4.6 Особенности взаимодействия металла и шлаков при сварке

Шлаками называются расплавы минерального характера, состоящие из окислов как свободных, так и образующих комплексные соединения, а также галоидов, сульфидов и др. Большинство шлаков нерастворимо в металлах. В расплавленном состоянии металлы и шлаки представляют собой несмешивающиеся жидкости, разделяющиеся по плотности.

Свойства шлаков и характер воздействия на металл определяются их химическим составом.

В настоящее время существуют две теории, описывающие строение жидких шлаков, -- молекулярная и ионная.

Согласно молекулярной теории шлаки представляют собой системы свободных и химически связанных неметаллических соединений (окислов и пр.), между которыми имеется подвижное химическое равновесие. При этом с металлами взаимодействуют только свободные соединения, в частности окислы. Наличие ионов не отрицается, но их влиянием в общей схеме взаимодействия шлаков с металлом пренебрегают.

В соответствии с ионной теорией, шлаки обладают структурой ионного типа, т.е. каждый катион (+) окружен анионами (-), а анион катионами. Эта теория еще недостаточно разработана, поэтому пока сварочные шлаки рассматриваются как молекулярные растворы.

Сварочные шлаки осуществляют такие функции:

1.Защита жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом.

2.Проведение процессов раскисления, легирования и рафинирования металла.

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

4.Поддержание устойчивости процесса сварки.

5.Обеспечение правильного формирование металла шва.

Свойства шлаков. Химические свойства шлака в значительной мере определяются степенью кислотности или обратной ей величиной – степенью основности шлака

Степенью кислотности n называют отношении сумм молекулярных процентов кислотных и основных оксидов данного шлака:

.

Кислотные оксиды сварочных шлаков – SiO₂, TiO₂, P₂O₅ и др.; основные – FeO, MnO, NiO, CaO, BaO, MgO, Na₂O, Cu₂O, K₂O и др. В шлаках также могут присутствовать и амфотерные оксиды, ведущие себя с сильными кислотами как основные оксиды, а с сильными основаниями – как кислотные (Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃, V₂O₅ и др.)

Если степень кислотности больше единицы, шлак считается кислым, если меньше – основным. Весьма важно при этом знать, в какой форме находятся в данном шлаке различные оксиды, - в виде комплексных соединений или в свободном, диссоциированном состоянии. Для жидкого шлака можно написать реакцию общего вида:

(МеО)_осн + (МеО)_кисл = (МеО)_осн*(МеО)_кисл

с константой равновесия

С уменьшением температуры константа К_р равновесия растет, процесс образования комплексных соединений усиливается и концентрация свободных оксидов в шлаке уменьшается.

Процессы комплексообразования идут в шлаке одновременно для всех оксидов, но наиболее полно и активно они протекают при взаимодействии между сильными основными и кислотными оксидами.

К началу затвердевания шлака отдельные его составляющие имеют форму двойных и более сложных комплексных соединений, а также находятся во взаимных растворах.

Физические свойства шлаков характеризуются

1)тепловыми константами – температурой плавления и размягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и теплосодержанием шлака;

2)вязкостью в жидком состоянии и ее изменением с температурой;

3)газопроницаемостью;

4)плотностью в жидком состоянии;

5)свойствами, определяющими отделяемость шлака от металла шва в твердом состоянии.

Точно определить температуру плавления шлаков трудно, так как соответствующие критические точки превращения выражены не всегда отчетливо, а иногда и вовсе отсутствуют. Для шлаков характерно наличие некоторого интервала плавления, лежащего между температурами начала размягчения шлака и его перехода в жидкое состояние, отвечающие полному плавлению. Интервал плавления у кислых шлаков обычно больше, чем у основных.

Активность жидких шлаков при взаимодействии с металлом сильно зависит от их вязкости и характера ее и изменения с ростом температуры (рис. 4.7).

Кривая 1, соответствующая «коротким» шлакам, показывает, что их вязкость почти постоянна в пределах 1200 – 1400 ⁰С и составляет доли пуаза. При температуре 1100 ⁰С вязкость коротких шлаков резко повышается и они затвердевают. Таким образом, короткий шлак быстро затвердевает с поверхности, оставаясь жидким в зоне соприкосновения с кристаллизующимся металлом и обеспечивая как свободный выход газам из металла, так и соответствующее

Рис. 4.7. Зависимость вязкости шлака от температуры.

формирование шва. Короткие шлаки – основные.

Кривая 2 отвечает «длинным», более густым шлакам, вязкость которых медленно снижается в интервале 1000 – 1400 ⁰С. Такие шлаки постепенно переходят сначала в густое, потом – в тестообразное, а затем в твердое. Длинные шлаки не кристаллизуются, а переходят в стекловидную аморфную массу.

Длинные шлаки – это обычно кислые, силикатные шлаки. Чем больше содержание SiO₂ в шлаке, тем выше его вязкость. Однако силикаты, входящие в шлак, могут иметь различную вязкость. Наиболее часто встречающиеся в сварочных шлаках силикаты по возрастанию их вязкости можно расположить в такой ряд: FeO*SiO₂→MnO*SiO₂→Fe₂O₃*SiO₂→MgO*SiO₂→CaO*SiO₂→Al₂O₃* SiO₂. Длинные, густые, медленно затвердевающие шлаки менее активны по отношению к металлу и отличаются худшими формирующими свойствами.

От вязкости шлаков зависит его газопроницаемость, т.е. способность пропускать выделяющиеся из металла газы. Если у шлаков плохая газопроницаемость, то на поверхности металла создается повышенное давление газов, препятствующее их дальнейшему выделению. В этом случае в шве могут образоваться пористость, а на поверхности шва – мелкие вмятины, штриховатость, побитость.

Густые шлаки обладают плохой, а маловязкие подвижные шлаки – высокой газопроницаемостью. В жидкотекучих шлаках быстрое выделение газов из металла сопровождается попутным захватом частиц шлаковых включений и более полным очищением металла шва.

Отличным разжижителем шлаков, особенно основных, является фтористый кальций CaF₂ (плавиковый шпат). Уменьшают вязкость и такие оксиды, как TiO₂, K₂O, Na₂O, MnO, хлориды. Таким образом, для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, быстро затвердевающие шлаки. Этому условию больше всего удовлетворяют короткие, основные шлаки.

После затвердевания шлаки должны легко удаляться с поверхности шва. Эта легкость зависит от ряда причин, в том числе и от окислительной способности шлака.

Повышенная окислительная способность шлака может резко ухудшить отделяемость шлаковой корки от поверхности шва. Если концентрация оксидов железа в шлаке повышена, окисление поверхностных слоев металла может происходить вплоть до его затвердевания.

В зависимости от состава сварочные шлаки можно разбить на три группы:

1.Шлаки оксидного типа, представляющие собой оксиды различных металлов;

2.шлаки солевого типа – фтористые и хлористые соли щелочных и щелочноземельных металлов.

3.шлаки оксидно-солевого типа, состоящие из солей и оксидов.