типы сварочных шлаков

Содержание

Типы сварочных шлаков 2

Химический состав шлаков 5

Основность и химическая активность шлака 16

Список литературы 18

Сварка плавлением представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих в условиях высокой температуры, значительной концентрации тепла в небольшом объеме; быстрого нагрева и охлаждения расплавленного металла при наличии близлежащего холодного металла.

В результате сосредоточенного воздействия тепла сварочной дуги плавится электродный и основной металл. Совместно с металлом плавится электродное покрытие (при ручной дуговой сварке) или флюс (при сварке под флюсом). Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в основном в виде капель величиной от тысячных долей миллиметра до 5—6 мм. Размер капель и их количество зависят от силы тока, химического состава стержня и покрытия (при ручной дуговой сварке), от электромагнитных явлений в дуге и т. п.

Расплавление электродного металла сопровождается обильным выделением газов, в основном от окисления углерода. На интенсивность газовыделения, а следовательно, и на характер металлургических процессов при сварке существенное влияние оказывает величина поверхности капель. Средние количественные характеристики газообразования в процессе плавления электрода приведены в табл. 1.

При совместном переходе капель расплавленного электродного металла и шлака через дуговой промежуток протекают химические реакции между металлом, шлаком и газами среды, окружающей дугу.

Реакции между газами и металлом успевают в основном пройти в дуговом промежутке несмотря на малое время существования капель.

За счет энергии дугового разряда при сварке образуется участок расплавленного металла, называемый сварочной ванной (рис. 1).

Сварочная ванна перемещается вдоль шва с определенной скоростью, равной скорости сварки. Время, в течение которого сварочная ванна переместится вдоль шва на расстояние а, т. е. на расстояние, соответствующее длине ванны, называют временем существования ванны. Размеры сварочной ванны и время ее существования зависят в основном от способа сварки (табл. 2), режима и физических свойств свариваемого материала.

В сварочной ванне на определенных этапах ее существования проходят следующие процессы:

перемешивание шлака с расплавленным основным и электродным металлом;

газовая и шлаковая защита ванны; окисление, раскисление и легирование металла ванны; растворение газов в металле ванны; образование пор и шлаковых включений; кристаллизация металла и формирование шва. Металл шва представляет собой сплав основного и электродного металла (или присадочной проволоки). Соотношение между основным и электродным металлом в шве зависит от скорости плавления электрода, глубины ванны, объема наплавленного металла и ряда других факторов.

В среднем принимают следующие соотношения между основным и электродным металлом (%):

При ручной дуговой сварке:

основной металл………………………30 — 50

электродный металл……………………70 — 50

При автоматической сварке под флюсом:

основной металл …………………….. 60—70

электродный металл……….. 40—30

Следовательно, химический состав металла шва значительно изменяется по сравнению с химическим составом электродного и основного металла в результате реакций между металлом, шлаком и газами, интенсивно протекающих в дуговом промежутке и сварочной ванне, и расплавления и перемешивания электродного и основного металла с различным химическим составом. Примерный химический состав металла, наплавленного различными способами сварки с применением электродных стержней одного и того же химического состава, приведен в табл. 3.

Химический состав наплавленного металла зависит не только от способа сварки, но и от состава покрытия при ручной дуговой сварке, режима сварки, степени защиты дуги от взаимодействия окружающей атмосферы и т. д.

При дуговой сварке одновременно с расплавлением электродного и основного металла образуется жидкая фаза неметаллического характера — шлак. Источники его образования — покрытие электродов или флюсы, плавящиеся при сварке, а также непосредственное окисление металла кислородом в результате реакции взаимодействия в самом металле.

Шлаки при сварке стали могут иметь различный химический состав, определяемый составом покрытия или флюса, а также условиями сварки. Обычно шлаки состоят из окислов (Si0₂, ТЮ₂, P₂Os> СаО, МпО, FeO, BaO, MgO, NiOи др.) и солей различных кислот (CaS, MnS, CaF₂и т. п ).

Окислы Si0₂, Ti0₂ и Р₂0₅ — кислотные, остальные окислы имеют основный характер. Все шлаки в зависимости от соотношения в их составе кислых и основных окислов делят на кислые и основные.

Отношение массы всех кислых окислов данного шлака к массе всех основных окислов (в грамм-молекулах) * называют степенью кислотности шлака. У кислых шлаков степень кислотности больше единицы, основных — меньше единицы. Степень кислотности определяет физические свойства шлака и механизм взаимодействия между шлаком и металлом.

Химический состав сварочных шлаков приведен в табл. 4. Шлак, окружающий капли электродного металла при переносе их через дуговой промежуток, и шлаковый покров на сварочной ванне улучшают свойства наплавленного металла: защищают металл от действия воздуха; химическое взаимодействие между металлом и шлаком раскисляет и легирует металл шва, в шлаке растворяются вредные соединения; увеличивает запас тепла в наплавленном металле и замедляет его охлаждение.

При наличии в составе шлака стабилизирующих компонентов улучшается устойчивость горения дуги. К шлакам предъявляют следующие основные требования:

температура плавления шлака должна быть несколько ниже температуры плавления металла; применение тугоплавких шлаков затрудняет правильное формирование шва и способствует возникновению в нем шлаковых включений; FeO значительно понижает температуру плавления шлака; MgO в тех небольших количествах, в каких обычно бывает в шлаках, также понижает температуру их плавления;

плотность шлака в жидком состоянии должна быть ниже плотности расплавленного металла, что обеспечивает всплывание шлака в верхнюю часть сварочной ванны;

шлак должен обладать хорошей жидкотекучестью, т. е. незначительной вязкостью; чем меньше вязкость шлака, тем выше его активность, тем быстрее протекают в нем химические реакции и процессы растворения, тем легче выделяются из металла газы; с увеличением кислотности шлака увеличивается его вязкость; при избытке Si0₂ шлак становится густым; для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат CaF₂;

шлак должен хорошо растворять различные соединения; количество вредных примесей в шлаке должно быть минимальным;

в твердом состоянии шлак должен легко отделяться от наплавленного металла.

Одним из основных условий получения наплавленного металла высокого качества является защита электродного металла и металла сварочной ванны от воздействия воздуха. Действие газовой защиты более интенсивно, чем действие покрытий и флюсов, так как реакции между газовыми веществами и жидким металлом обладают значительно большей скоростью.

При дуговой сварке покрытыми электродами защита осуществляется газами, образующимися в результате: сгорания газообразующих компонентов покрытия (крахмал, декстрин, целлюлоза, древесная мука и т. п.); диссоциации мела, мрамора и других углекислых солей, содержащихся в покрытии; диссоциации компонентов покрытия, богатых кислородом (Fe₂0₃, МпО).

При сварке под флюсом источниками образования газовой среды являются плавиковый шпат CaF₂, а также реакции, протекающие между металлом и флюсом.

При сварке в среде защитных газов (аргоно- и гелиево-дуговая сварка, сварка в среде углекислого газа и т. п.) последние специально вводят в зону сварки. В зависимости от способности защитного газа взаимодействовать с металлом в процессе сварки различают: защиту

инертными газами (аргон, гелий и их смеси); защиту активными газами (0₂, СО, С0₂, H₂, пары воды, смеси активных газов).

В первом случае инертные газы практически не растворяются в свариваемом металле и не образуют с ним и его примесями химических соединений. Защита аргоном и гелием заключается лишь в оттеснении от зоны сварки воздуха, содержащего в своем составе кислород и азот.

Наличие кислорода и азота в стали отрицательно сказывается на ее механических свойствах. Увеличение содержания кислорода снижает предел прочности и твердость, ухудшает пластические свойства стали. Повышение содержания азота в стали уменьшает ее пластичность и увеличивает склонность к хладноломкости.

Активные газы в процессе сварки взаимодействуют с металлом, растворяясь в нем и образуя химические соединения. Защитное действие активных газов заключается: в оттеснении от зоны сварки воздуха, при этом важнейшей ролью защитных газов является предупреждение проникновения азота воздуха к металлу, так как удаление азота из сварочной ванны представляет большую трудность по сравнению с удалением кислорода раскислением; в связывании попавших в зону дуги кислорода и азота; в восстановлении металла из окислов.

При дуговой сварке покрытыми электродами или при сварке в углекислом газе, несмотря на активность газовой среды, ее действие все же значительно, так как окислительное действие активных газов значительно меньше окислительного действия воздуха.

Защита расплавленного металла покрытиями, флюсами и газами для предотвращения окисления при сварке не всегда достигает цели, и содержание кислорода в наплавленном металле обычно выше, чем в основном и присадочном металле (табл. 5).

Результатом окисления стали при сварке является растворение кислорода в железе, образование окислов железа (FeO, Fe₃0₄, Fe₂0₃) и окислов других химических элементов. Закись железа FeO, так же как кислород, растворяется в железе. Остальные окислы практически не растворяются в железе и на его свойства оказывают незначительное влияние.

Источниками окисления металла при сварке преимущественно являются газы и шлаки, в меньшей степени — поверхностные окислы (окалина, ржавчина).

Окисление металла газами. Газовая среда, являющаяся источником окисления, может быть различной и зависит от применяемого способа сварки.

Окисление металла газами происходит в дуговом промежутке (в процессе переноса капель электродного металла в сварочную ванну) и в сварочной ванне. При этом окисляются (выгорают) химические элементы, содержащиеся в электродном и основном металле. При сварке стали в первую очередь окисляется железо, другие элементы окисляются с .различной интенсивностью.

Чем больше степень сродства химического элемента с кислородом, тем быстрее идет окисление элемента. Ниже перечислены некоторые химические элементы, содержащиеся в сталях, начиная с элемента с наибольшей степенью сродства с кислородом и кончая элементом с наименьшей ее величиной: Al, Ti, Si, Mn, Cr, Fe, Ni, C, Cu.

Кроме окисления газами, окружающими дуговой промежуток и сварочную ванну, при сварке покрытыми электродами капли электродного металла могут окисляться кислородом воздуха при случайном увеличении длины дуги.

Реакции окисления железа при дуговой сварке следующие:

2Fe+ 0₂ = 2 FeO;

Fe+ СО ₂ = FeO+ СО;

Fe+ СО = FeO+ С;

Fe+ Н₂0= FeO+ Н₂.

Марганец и кремний, имеющие высокую степень сродства с кислородом, сильно выгорают при дуговой сварке. Выгорание углерода может идти по реакциям:

Fe₃C+ 1/20₂ = 3Fe+ СО;

Fe₃C+ 0₂ = 3Fe+ С0₂.

Окисление металла шлаками. Некоторые шлаки вызывают и окисление металла. Одним из таких шлаков является закись железа FeO. При наличии в покрытии или во флюсе окислов железа часть закиси железа при определенных условиях будет растворяться в металле шва, обогащая его кислородом.

Окисление металла окислами на свариваемых поверхностях.

На поверхности основного металла (стали) обычно находятся ржавчина и окалина. При нагреве ржавчины присутствующая в ней влага испаряется, содержащийся в ней кислород повышает окислительную способность газовой среды. Окалина при плавлении металла переходит в закись железа с выделением кислорода:

Выделяющиеся закись железа FeO и кислород окисляют металл шва.

Для получения наплавленного металла с механическими свойствами не ниже, чем у основного металла, необходимы меры по снижению содержания кислорода в наплавленном металле. Такими мерами являются — раскисление наплавленного металла и удаление образовавшихся окислов из сварочной ванны.

Раскисление может быть осуществлено за счет взаимодействия между металлом и шлаком или при помощи раскислителей.

Раскисление металла шлаками. При наличии в сварочной ванне кислых шлаков раскисление металла происходит по реакциям:

FeO + Si0₂ = FeO — Si0₂;

2FeO + Si0₂ = 2Fe0-Si0₂.

Полученные силикаты не растворимы в металле, поэтому количество FeO' в металле уменьшается.

Раскисление металла раек целителями. Сталь раскисляют введением в сварочную ванну С, Si, Мп и Аl.

Наиболее распространенный метод введения раскислителей — применение сварочной проволоки, содержащей раскислители. Возможно введение раскислителей через покрытия электродов и флюсы.

Раскисление углеродом FeO+ С = Fe+ СО.

Окись углерода практически не растворима в стали. В период " нахождения жидкого металла при высоких температурах образующиеся пузырьки окиси углерода всплывают и удаляются из сварочной ванны. При применении углерода в качестве раскислителя возможно образование пор в наплавленном металле.

Раскисление марганцем FeO+ Mn = Fe+ MnO.

Окись марганца плохо растворима в железе, но способна растворить в себе до 60% FeO, следовательно, она будет уходить в шлак, увлекая за собой значительное количество FeO.

В качестве раскислителя марганец применяют в сплавах с железом и углеродом (ферромарганец), стоимость марганца невысокая.

Раскисление кремнием 2 FeO+ Si= 2Fe+ Si0₂.

Эта реакция в металле сопровождается реакциями образования силикатов:

Si0₂ + FeO= FeO-Si0₂;

Si0₂ + MnO= MnO- Si0₂.

Кремний весьма активный раскислитель, Si0₂ и силикаты практически не растворимы в железе н уходят в шлак.

Раскисление алюминием 3FeO+ 2А1 = Аl₂0₃ + 3Fe.

Сталь, раскисленная алюминием, склонна к образованию трещин при ударах в горячем состоянии. Поэтому алюминий применяют только в ограниченных количествах.

Раскисление не обеспечивает равнопрочности и близости по химическому составу наплавленного и основного металлов. Для выполнения этих требований необходимо, чтобы в процессе сварки было осуществлено легирование наплавленного металла, компенсирующее выгорание специальных элементов основного металла, или легирование элементами, не содержащимися в основном металле.

Легирующие элементы (Сг, Mo, V, W, Тi и др.) могут быть введены в состав электродного металла и в шихту электродного покрытия или флюса. Коэффициент усвоения легирующего элемента, находящегося в электродном металле, несколько выше, чем введенного в покрытие.

Коэффициент усвоения, или перехода, легирующего элемента представляет собой отношение содержания легирующего элемента в металле шва к суммарному содержанию его в электродном металле, покрытии, а также в той доле основного металла, которая войдет в состав металла шва.

Так как некоторая часть легирующего элемента все же окисляется, коэффициент усвоения (перехода) его всегда меньше единицы. Численное значение коэффициента усвоения зависит от степени сродства легирующего элемента с кислородом, от условий протекания процесса сварки и др. Чем выше степень сродства легирующего элемента с кислородом, тем меньше, при прочих равных условиях, коэффициент его усвоения наплавленным металлом.

Наиболее легко осуществить легирование стали медью или никелем. Коэффициент усвоения таких элементов практически близок к единице. Значения коэффициента усвоения при сварке некоторых сталей с применением электродного металла различного состава приведены в табл. 6. Средние значения коэффициентов перехода элементов из покрытия в металл шва при сварке низкоуглеродистым электродом даны в табл. 7. Данные табл. 6 и 7 ориентировочны и справедливы только для условий, в которых они были определены.

Величина коэффициента усвоения (перехода) увеличивается при увеличении растворимости элемента в металле и уменьшении концентрации данного элемента в электроде (в покрытии и стержне). Коэффициент усвоения тем больше, чем лучше раскислен расплавленный металл. Кроме того, имеется еще ряд факторов, которые также могут изменять величину коэффициента усвоения легирующих элементов. К ним относят: степень помола компонентов покрытия, род сварочного тока и его полярность, силу тока, длину дуги и др.

Состав шлаковых включений в наплавленном металле зависит в основном от применяемых электродов или флюса. При сварке сталей включения возникают в результате застревания частиц кварца Si0₂ и корунда А1₂0₃, присутствующих в некоторых исходных компонентах покрытий и флюсов. Эти включения, в первую очередь Si0₂, взаимодействуют с находящимися в металле шва окислами (MnO, FeO и др ), образуя более сложные легкоплавкие включения диаметром от нескольких микрон до десятков микрон. Характер шлаковых включений показан на рис. 2.

При сварке сталей в металле шва могут возникнуть в сравнительно большом количестве сернистые включения. Сера может переходить в металл шва из покрытий и флюсов, которые иногда загрязнены. В сварочной ванне сера находится в форме сульфида железа FeS, наличие которого повышает склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах.

Одной из форм. неметаллических включений в металле шва при дуговой сварке являются нитриды — химические соединения азота с различными металлами. Наибольшее влияние на свойства металла шва оказывают нитриды железа, образующиеся при дуговой сварке сталей. Нитриды железа обладают высокой твердостью. Пластические свойства металла шва при повышенном содержании азота резко снижаются.

Факторы, влияющие на количество и величину шлаковых включений в наплавленном металле. Величина и количество шлаковых включений зависят от скорости всплывания частиц, их способности к коагуляции, их вязкости, плотности и от механического воздействия на жидкий металл.

Скорость всплывания частиц зависит от их размеров, от плотности жидкого металла и частиц и от вязкости металла. Основное влияние на скорость всплывания имеет радиус частиц, с увеличением которого ускоряется всплывание. Поэтому малые частицы, образующиеся в процессе раскисления, имеют очень малую скорость всплывания.

Способность к коагуляции ведет к укрупнению частиц, облегчает их всплывание. Коагуляция зависит от поверхностного натяжения частиц и от их вязкости.

Наличие в металле посторонних включений представляет собой отрицательное явление, так как включения делают металл неоднородным. В большинстве случаев неметаллические включения имеют высокую температуру плавления, не обладают пластичностью, прочность ихмала, а хрупкость значительна. Отличаясь от наплавленного металла по химическому составу, они способствуют коррозии.

Поэтому при сварке необходимо стремиться к получению более чистого металла шва или наплавки с возможно меньшим количеством посторонних включений.

Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле принимают следующие меры:

удаляют загрязнения, ржавчину и окалину с поверхности основного металла в местах сварки;

проводят промежуточную зачистку швов от шлака при многослойной сварке или наплавке;

замедляют остывание наплавленного металла (применяют толстый слой шлака, соответствующий режим сварки и т. п.);

вводят в состав покрытий вещества, которые способствуют понижению температуры плавления окислов и могут образовать соединения, легко удаляемые из металла.

Появление в сварных соединениях пустот и газовой пористости является результатом выделения газов из металла. Газы, выделяющиеся из жидкого наплавленного металла при его охлаждении и затвердевании, способствуя освобождению металла от шлаковых включений, создают пористость в шве или наплавке. Количество выделяющихся газов увеличивается с повышением температуры перегрева металла.

Поры могут возникнуть как в металле шва, так и в зоне взаимной кристаллизации. Поры располагаются внутри шва или выходят на его поверхность (рис. 3 и 4). По своей форме поры могут быть шарообразными и вытянутыми в виде гусеницы. Иногда наблюдается скопление большого числа разнообразных пор.

Газы в наплавленном металле могут быть в следующих состояниях: механически включенные (в порах и пузырях); в растворе в виде химических соединений (например, 0₂в виде FeO, N₂в виде Fe₄N и т. д.); непосредственно растворенные (Н₂, С0₂ и др.).

Главными причинами, способствующими образованию газовых пор в металле шва, являются:

интенсивное выделение газов при кристаллизации металла шва; наличие влаги в присадочных материалах (присадочная проволока, электроды, флюсы) и наличие окислов (окалина, ржавчина) на кромках деталей;

недостаточная раскисленность и, как следствие, большая насыщенность основного металла газами;

относительно высокая концентрация FeO в металле шва при газовой и ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали, что при повышенном содержании углерода в присадочной проволоке или в электродах является причиной выгорания углерода по. реакции FeO+ С = Fe+ СО; выделение окиси углерода из металла шва в момент кристаллизации вызывает образование пор;

наличие в стали в значительном количестве растворенного водорода, который, диффундируя в мельчайшие пузыри, образованные окисью углерода, может увеличить их до заметных размеров;

повышение давления над поверхностью ванночки по каким-либо причинам вызывает повышение давления газов в пузырях; вследствие этого размеры пузырей уменьшаются и снижается скорость их всплывания, они могут не достигнуть поверхности швов до затвердевания металла, и в швах возникают поры. Основной причиной, увеличивающей давление над поверхностью, является повышенная вязкость шлаков.

Поры и пузыри, соответственно их величине и расположению в наплавленном металле, понижают его механическую прочность. Наличие пор в шве вызывает концентрацию напряжений и, следовательно, создает условия для разрушения сварного соединения. Мелкие равномерно расположенные поры менее вредны, чем крупные сконцентрированные в местах высокого напряжения, если даже количество мелких пор во много раз превышает количество крупных. Газы, остающиеся в наплавленном металле, повышают его хрупкость, твердость и понижают пластичность.

Среди химических свойств шлака наиболее важное значение для развития сталеплавильных процессов имеют основность и окислительная способность шлака. Основность шлака, определяющая избыток основных окислов над кислотными и имеющая смысл лишь для основных шлаков, характеризует способность шлака поглощать из металла серу и фосфор. Предложено несколько выражений основности шлака. Простейшим из них является отношение массовых концентраций окиси кальция и кремнезема (% CaO)/(% SiO2). Выраженная таким образом основность при всей простоте этого выражения довольно определенно характеризует химические свойства шлака, так как окись кальция наиболее сильный основной окисел, а кремнезем, обладая в шлаке отчетливо выраженными кислотными свойствами, среди кислых окислов существенно преобладает количественно. Выражение основности шлака через отношение (% CaO)/(% SiO2) нашло широкое применение в практике сталеплавильного производства. Оно оказывается часто достаточным и при выполнении исследовательских работ. Предложены также выражения основности шлака с учетом содержания пятиокиси фосфора, обладающей резко выраженными кислотными свойствами шлака. Эти выражения, однако, условны, так как основаны на предположении об образовании прочных и совсем недиссоциированных молекул силикатов и фосфатов. Для процессов металлургии стали они не имеют особого значения, так как шлаки электроплавки содержат мало P2O5 даже в окислительный период. Влияние основности шлака на коэффициент распределения вольфрама между металлом и шлаком С позиций современных представлений об ионной структуре жидких шлаков такое химическое свойство шлака как основность, следует выражать через концентрацию ионов кислорода. Однако приведенное выше уравнение для определения концентрации кислорода условно, так как оно применимо лишь в случае, когда в шлаке не образуется значительное число сложных комплексных анионов, т.е. для «совершенных ионных растворов». Химические свойства шлака - окислительная способность . Окислительная способность шлака характеризует скорость передачи кислорода металлу и соответственно скорость и возможную степень окисления примесей металлической ванны печи. В равновесии с основным шлаком содержание кислорода в жидком железе зависит от состава шлака, причем кривые постоянного содержания кислорода повторяют кривые изоактивности (постоянной активности) закиси железа. Линии изоактивностей закиси железа, не параллельны стороне (CaO + MgO)—(SiО2), т. е. эти изоактивности не постоянны при постоянном содержании (FeO). Для принятого содержания закиси железа в шлаке ее активность изменяется, достигая максимума при составах шлака, отвечающих образованию ортосиликата (Ca, Mg)2SiО4. Это соответствует основности, равной 2, при выражении ее в виде (CaO + MgО)/(SiО2). При увеличении или уменьшении основности активность закиси железа понижается вследствие повышения энергии связи ее с расплавом. При высокой основности шлака это является, по-видимому, результатом образования группировок типа феррита кальция (2CaO • Fe2О3), а при низкой основности — группировок типа силикатов. Лишь для кислых шлаков, содержащих около 40% и более SiO2 и до 10% FeO, линии изоактивности закиси железа почти параллельны. Следовательно, при расчете распределения кислорода между металлом и кислым шлаком можно пользоваться концентрациями закиси железа в шлаке, а не активностями.

Список литературы:

1. Хакимов А.Н.

Электрошлаковая сварка с регулированием термических циклов. - М.:

Машиностроение, 1984.

2. Электрошлаковая сварка. – М.: Государственное научно – техническое