считают шлаки идеальным молекулярным раст­вором свободных и связанных окислов.

Согласно молекулярной теории шлаков, между молекулами свобод­ных и связанных окислов имеется известное подвижное химическое рав­новесие, однако непосредственно с металлом реагируют лишь свобод­ные окислы. Молекулярная теория шлаков не отрицает наличия в них ионов, но отводит им  второстепенную роль.

2. Ионная теория, созданная школой советских металлургов: Темкиным, Есиным, Самариным, Кожауровым.

Эта теория рассматривает шлаки как ионные растворы-электролиты, состоящие из катионов ме­таллов (К ⁺, Na ⁺,  Са ²⁺, Mg ²⁺ и др.) и различных анионов (F ^–, O ^2–, PO₄^3–, AlO₄^5–, SiO₄^4– и проч.). Ионное строение шлаков подтверждается их заметной электропро­водностью и возрастанием электропроводности с температурой, что характерно для электролитов.

В то же время молекулярная теория разработана более детально и более удобна для практических расчетов равновесных состояний. Поэто­му в дальнейшем сварочные шлаки будут рассматриваться как молекуляр­ные растворы.

Сварочные шлаки осуществляют такие разнообразные функции:

1. Защита жидкого металла от непосредственного контакта с воз­духом.

2. Проведение в той или иной степени процессов раскисления, ле­гирования и рафинирования металла.

3. Улучшение теплового режима сварки путем снижения скорости охлаждения металла.

4. Поддержание устойчивости процесса сварки.

5.  Обеспечение правильного формирования металла шва.

Общая классификация и сварочно-технологические свойства флюсов.

Сварочные флюсы можно разделить на отдельные группы по способу изготовления, химическому составу, по основности, химической активности, назначению, строе­нию и размеру зерен и т. д.

Классификация по способу изготовления. В зависимо­сти от способа производства флюсы подразделяют на плавленые, керамические и плавлено-керамические.

Керамические флюсы производят в виде зерен, полу­чаемой при смешении шихты определенного состава на связующем (жидкое стекло) с последующей грануляцией и прокалкой при соответствующих температурах. Некоторые марки, керамических флюсов получают без добавок связующего за счет спекания шихты.

Такие флюсы применяют преимущественно при наплавке, поскольку они позволяют легировать напла­вляемый металл в широких пределах. Для этой цели во флюсы вводят металлические порошки и ферросплавы. Керамические флюсы при сварке применяют реже. В боль­ших объемах их используют для этой цели в зарубежной практике.

Плавленые флюсы получают сплавлением компонентов шихты в электрических или пламенных печах с после­дующей грануляцией расплава мокрым способом в воде, сухим дроблением застывшего шлака и распылением жидкой струи расплава воздушным потоком.

Плавлено-керамические флюсы включают два метода изготовления с целью повышения сварочно-технологических свойств флюса. В частности, использование плав­леного флюса в качестве шлакообразующей основы кера­мического флюса позволяет улучшить технологические свойства последнего в формировании наплавленного ме­талла, уменьшения газовыделений, стабильности горения дуги, отделимости шлаковой корки и т. п., поскольку керамические флюсы по сравнению с плавлеными обычно обладают худшими сварочно-технологическими свой­ствами.

Классификация по химическому составу. В зависимости от химического состава шлаковой основы сварочные флюсы подразделяют на три группы:

оксидные, солевые и солеоксидные.

Независимо от принадлежности к той или иной группе большинство шлаков состоит из основы или «скелета» и добавок к ней примесей. Основа шлаков называется шлаковой системой. Изучение таких систем обычно производится с помощью диаграмм состояния, которые строятся для двойных и тройных систем. Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, то выбирают основную тройную систему, а затем устанавливают влияние на нее остальных составляющих шлака.

Оксидные флюсы состоят из оксидов металлов и могут содержать до 10% фтористых соедине­ний. Их преимущественно применяют для сварки угле­родистых и низколегированных сталей.

Пример – шлаковые системы SiO₂ – FeO (ЦМ-7), CaO – SiO₂, SiO₂ – MnO (АН-348А,  ОСЦ-45).

Флюсы солевой группы состоят из фтористых и хлористых солей металлов, а также из других, не содержащих кислород химических соединений. Их применяют для сварки активных метал­лов, таких, как алюминий, титан и др., а также

в электро­шлаковой технологии.

Пример – системы CaF₂ – NaF, KCl – NaCl – Na₃AlF₆,  чистый CaF₂

Флюсы солеоксидной группы состоят из фторидов и оксидов металлов. Это группа флюсов наиболее широко применяется при сварке и наплавке средне-и высоколеги­рованных сталей и сплавов.

Пример – системы CaF₂ –CaO – SiO₂ (УОНИИ-13),  CaF₂ – Al₂O₃ (АНФ-6),  СaF₂ – CaO (MgO) – Al₂O₃ – SiO₂ (АН-22, АН-26).

Оксидные флюсы построены преимущественно на базе шлаковой системы MnO – SiO₂, хотя имеются оксидные флюсы на базе других шлаковых систем. Наиболее распространено деление флюсов по содержанию в них окси­дов кремния и марганца.

По содержанию кремнезема:

— бескремнистые (количество SiO₂ в виде примеси до 5%),

— низкокремнистые (635% SiO₂) и

— высококремнистые (более 35% SiO₂).

По содержанию марганца:

— безмарган­цовистые (количество MnO в виде примеси до 1%),

— низ­комарганцовистые (до 10% MnO);

— среднемарганцовистые (1530% MnO) и

— высокомарганцовистые (более 30% MnO).

По химическому составу, согласно рекомендации Меж­дународного института сварки (МИС), сварочные флюсы подразделяют на типы, приведенные в таблице 2.1.

Приведенная классификация флюсов может иметь боль­шое значение, поскольку тип флюса в определенной степени определяет способность его к взаимодействию в зоне плавления с жидким металлом, то есть способен характеризовать металлургические свойства флюса.

Классификация по основности. Химическое воздействие расплавленного флюса–шлака на металл шва в зна­чительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. К основ­ным оксидам относят, например, CaO, MgO, MnO, FeO и др., к кислым SiO₂, TiO₂, ZrO₂. Оксиды алюминия (Аl₂O₃) и железа (Fе₂O₃) имеют амфотерный характер. Если в со­ставе флюса содержится много кислых оксидов, то А1₂O₃ и Fе₂O₃ ведут себя как основные оксиды; если во флюсе большую часть составляют основные оксиды – то как кислые. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями.

Таблица 2.1 – Классификация сварочных флюсов по содержанию основных составляющих

Условное обозначение	Содержание базовых составляющих, %	Тип флюса
MS	MnO + SiO2 > 50	Марганцево- силикатный
CS	CaO + MgO + SiO2 > 60	Кальциево- силикатный
AR	А12O3 + ТiO2 > 45	Глиноземно- рутиловый
АВ	А12O3 + CaO + MgO > 45	Глиноземно- основный
FB	CaO + МgO + MnO + CaF2  50	Фторидно- основный

Флюсы считаются кислыми при В < 1, основными – при В > 1 и нейтральными – при В = 1, Классифика­ция флюcoв–шлaкoв по степени основности или кислотности в определенной мере формальна. Физический смысл понятия основности флюса–шлака состоит в оценке актив­ности иона кислорода. Чем выше основность флюса, тем выше активность иона кислорода О^2–, т. е. тем больше в нем свободных ионов кислорода.

Рассчитанные коэффициенты основности дают только весьма приближенную оценку основных свойств шлака. Кислотный или основной xaрактер шлака будет проявляться при наличии в нем свободных соответственно кислых или основных оксидов. A при оценке возможности получения в шлаке тех или иных свободных оксидов следует учитывать возможность образования в шлаке различных комплексных соединении, например FeO.SiO₂, MnO.SiO₂, CaO.SiO₂, MgO.TiO₂, или (FeO)₂.SiO₂, когда одна молекула SiO₂ может связать, не только одну, но и две молекулы основного оксида. В связи с этим шлак, состоящий из 50% SiO₂ и 50% FeO, по существу будет не нейтральным (В = 1), а кислым. Разработано много формул для определения основности флюсов и шлаков, с помощью которых в той или иной мере можно учесть возможность образования в шлаке различных комплекс­ных соединений.

Кислые шлаки, содержащие в незначительном количе­стве свободные ионы кислорода, обладают меньшей окис­лительной способностью, поскольку передача кислорода металлу в этом случае осуществляется путем разрушения сложных комплексных анионов на границе гетерогенной системы.

При оценке химической активности флюсов по суммар­ной окислительной способности составляющих оксидов для оценки химической активности сварочных флюсов–шлаков используют суммарное количество кислорода, уча­ствующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе.

Контрольные вопросы:

1. Какие требования и почему предъявляются к плотности сварочных шлаков?

2. Что собой представляют сварочные шлаки? Из каких соединений они состоят?

3. Какие теории описывают свойства шлаков?

4. В чем их суть молекулярной теории строения шлаков?

5. В чем их суть ионной теории строения шлаков?

6. Какие функции выполняют шлаки при сварке?

7. Как определяется кислотность шлака? Почему эта характеристика является условной?

8. По каким параметрам классифицируются сварочные флюсы?

9. Как классифицируются флюсы по способу производства? Дайте общую характеристику этих групп флюсов.

10. Как классифицируются флюсы по химическому составу? Дайте общую характеристику этих групп флюсов.

11. Как классифицируются флюсы по основности?

12. Приведите классификацию сварочных флюсов по версии МИС.