СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Выбор шлаковой основы флюса
При выборе компонентов флюса для сварки алюминия или его сплавов необходимо учитывать их физико-химические свойства. В процессе сварки флюс должен выполнять следующие функции:
а) надежно защищать металл шва от взаимодействия с окружающей атмосферой;
б) способствовать контролированию и регулированию составом газовой фазы в реакционном пространстве;
в) способствовать устойчивому горению электрической дуги; j
г) обеспечивать правильное формирование металла шва;
д) удалять из металла шва оксидные пленки.
Для выполнения этих задач флюс должен обладать определенными физическими и химическими свойствами:
а) иметь высокую активность по отношению к оксиду алюминия;
б) в расплавленном состоянии иметь низкую электропроводность;
в) температура плавления его должна быть ниже температуры плавления свариваемого металла;
г) плотность флюса должна быть меньше плотности металла;
д) флюс не должен изменять своих свойств при хранении;
е) не быть гигроскопичным;
ж) в расплаве иметь незначительную вязкость;
з) легко удаляться с поверхности шва после его кристаллизации.
Химический состав металла шва определяется составом свариваемого металла и электродной проволоки, долями их участия в образовании шва, а также характером взаимодействия жидкого металла, шлака и газовой среды.
Возможность протекания металлургических процессов между жидким металлом и газовой фазой, а также направление химических реакций могут быть установлены термодинамическими расчетами, при выполнении которых предполагается равновесное состояние реагентов и чисто термическое действие электрической дуги. В процессе сварки расплавленный металл, шлак и газовая фаза непрерывно изменяют свою температуру и разбавляются все новыми порциями еще не прореагировавших веществ, что не позволяет поддерживать длительное существование химического равновесия реакций. Поэтому термодинамические расчеты не могут дать точных количественных значений искомых величин, а служат лишь для качественной оценки протекающих в реакционном пространстве металлургических процессов.
Скорость протекания и направление реакций определяются температурой системы, концентрацией регулирующих веществ, давлением и химическим сродством реагентов.
В качестве меры химического сродства принято изменение стандартного изобарного термодинамического потенциала, которое для случаев обратимых реакций может быть вычислено по приближенным энтропийным уравнениям.
Д2°г ДЯ^-Т-М^ (2.1)
где ДЯ0^ - изменение энтальпии реакции при 298 /С;
' изменение энтропии реакции при 298 К;
Т - температура по шкале Кельвина, К.
В таблице 2.1 приведены химические реакции образования оксидов и соответствующие формулы для расчета ^[101,36,54,53,2].
|
Таблица 2.1 - Реакции образования оксидов и уравнения для Д2%
|
Примечание: Индексы в химических реакциях обозначают: Т- твердая фаза; ж - жидкая фаза; г - газовая фаза. Результаты расчета изменения стандартного изобарного
термодинамического потенциала образования оксидов показывают, что только Са, Mg, Be и Li имеют большее сродство к кислороду, чем алюминий. Однако оксиды этих металлов тугоплавки (Г > 2773 К). Поэтому оксиды любых элементов, известных в природе, не могут служить шлаковой основой флюса, предназначенного для сварки алюминия и его сплавов. Небольшие добавки оксидов могут вводиться во флюс для придания ему определенных физических свойств или с целью легирования металла шва отдельными элементами.
Так, для легирования марганцем металла шва при сварке сплава АМц во флюс вводят Мп02. Известно, что с целью получения плотного металла шва необходимо ввести во флюсы Na2COj или К2Сг207 , создающие в реакционной зоне окислительную атмосферу.
Для установления возможности растворения какого - либо элемента в жидком алюминии были проведены термодинамические расчеты.
Определение изменения свободной энергии растворения производили по уравнению
*2* г.— 4>57616----------- —------------------------------- (2.2)
Траат е 100 d„. + К %Ме
где dM " 26,97 - атомный вес алюминия;
dUe атомный вес легирующего элемента;
% Me - концентрация легирующего элемента в растворе;
К коэффициент, определяемый как разность d^ - dMe
Тогда полное изменение свободной энергии системы
будет:
AZV =ДZ° - (2 3)
Тгитлмы Тдисс T-paam V *
Уравнения химических реакций и изменение свободной энергии растворения железа, кремния, кальция и магния в жидком алюминии приведены в таблице 2.2, а результаты расчета в зависимости от концентрации и температуры - на рис. 2.1-2.3.
Одновременно возможно и раскисление жидкого алюминия
А1яОп + тМе - &еп0п + тА1 (2.4)
|
Таблица 2.2 - Химические реакции и изменение свободной энергии растворения некоторых элементов в жидком алюминии
|
Тогда полное изменение свободной энергии раскисления системы будет определяться уравнением
AZ° = AZ0 . - Д2° - Д2° (2.5)
г хзлстлмы т. оисс трлств т. раск V ^ /
Уравнения химических реакций и изменение свободной энергии жидкого алюминия литием, магнием и кальцием представлены в таблице 2.3, а результаты расчета в зависимости от концентрации и температуры - на рис. 2.4-2.6.
|
Температура, К Рис. 2.1. Изменение свободной энергии растворения кремния в жидком алюминии от температуры и концентрации |
0,001
|
0,01 0,05 0,2 1,0 |
40
|
Лку AZ? лрогмакя 1С*г+Ош =* 2СаО, <931-1123 К) )СлтМУ^т 2СлО, (1122-1760 К) 2Слг*Ож» 2CaOf <1760 и > К) |
|||||||||
|
122 1 |
2<С«)»ЧСЦ |
||||||||
|
/ |
/ |
||||||||
|
ч о |
|||||||||
|
і |
У |
У |
г— |
|
80 |
|
120 |
|
160 |
|
200 |
|
240 |
|
900 |
|
2500 |
1300 1700 2100
Температура, К
Рис. 2.2. Изменение свободной энергии растворения кальция в жидком алюминии от температуры и концентрации
|
Температура, К |
Рис. 2.3. Изменение свободной энергии растворения магния в жидком алюминии от температуры и концентрации
|
Таблица 2.3 - Уравнения химических реакций
|
|
Температура, К Рис. 2.4. Изменение свободной энергии раскисления жидкого алюминия литием от температуры и концентрации |
По данным термодинамических расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Концентрация растворенных в алюминии Fe, Si, Са и Mg, находящихся в равновесии со своими оксидами, с повышением температуры возрастает (таблица 2.4).
|
Таблица 2.4 - Концентрация растворенных в алюминии элементов
|
|
Температура, К Рис. 2.5. Изменение свободной энергии раскисления жидкого алюминия магнием от температуры и концентрации |
|
Рис. 2.6. Изменение свободной энергии раскисления жидкого алюминия кальцием от температуры и концентрации |
2. С увеличением концентрации Fe, Si, Са, Mg их активность по отношению к жидкому алюминию повышается (таблица 2.5).
|
Таблица 2.5 - Активность элементов по отношению к жидкому алюминию
|
3. По убыванию активности растворения в жидком алюминии исследованные элементы можно расположить в ряд: Са, Mg, Si, Fe (таблица 2.5).
4. Растворимость Са, Mg, Si в жидком алюминии возможна в широком диапазоне концентраций при высоких температурах:
для кальция - от 0,001 до 1 % при Г - 2500 К;
для магния - от 0,02 до 5 % при Г= 2500 К;
для кремния - от 0,01 до 1 % при Т= 2900 К.
Растворимость Fe ограничивается как концентрацией, так и температурой, например, при концентрации 0,01 % Fe растворимость возможна до 2055 К, а для концентрации 0,5 % Fe - до 2300°К.
5. Растворенные в жидком алюминии Са, Mg, Li могут служить раскислителями. Кальций при концентрации выше 0,001 %; магний выше 0,02 %; литий выше 1 %.
На основании вышеизложенного не представляется возможным составлять флюсы для сварки алюминия и его сплавов из оксидов металлов.
Поэтому желательно рассмотреть возможность использования для флюсов фтористых и хлористых соединений.
Термодинамическим расчетом установлено [76], что алюминий имеет высокую химическую активность и по отношению к хлору и фтору. Более высоким, чем алюминий, химическим сродством к хлору обладают барий, магний, натрий, кальций, а к фтору - кальций, литий, магний, натрий, калий. Это расширяет возможность использования их в качестве компонентов для флюсов.
На основании термодинамических расчетов [76,78,79], опыта исследователей по пайке и сварке алюминия и его сплавов [74,75,80 и др.], а также учитывая теорию и практику электрометаллургии алюминия [11, 76, 81 и др.], иами в качестве компонентов шлаковой основы флюсов, пригодных для сварки алюминия и его сплавов закрытой дугой, были выбраны следующие фтористые и хлористые соли: криолит, фтористый барий, хлористый кадмий, хлористый калий, хлористый натрий, хлористый кальций, фтористый натрий и фтористый кальций.
В поисках новых шлаковых основ было опробовано более 800 составов с различным сочетанием указанных выше солей с учетом плотности, вязкости и температуры плавления согласно диаграммам состояния двойных, тройных и некоторых четверных систем [12,18,76,82,83,84,85,86].
Для исследований брались химически чистые компоненты, а криолит - марки К1 ГОСТ 10561-80. Сварка производилась по слою флюса при использовании механической смеси компонентов с высотой насыпного слоя 12 мм. На алюминиевые пластины размером 400 х 200х 20 мм марки А5 производилась наплавка валиков головкой А-1416 с использованием преобразователя ПСМ-1000. Перед наплавкой все исследованные флюсы прокаливались в печи в течение 2,5-3 час при температуре 493-523 К. По результатам сварки давалась оценка исследуемому флюсу.
Из всех исследованных флюсов лучшие результаты по технологическим свойствам при сварке показала тройная система NajAlFs - KCl - NaCl, на базе которой в дальнейшем и проводились все исследования.
