9.11.2. Шлаковые включения в металле шва

Шлаковые включения в металле шва (различные оксиды и час­тично сульфиды) имеют преимущественно эндогенное происхож­дение, т. е. образуются в самой сварочной ванне. Лишь небольшую часть шлаковых включений составляют частицы «запутавшегося» в металле шлака. Шлаковые включения могут располагаться в междендритных пространствах, на границах столбчатых кристал­литов, а также в местах их стыка по оси шва.

Состав шлаковых включений может быть различным в зависи­мости от характера шлака. Шлаковые включения в стали часто представляют собой эвтектики из различных оксидов. В алюминии шлаком является AI₂O₃.

Включения, образующиеся при сварке с применением кислых шлаков, имеют мелкодисперсный характер и состоят в основном из силикатов FeSi03- Основные шлаки дают более крупные вклю­чения с меньшим содержанием силикатов. Число и размеры шла­ковых включений в металле при данном составе шлака и металла зависят от следующих важных факторов:

• способности шлаковых частиц к коагуляции, т. е. к укрупне­нию путем слияния;

• скорости всплывания шлаковых частиц в жидком металле.

Способность шлаковых частиц к коагуляции зависит от темпе­ратуры металла, поверхностного натяжения на границе шлаковая частица - жидкий металл, от вязкости как включений, так и жидкого металла и др. Чем выше температура металла и поверхно­стное натяжение шлака, чем меньше их вязкость - тем легче про­текает их коагуляция. Тугоплавкие включения в виде комплексов, имеющие повышенную вязкость (SiO₂ • AI₂O₃), плохо коагулируют и поэтому распределяются в металле в дисперсном виде.

Скорость всплывания шлаковых частиц зависит от их размера, вязкости металла, разности плотностей шлаковых частиц и метал­ла и др. Приближенно скорость всплывания шлаковых частиц v, см/с, можно определить с помощью формулы Стокса

(9.102)

где r - радиус частицы, см; g - ускорение силы тяжести (981 см/с² ); р_{ж м} – р_{ш. ч} - разность плотностей жидкого металла и шлаковой частицы, г/см³ ; η - вязкость жидкого металла, Па · с.

Как видим, скорость всплывания частиц тем больше, чем крупнее частица и чем меньше ее плотность и вязкость металла, в котором она движется. С этой точки зрения нежелательны мелко­дисперсные слабо коагулирующие включения (SiO₂, AI₂O₃), обла­дающие малой скоростью всплывания и загрязняющие металл.

На скорость всплывания шлаковых частиц заметно влияют на­личие конвективных потоков в металле, выделение из металла пу­зырей, перемешивающих металл и увлекающих шлаковые частицы к поверхности сварочной ванны. Значительная часть шлаковых частиц выталкивается к поверхности сварочной ванны растущими кристаллитами металла шва.

Распределяются шлаковые включения в металле по-разному. Эвтектики, образуемые ими с металлом или между собой, распо­лагаются по границам зерен в виде наиболее опасных линейных прослоек или точечных скоплений. Шлаковые включения в виде самостоятельных фаз могут иметь различные формы: 1) групповые дисперсные включения глобулярной формы; 2) игольчатые вклю­чения различной величины; 3) отдельные крупные включения (глобулярные, веретенообразные и др.).

Форма и размер шлаковых включений оказывают заметное влияние на механические и физические свойства металла шва. Крупные остроугольные включения (более 5 мкм) снижают вы­носливость металла шва - пределы усталости. Мелкие включения (менее 5 мкм) округлой формы не влияют на предел прочности и пластичности при статических испытаниях сварной конструкции, а также на предел усталости металла, но их увеличение сопровожда­ется некоторым снижением ударной вязкости и повышением склонности швов к кристаллизационным трещинам. Выделение включений, например FeO и FeS, по границам зерен, особенно в виде сплошных прослоек, придает металлу хрупкость (краснолом­кость). Посторонние включения заметно уменьшают коррозион­ную стойкость металла шва. Однако субмикроскопические вклю­чения, равномерно распределенные в металле (например, ТiO₂, AI₂O₃), могут быть полезными, если они изоморфны с расплавом и становятся дополнительными центрами кристаллизации, что спо­собствует измельчению структуры металла шва.