СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Взаимодействие металла со шлаками

Шлаками называют расплавы неметаллических соединений — оксидов, галлоидов, сульфидов и т. д., как свободных, так и образующих комплексные соединения. В условиях сварки шлаки образуются при расплавлении сварочного флюса, элек­тродного покрытия, сердечника порошковой проволоки, а также могут появляться самопроизвольно, например в результате вза­имодействия металла с защитной средой.

Химическое воздействие расплавленного шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. 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:

в = [ £ <R0>*] I [ Е <R°2)*] > <3'28>

где т, q—количество кислых и основных оксидов в составе шлака соответственно; (RO), — концентрация основных окси­дов в составе шлака, например CaO, MgO, Мп О, FeO и т. д.; (R02) к — то же, кислых оксидов, например Si02, ТЮ2> Zr02 и т. д.

Шлаки считаются кислыми при В<1, основными — при В> 1 и нейтральными — при В= 1. Эта классификация в опре­деленной мере формальна. Физический смысл понятия основ­ности шлака состоит в оценке активности иона кислорода. Чем выше основность шлака, тем больше активность иона кисло­рода О-2, т. е. тем больше свободных ионов кислорода.

В настоящее время наиболее часто употребляется формула, принятая Международным институтом сварки (МИС):

_ CaO+MgO+BaO+Na2O+K2O+LiO2+CaF2+0,5(MnO+FeQ)

~ SiO2 + 0,5(Al2O3 + TiO2+ZrO2)

(3.29)

где CaO, MgO, А120з, Li02 и т. д.— содержания компонентов шлака, % (по массе).

Имеется более точное выражение этой формулы 0,018СаО + 0,015MgO + 0,006CaF2 + 0,014 X

В = X (Na2Q + К20) + 0,007 (MnO + FeO)

0,017SiO2 + 0,005 (А1203 + ТЮ2 + Zn02) ' (

Несмотря на ионную природу шлаков, все расчеты химиче­ского взаимодействия между шлаком и металлом преимущест­венно базируются на молекулярной теории. Это связано с тем, что большинство термодинамических и металлургических дан­ных о взаимодействии шлака и металла построено именно на базе названной теории.

Процессы окисления расплавленного металла и ферроспла­вов шлаком можно описать следующими реакциями:

(FeO) + [Мп] з=* (MnO) + [Fe]; (3.31)

2 (FeO) + [Si] з=* (Si02) + 2 [Fe]; (3.32)

(Fe203) + 3 [Мп] 3 (MnO) + 2 [Fe]; (3.33)

2 (FeO) + [Ті] (T102) + 2 [Fe]; (3.34)

(Fe208) + 2 [Al] «с (A1A) + 2 [Fe], (3.35)

73

Если в покрытие или керамический флюс введено сразу не­сколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются эле­менты, обладающие большим сродством к кислороду. По сте­пени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в со­став электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Ca->-Al-*-Ti-*-Si-*-Mn->-Fe.

Для оценки химической активности сварочных шлаков удобнее всего использовать суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе. Указанный кислород должен быть связан

с химическим составом шлака выражением вида

[°]=/(_Z Л<). (3-36)

где А, — относительная химиче­ская активность оксида, способ­ного к восстановлению в свароч­ной ванне; п — число оксидов в составе шлака, способных к вос­становлению в сварочной ванне.

С учетом того обстоятельства, что химическая активность кис­лого оксида определяется как [6]

Афк = (R02)/(100S),

а основного оксида ЛФо = (RO) я/100,

суммарную химическую активность шлака по уравнению (3.39) можно переписать:

/ т а -1

Лф = ( У (R02); + В* £ (RO)k /(100В), (3.37)

Ч i=l fc=l J

где т и q — количества кислых и основных оксидов соответст­венно; (R02) и (RO) —концентрации кислого и основного ок­сидов в'составе шлака; В — основность шлака, определяемая по уравнению (3.30).

В конкретизированном виде уравнение (3.37) принимает вид:

Si02 4- 0,5 (ТЮ2) 4-0,4 (А12Оз 4 Zr02) 4 0,42В* (МпО)

Зф= ш

где (Si02), (ТЮ2) и т. д.—содержание компонентов шлака, % (по массе).

Корреляционная зависимость содержания кислорода в на­плавленном металле от коэффициента относительной химиче­ской активности шлака при сварке под флюсом, найденная на основе экспериментальных данных, представлена на рис. 3.9.