Изготовление сварочных и наплавочных материалов. Практикум

Основыизготовленияфлюсов

Термин «керамические флюсы» используется в отечественной практике изготовления и применения флюсов, что отражено в ГОСТ 28555–90. В международной практике принят термин «агломериро ванные флюсы», который принят в России как корректный, что от ражено в ГОСТ Р ИСО 14174–2021.

Смешанные флюсы включают флюсы, которые после плавления или агломерации смешивают с одним или несколькими дополнитель ными компонентами или флюсами.

Плавленые флюсы. Плавленые флюсы представляют собой сплавы оксидов и солей металлов. Процесс их изготовления включает следу ющие стадии: расчет и подготовку шихты, выплавку флюса, грануля цию, сушку после мокрой грануляции и просеивание. Предваритель но измельченные и взвешенные в заданной пропорции компоненты смешивают и загружают в дуговые или пламенные печи. После рас плавления и выдержки, необходимой для завершения реакций, жид кий флюс при температуре около 1400 °С выпускают из печи.

Грануляцию осуществляют сухим или мокрым способом. При су хом способе флюс выливают в металлические формы, после остыва ния отливку дробят в валках до крупки размером 0,1–3,0 мм, затем просеивают. Сухую грануляцию применяют для гигроскопичных флю сов (содержащих большое количества фтористых и хлористых солей). Преимущественно это флюсы для сварки алюминиевых и титановых сплавов. При мокром способе грануляции, выпускаемый из печи тон кой струей жидкий флюс направляют в бак с проточной водой. В неко торых случаях струю флюса дополнительно над поверхностью воды разбивают сильной струей воды.

Высушенную при температуре 250–350 °С массу дробят и пропу скают через два сита с 16 ю и 400 ми отверстиями на 1 см 2. Остаток на сите с 16 ю отверстиями представляет собой готовый флюс. Обыч но это неровные зерна от светло-серого до красно-бурого или корич невого цвета.

Керамические флюсы. Технология изготовления керамических флюсов сходна с технологией изготовления покрытий электродов.

Исходные шихтовые материалы подвергают среднему и мелкому дроблению компонентов, сушке, размолу, просеву. Тонкоизмельчен ные сухие компоненты взвешивают в рецептурных соотношениях. Для

41

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

обеспечения однородности состава, сухую шихту тщательно переме шивают в смесителе.

В полученную сухую смесь добавляют согласно рецептуре жидкое стекло и размешивают так, чтобы получить однородную массу в виде упругого теста. При индивидуальном или мелкосерийном производ стве полученную сырую массу протирают через сетку с определенным размером ячеек. Далее ее сушат при температуре 150–200 °C на метал лическом поддоне, дробят и производят рассев по фракциям.

При массовом производстве связующая жидкость подается на слой шихты и выполняется окатывание (окомкование) с помощью диско вого гранулятора, предварительная сушка полученных гранул флюса, охлаждение и просев с последующим дроблением крупной фракции. Далее осуществляется окончательная прокалка и просев флюса для удаления пылевидной фракции.

Контроль качества керамических флюсов в производстве осущест вляется в целом подобно контролю плавленых флюсов: контроль исход ных материалов; технологических операций их переработки (подобно электродному производству); контроль готового продукта — по средне му химическому составу и при выполнении сварки (наплавки) с оцен кой получаемых свойств металла наплавленного слоя.

Керамические флюсы производят в виде крупки, которую получа ют из смесей порошкообразных материалов, скрепляемых при помо щи клеящих веществ, главным образом жидкого стекла. Каждое зерно керамического флюса состоит из прочно соединенных мелких частиц

исодержит все компоненты согласно рецепту флюса. Эти особенно сти обусловливают ряд достоинств керамических флюсов в сравне нии с плавлеными:

— отсутствие операции плавления шихты флюса при изготовле нии позволяет вводить в их состав минералы, руды, ферросплавы, ме таллы, углеродистые вещества и другие компоненты независимо от их взаимной растворимости. Это позволяет легко получать любой требу емый состав металла шва;

— зерна флюса, имея одинаковый химический состав, плотность

истроение, не сепарируются на составные части при транспортиро вании, хранении и использовании флюса;

— у керамических флюсов состав близок к составу покрытий элек тродов основного вида. Основной характер сварочного шлака и хо рошие сварочно-технологические свойства керамических флюсов

42

Основыизготовленияфлюсов

обеспечиваются за счет введения в состав шихты оксидов магния и кальция;

— при сварке массовый расход керамического флюса меньше, чем плавленого, из-за его меньшей насыпной плотности.

Однако у керамических флюсов есть ряд недостатков:

— при использовании таких флюсов химический состав металла шва сильно зависит от режима сварки. Изменение величины свароч ного тока и особенно напряжения дуги изменяет соотношение массы расплавленного флюса и металла, а следовательно, и состава металла шва, который может быть неоднородным даже по длине шва;

— по сравнению с плавлеными стекловидными флюсами, они лег ко разрушаются по причине малой механической прочности его ча стиц. Это приводит к неравномерности плавления частиц флюса изза неравномерного фракционного состава;

— наличие в составе керамического флюса металлической состав ляющей ограничивает возможности его высокотемпературной про калки, проводимой для удаления влаги. Температуру прокалки нель зя повышать более 600 °C, в противном случае наблюдается активное окисление металлических добавок, входящих в состав флюса. Поэ тому, при прочих равных условиях, керамические флюсы всегда обе спечивают повышенное содержание в наплавляемом металле водоро да по сравнению с плавлеными;

— ввиду того что связующим веществом у керамических флюсов обычно служит жидкое стекло, они более склонны к гидратации.

Основная область их использования — сварка высоколегирован ных специальных сталей и наплавочные работы.

Характеристики химического состава флюса

В зависимости от химического состава шлаковой основы, свароч ные флюсы подразделяют на три группы: оксидные, солевые и солеок сидные. Оксидные флюсы состоят из оксидов металлов и могут содер жать до 10 % фтористых соединений. Флюсы солевой группы состоят из фтористых и хлористых солей металлов, а также из других не со держащих кислород химических соединений. Флюсы солеоксидной группы состоят из фторидов и оксидов металлов.

43

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

Распространено деление флюсов по содержанию в них оксидов кремния и марганца. По содержанию кремнезема — бескремнистые — массовая доля SiO2 в виде примеси — до 5 %, низкокремнистые — 6–35 % SiO2 и высококремнистые — более 35 % SiO2; по содержанию марганца — безмарганцовистые — массовая доля MnO — до 1 %, низ комарганцовистые — до 10 % MnO, среднемарганцовистые — 15–30 % MnO и высокомарганцовистые — более 30 % MnO.

В отечественной практике химический состав флюсов соответ ствует изготавливаемым маркам. Например, по ГОСТ Р 52222–2004 регламентированы следующие марки флюсов: АН 348 А, АН 348АМ, АН 348АД, АН 348АДМ, АН 348АП, АН 348АПМ, АН 348В, АН 348ВМ, АН 348ВД, АН 348ВДМ, АН 348ВП, АН 348ВПМ, АН 42, АН 42М, АН 47, АН 47Д, АН 47ДП, АН 60, АН 60М, АН 67А, АН 67Б, АН 8, АНЦ 1А, АНЦ 1АМ, АНЦ 1АД, АНЦ 1АДМ, АНЦ 1АП, АНЦ 1АПМ, ОСЦ 45, ОСЦ 45М, ОСЦ 45Д, ОСЦ 45ДМ, ОСЦ 45П, ОСЦ 45ПМ, ФВТ 1, ФЦ 9, ФЦ 11, ФЦ 16, ФЦ 16А, ФЦ 21, ФЦ 22, АН 15М, АН 18, АН 20С, АН 20СМ, АН 20П, АН 22, АН 26С, АН 26П, АН 26СП, ФЦ 17, ФЦ 18, ФЦ 19. Организацииизготовители выпускают флюсы также и под собственными марками.

Согласно рекомендации МИСа (Международного института свар ки), отраженной в ГОСТ Р ИСО 14174–2021, по химическому составу сварочные флюсы подразделяют на типы (табл. 4).

Таблица 4

Классификация сварочных флюсов по содержанию основных составляющих

44

Основыизготовленияфлюсов

Окончание табл. 4

* Флюсы, для которых химический состав не указан, должны обозначаться буквой «Z». Диапазоны химического состава не указаны, и возможно, что два флюса с оди наковой Z классификацией не взаимозаменяемы.

Химическая активность и металлургические свойства флюса. В оте чественной практике, для оценки влияния флюса на свойства наплав ленного металла, чаще применяют термин «химическая активность», а в зарубежной практике предпочтение отдается термину «металлурги

45

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

ческое поведение флюса». В итоге в отечественной практике использу ют показатель их химической активности, в международной — флюсы разделены по классам, соответствующим состояниям (переход и (или) выгорание) легирующих элементов. Для сварочных флюсов состояние легирующих элементов представляет собой разницу между химическим составом наплавленного металла сварного шва и составом указанного электрода. Для наплавочных флюсов состояние легирующих элемен тов представляет собой разницу между химическим составом наплав ленного металла сварного шва последнего валика либо слоя и хими ческим составом указанной проволоки либо ленточного электрода.

Универсальные методы оценки химической активности сварочных флюсов основаны на оценке изменений химического состава наплав ленного металла под воздействием защитной среды (флюса).

Методика оценки активности флюса по коэффициентам усвоения легирующих элементов заключается в следующем. Об интенсивности окисления наплавляемого металла судят по относительному содержа нию легирующих элементов в металле шва по сравнению с их исход ной концентрацией в наплавленном металле. Это относительное со держание называют коэффициентом усвоения, или коэффициентом перехода легирующих элементов в металл шва (наплавленный металл),

η = СШ/СИ,

где η — коэффициент усвоения легирующего элемента металлом шва (наплавленным металлом); СШ — концентрация того же элемента в ме талле шва, мас. %; СИ — исходная концентрация легирующего элемен та в металле шва, мас. %, определяемая на основании зависимости

СИ = тСП + пСО.

Здесь т и п — доли участия электродного и основного металлов в ме талле шва; СП и СО — концентрация легирующего элемента в свароч ной проволоке и основном металле соответственно, мас. %.

Химическое воздействие расплавленного флюса-шлака на металл шва в значительной степени определяется по соотношению в его со ставе кислых, основных и амфотерных оксидов. К основным окси дам относят, например, CaO, MgO, MnO, FeO и др., к кислым — SiO2, TiO2, ZrO2. Оксиды алюминия (Al2O3) и железа (Fe2O3) имеют амфотер ный характер. Если в составе флюса содержится много кислых окси

46

Основыизготовленияфлюсов

дов, то Al2O3 и Fe2O3 ведут себя как основные оксиды; если во флюсе большую часть составляют основные оксиды — как кислые. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями.

Критерием основности (В) или кислотности (К) шлака на основе молекулярной теории строения его служит отношение компонентов, входящих в состав данного шлака. Наиболее распространена форму ла для определения основности флюса, принятая МИСом,

В CaO MgO BaO Na2O K2O Li2O CaF2 0,5(MnO FeO),

SiO2 0,5(Al2O3 TiO2 ZrO2 )

где CaO, MgO, Al2O3 и т. д. — содержание компонентов шлака, мас. %. Флюсы считаются кислыми при В < 1, основными при В > 1 и ней тральными при В = 1. Классификация флюсов шлаков по степени ос новности или кислотности в определенной мере формальна. Физи ческий смысл понятия основности флюса-шлака состоит в оценке активности ионов кислорода. Чем выше основность флюса, тем выше активность иона О 2–, т. е. тем больше в нем свободных ионов кислорода. Химическую активность флюсов оценивают по суммарной окис лительной способности составляющих оксидов. Для этого введен ко эффициент относительной химической активности флюса (Аф), ко торый учитывает суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе,

где (SiO2), (TiO2) и т. д. — содержание компонентов флюса, мас. %; В — основность флюса.

Коэффициент относительной химической активности флюса до статочно полно характеризует для практических целей окислительную способность флюсов. Изменяясь в пределах 0–1, он, исходя из хими ческой активности плавленых флюсов, применяемых в промышлен ности, дает возможность их ранжировать и легко ориентироваться при выборе флюса для сварки той или иной стали. В соответствии с этим кремнемарганцовистые плавленые флюсы можно разделить на сле дующие четыре группы: высокоактивные (Аф ≥ 0,6); активные (Аф = = 0,6…0,3); малоактивные (Аф = 0,3…0,1) и пассивные (Аф ≤ 0,1).

На основе оценки интенсивности взаимодействия защитной сре ды по количеству прореагировавшего с металлом кислорода, Н. М. Но

47

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

вожилов предложил все применяемые плавленые флюсы разделить на три основные группы [9]:

— активные «восстановительные» марок ОСЦ 45, АН 348 А, ФЦ 6 и др., при сварке под которыми кремний, марганец и другие элемен ты-раскислители, восстанавливаясь из оксидов, переходят из флюсашлака в металл;

— пассивные флюсы марок АН 30, 48 ОФ 6, АВ 4, ТКЗ-НЖ и др., при сварке под которыми окислительно-восстановительные процес сы протекают вяло;

— активные окислительные флюсы марок АН 17, АН 43 и др., при сварке под которыми кремний, марганец и другие элементы-раскис лители, окисляясь, переходят из металла в шлак.

Характеристика флюсов различных типов

Сварочные флюсы типа MS (марганцево силикатный) содержат значительное количество МnО и SiO2. Многие флюсы этого типа дают наплавленный металл с высоким содержанием кислорода при ограни ченной ударной вязкости. Такие флюсы имеют относительно высо кую электропроводность и часто используются для высокоскоростной одно- и многодуговой сварки. Наплавленный металл часто имеет вы сокую сопротивляемость к образованию пор даже на имеющих ржав чину или сильно отшлифованных поверхностях.

Сварочные флюсы типа CS (кальциево силикатный) состоят в ос новном из СаО, МnО и SiO2. Группа содержит несколько типов, кислые флюсы имеют самую высокую электропроводность и часто использу ются для многопроходной дуговой сварки. Флюсы с высокой степе нью основности в этой группе часто используются для многопроход ной сварки, где высокие требования к прочности и ударной вязкости. Такие флюсы используются и при наплавке, они могут содержать до полнительно легирующие элементы.

Сварочные флюсы типа CG (кальциево магниевый) состоят в основ ном из СаО, МgО и CaF2. Карбонаты, которые выделяют газ СО2 во вре мя сварки, могут снизить содержание азота и уровень диффузионного водорода в наплавленном металле шва. Эти флюсы часто используются при многопроходной сварке или при сварке с большим тепловложени ем, которая требует высокой ударной вязкости наплавленного металла.

48

Основыизготовленияфлюсов

Сварочные флюсы типа СВ (кальциево магниевый основный) состо ят в основном из СаО, MgO, CaF2 и A2O3. Карбонаты, которые выделя ют газ СО2 во время сварки, могут снизить содержание азота и уровень диффузионного водорода в наплавленном металле шва. Эти флюсы ча сто используются при многопроходной сварке или при сварке с боль шим тепловложением, которая требует высокой ударной вязкости на плавленного металла.

Сварочные флюсы типа CG-I (кальциево магниевый железный) в ос новном кальциево магниевые (CG) с добавлением железного порош ка для увеличения производительности сварки. Карбонаты, которые выделяют газ СО2 во время сварки, могут снизить содержание азо та и уровень диффузионного водорода в наплавленном металле шва. Эти флюсы часто используются для сварки толстолистового прока та с большим тепловложением, требования которой к механическим свойствам не являются жесткими.

Сварочные флюсы типа СВ I (кальциево магниевый основный с железом) в основном кальциево магниевые основные (СВ) с добавками железного порошка для увеличения производительности сварки. Кар бонаты, которые выделяют газ СО2 во время сварки, могут снизить со держание азота и уровень диффузионного водорода в наплавленном металле шва. Эти флюсы часто используются для сварки толстолисто вого проката с большим тепловложением, требования которой к ме ханическим свойствам не являются жесткими.

Сварочные флюсы типа GS (магниево силикатный) состоят в ос новном из МnО и SiO2, но с ограниченным количеством СаО и CaF2. Эти флюсы могут содержать металлические порошки для легирова ния; они особенно подходят для наплавки с получением определен ного состава наплавленного металла шва.

СварочныефлюсытипаZS(циркониево силикатный)состоятвоснов номизZrO2 иSiO2.Этифлюсычастоиспользуютсядлявысокоскоростной однопроходной сварки тонколистового проката по предварительно очи щенной поверхности. Они могут также вносить легирующие элементы.

Сварочные флюсы типа RS (рутилово силикатный) состоят в ос новном из TiO2 и SiO2. Их часто используют в сочетании с проволока ми со средним или высоким содержанием марганца. Ударная вязкость наплавленного металла остается ограниченной из-за относительно вы сокого содержания кислорода. Эти флюсы часто используются для вы сокоскоростной двухпроходной одно- и многодуговой сварки.

49

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

Сварочные флюсы типа AR (алюминатно-рутиловый) состоят в ос новном из А12О3 и ТiO2. Эти флюсы часто используются для высоко скоростной одно- и многодуговой сварки угловых соединений тонко стенных конструкций.

Сварочные флюсы типа ВА (основно-алюминатный) содержат в ос новном А12О3 и CaF2 и ограниченное количество SiO2. Такой состав обусловливает низкое содержание кислорода в металле сварного шва. В результате может быть достигнута высокая ударная вязкость наплав ленного металла шва, особенно при многопроходной сварке.

Сварочные флюсы типа AAS (кислотно-алюминатно-силикатный) содержат в основном А12О3 и SiO2, а также МgО и CaF2. Эти флюсы особенно подходят для различной наплавки.

Сварочные флюсы типа АВ (алюминатно-основный) содержат в ос новном А12О3 и основные оксиды. Эта группа охватывает широкий ме таллургический спектр.

Из-за высокого содержания А12О3 жидкий шлак является «корот ким», т. е. его плавление происходит в узком диапазоне температур. Флюсы этого типа целесообразно использовать для сварки кольце вых швов малого диаметра, а также при наплавке небольших деталей цилиндрической формы. В этих случаях быстротвердеющий шлак на дежно удерживает сварочную ванну от стекания вниз.

Сварочные флюсы типа AS (алюминатно-силикатный) состоят в ос новном из основных оксидов, сбалансированных значительным ко личеством SiO2, Al2O3 и ZrO2. Из-за высокой основности шлака мож но получить металл шва с низким содержанием кислорода и высокой ударной вязкостью. Флюсы этого типа используются для широкого спектра работ по сварке и наплавке.

Сварочные флюсы типа AF (алюминатно-фторидно-основный) со стоят главным образом из основных оксидов и CaF2 с относительно низким содержанием SiO2. Эти флюсы в основном применяют для со единения и плакирования коррозионно-стойких сталей и никелевых сплавов в сочетании с легированной проволокой.

Сварочные флюсы типа FB (фторидно-основный) состоят главным образом из основных оксидов и CaF2 с относительно низким содер жанием SiO2. По причине высокой основности шлака они обеспечи вают наиболее высокие механические характеристики, особенно пла стичность и ударную вязкость, а также стойкость швов к образованию кристаллизационных трещин. Вместе с тем по сварочно-технологиче

50