Строение и свойства сварочных флюсов
Сварочные флюсы представляют собой сплавы различных оксидов, солей или сплавы солей и оксидов. Они имеют пониженные (по сравнению с соответствующим жидким металлом) температуру плавления и плотность. При взаимодействии сварочных флюсов с жидким металлом изменяется их химический состав и они превращаются в шлак, который располагается в основном на поверхности сварочной ванны и защищает ее от непосредственного кон
такта с атмосферой. Однако при высоких температурах, развивающихся во время сварки, флюсы-шлаки переходят в реакционно-способное состояние и вступают в обменные реакции с металлом, что может снижать качество швов. Для управления этим процессом необходимо иметь сведения о строении шлаков и условиях, в которых возможно взаимодействие шлаков с металлами.
В соответствии с ионной теорией, имеющей широкую экспериментальную основу, шлаки обладают кристаллической структурой ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион - катионами. Ионное строение шлаков подтверждается их заметной электропроводностью (того же порядка, что и электропроводность расплавов типичных электролитов), которая возрастает с повышением температуры, что также характерно для электролитов. Схема кристаллического строения флюсов, состоящих из оксидов и солей, представлена на рис. 9.17. Структурными единицами кристаллического строения оксидов и солей являются катионы (металлов 2+ 2— — —
Me ) и анионы (кислорода О, фтора F, хлора С1 и др.), которые чередуются в узлах кристаллических решеток.
Ое О® ® |
° в п° в Ов° ® в 0е О |
44 во® о |
•о«°* .°о-°о0. |
0 * О $5° |
а о °®°5 в ® о о ° ®в ® в . О в |
О в в |
®о в во |
а б в г
Рис. 9.17. Схема строения жидких кислых и основных флюсов (о - анионы кислорода; Э - катионы металлов основных оксидов; • - катионы
кремния):
а - чистый кремнезем; б - раствор небольшого количества основных оксидов в кремнеземе (показаны кремнекислородные анионы: 1 - Si309~; 2 - Si60]g~; 3 -
Si40f2);<? - раствор небольшого количества кремнезема в основном оксиде
(показаны изолированные тетраэдры 4 - SiO^-); г - сплав основных оксидов
Структурной единицей оксида кремния (кремнезема) является анион Si04~. Анионы Si04~ обладают возможностью соединяться между собой через атомы кислорода с образованием разнообразных по структуре комплексов ионов - силикатных комплексов
SixOzy~. При расплавлении оксидов и солей ионы сохраняются, но
нарушается дальний порядок; ионы и комплексы ионов получают значительную подвижность. При добавлении к кремнезему основных оксидов CaO, MgO и т. п. происходит дробление силикатных комплексов с образованием ионов в следующей последовательно-
1 Л О Ґ___ /
сти: Si6Oj8 , Si40|2, Si309 , Si207 и т. д. Дробление силикатных комплексов доходит до образования изолированных тетраэдров Si04~ (см. 4 на рис. 9.17), что снижает их вязкость в расплавленном состоянии. При определенной концентрации кислотных и основных оксидов образуются комплексы ионов - силикаты п AfeO-Si02 (метасиликат Me0 Si02, ортосиликат 2Afe0-Si02). При добавлении к основным оксидам амфотерных оксидов образуются алюминаты п МеО • А120з, фосфаты п МеО • Р4О10, ферриты nA/e0Fe203.
Жидкие шлаки являются растворами-электролитами. Они обладают присущей электролитам ионной проводимостью и подвержены электролизу. Шлаки, богатые основными оксидами, называются основными шлаками, а при большом содержании кислотных оксидов - кислыми шлаками. В первом приближении считается, что про - 2+ 2+ 2+ 2- стые катионы (Fe, Са, Mg и др.) и простые анионы (О, F ) в
основных шлаках равноценны в отношении взаимодействия друг с другом и такие шлаки близки к идеальным растворам (по теории М. И. Тёмкина). По мере увеличения в шлаке кислых оксидов его поведение все более отличается от поведения идеального раствора. Жидкие шлаки представляют собой наиболее сложный вид растворов, теоретическое описание которого представляет затруднение. В дальнейшем будем рассматривать сварочные шлаки как молекулярные растворы, а в отдельных случаях - как ионные растворы.
Сварочные флюсы применяют для выполнения следующих задач:
- защиты жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом;
- проведения процессов раскисления, легирования и рафинирования металла;
- улучшения теплового режима сварки путем снижения скорости охлаждения;
- поддержания устойчивости дугового разряда;
- высококачественного формирования металла шва и особенно создания плавной зоны перехода к основному металлу, зависящей от смачиваемости твердого металла жидким металлом и растекае - мости жидкого металла на поверхности соединения.
Применение сварочных флюсов эффективно только при оптимальных соотношениях химических и физических свойств шлаков и флюсов.
Химические свойства флюса и образующегося из него шлака в значительной мере определяются степенью кислотности или обратной ей величиной - степенью основности (В).
Степенью кислотности п называют отношение сумм молекулярных долей основных и кислотных оксидов данного шлака, выраженных в процентах и не связанных в комплексы:
(9.28)
К кислотным оксидам сварочных флюсов относятся Si02, ТІО2, Р2О5, В2О3 и др., к основным - FeO, MnO, NiO, СаО, BaO, MgO,
Na20, C112O, K2O и др. Кроме этих двух групп оксидов в сварочных флюсах могут присутствовать и амфотерные оксиды, ведущие себя с сильными кислотами как основные оксиды, а с сильными основаниями как кислотные оксиды. К амфотерным оксидам относятся AI2O3, Fe203, Сг20з, V2O3 и др.
Если степень кислотности больше единицы, шлак считается кислым, если меньше - основным. Однако такое деление весьма условно, так как при определении степени кислотности п по формуле (9.28) не учитывается активность каждого из оксидов. Возможны случаи, когда по значению п формально следует отнести шлак к кислым (гг > 1), однако вследствие наличия в нем слабых кислотных и сильных основных оксидов он по характеру металлургического воздействия является основным. Тем не менее с помощью показателя степени кислотности можно ориентировочно оценить свойства шлака и его поведение при сварке. Весьма важно
при этом знать, в какой форме находятся в данном шлаке различные оксиды - в виде комплексных соединений или в свободном, диссоциированном состоянии. Запишем в общем виде реакцию образования комплексных соединений для жидкого шлака:
(МгО)осн + {Me0)кисл (МЮосн • М?0Кисл) (9.29)
с константой равновесия (выраженной в объемных долях компонентов):
К — (0//° Ме0осп ' Ме°шсп ) (9 30)
с (% МеО)осн(% МеО)шсп
С уменьшением температуры константа равновесия Кс реакции растет, процесс образования комплексных соединений усиливается и концентрация свободных оксидов в шлаке уменьшается.
О степени сродства отдельных оксидов друг к другу можно судить по значению константы равновесия реакции, а также (ориентировочно) по тепловому эффекту реакции - теплоте комплексо - образования. Ниже приведены значения теплоты комплексообра - зования, Дж/моль, для различных соединений:
TOC o "1-5" h z 2СаО - Si02 118 860
ВаО • Si02.................................................................... 61740
FeO • Si02................................................................. 45 360
2FeO • Si02.................................................................. 34 020
MnO • Si02.................................................................. 32 340
ZnO ■ Si02.................................................................. 10 458
A1203 • Si02............................................................... 192 990
Из приведенных данных следует, что образованию силикатов алюминия соответствует наибольшая теплота комплексообразова - ния.
В кислых шлаках наиболее сильными основными являются оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, слабее оказываются амфотерные оксиды. Из кислотных оксидов после SiC>2 наиболее сильные ТІО2 и Р2О5.
Вообще процессы комплексообразования идут в шлаке одновременно для всех оксидов, но наиболее полно и активно они протекают при взаимодействии сильных основных и кислотных оксидов. Нельзя забывать, конечно, и о влиянии концентрации свободного оксида в шлаке на развитие процессов комплексообра - зования. При большой концентрации в шлаке слабого оксида степень его активности может заметно возрасти.
К началу затвердевания шлака после кристаллизации металла шва отдельные его компоненты присутствуют в форме двойных и более сложных комплексных соединений, а также находятся во взаимных растворах. Химические свойства сварочных шлаков следует рассматривать в совокупности с их физическими свойствами.
Физические свойства шлаков характеризуются следующими величинами:
- тепловыми константами (температурой плавления и размягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и энтальпией шлака);
- вязкостью в жидком состоянии и ее изменением с температурой;
- газопроницаемостью;
- плотностью в жидком состоянии;
- показателями, определяющими отделяемость шлака от металла шва в твердом состоянии.
Для подавляющего большинства сварочных шлаков характерна большая склонность к переохлаждению, что объясняется их повышенной вязкостью в жидком 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 температурного интервала плавления, лежащего между температурами начала размягчения шлака и его перехода в жидкое состояние, соответствующее полному расплавлению. Температурный интервал плавления у кислых шлаков обычно больше, чем у основных.
От температуры размягчения и плавления шлаков, полученных при взаимном растворении их компонентов, следует отличать температуру образования шлаков при плавлении электродных покрытий или керамических флюсов, представляющих собой механическую смесь измельченных компонентов, связанных обычно раствором жидкого стекла. Для такого шлака характерна температура плавления смеси оксидов, составляющих его (например, электродного покрытия). Обычно она несколько выше, чем для сплавленного шлака того же состава, но так же, как и для сплавленного шлака, должна быть ниже температуры плавления металла.
Активность жидких шлаков при взаимодействии с металлом сильно зависит от их вязкости, зависящей от температуры. На рис. 9.18 приведены кривые зависимости динамической вязкости г|
- сварочных шлаков от температуры Т.
1 I —L 1400 1600 т; к Рис. 9.18. Зависимость динамической вязкости от температуры для расплавленных флюсов: 1 - АН-22; 2 - АН-348-А; 3 - ФЦ-6; 4 - АН-30 |
По ним можно судить об особенностях поведения шлаков при переходе нз жидкого состояния в твердое.
Кривая /, соответствующая «коротким» шлакам, показывает, что их вязкость почти постоянна в пределах 1473-1873 К и составляет менее 0,2 Па с. При температуре около 1373 К вязкость «коротких» шлаков резко повышается и они затвердевают. Перепад температур по толщине шлаковой корки приводит к тому, что «короткий» шлак быстро затвердевает вблизи поверхности, оставаясь жидким в зоне соприкосновения с кристаллизующимся металлом и обеспечивая свободный выход газов из металла и формирование шва. «Короткие» шлаки относятся к основным шлакам.
Кривая 2 (см. рис. 9.18) соответствует «длинным», более густым шлакам, вязкость которых медленно снижается в интервале
1573.. . 1673 К. Такие шлаки постепенно переходят сначала из жидкого состояния в густое, потом - в тестообразное, а затем - в твердое, и поэтому трудно установить температуру начала их затвердевания.
Переход «длинных» шлаков из тестообразного состояния в твердое сопровождается повышением вязкости, и это затрудняет перегруппировку частиц, необходимую для построения кристаллической решетки. Поэтому «длинные» шлаки не кристаллизуются, а переходят в стекловидную аморфную массу.
«Длинные» шлаки - это обычно кислые силикатные шлаки.
Чем больше содержание SiC>2 в шлаке, тем выше его вязкость. Однако различные силикаты, входящие в шлак, могут иметь разную вязкость. Наиболее часто встречающиеся в сварочных шлаках комплексы - силикаты по возрастанию их вязкости можно
расположить в такой ряд: FeO • Si02, MnO Si02, Fe203*Si02,
Mg0-Si02, Ca0 Si02, Al203-Si02. «Длинные», медленно затвердевающие шлаки менее активны по отношению к металлу и отличаются худшими формирующими свойствами: смачиваемостью и растекаемостью.
От вязкости шлака зависит его газопроницаемость, т. е. способность пропускать выделяющиеся из металла газы. Известно, что скорость выделения газов из металла зависит от их давления над поверхностью металла. Если у шлаков плохая газопроницаемость, то на поверхности металла создается повышенное давление газов, препятствующее их дальнейшему выделению. В этом случае в шве могут образоваться поры, а на поверхности шва - мелкие вмятины, шероховатость, побитость.
Густые шлаки обладают плохой газопроницаемостью, а маловязкие, жидкоподвижные шлаки - высокой газопроницаемостью. В жидкоподвижных шлаках быстрое выделение газов из металла сопровождается попутным захватом частиц шлаковых включений и более полным очищением металла шва. Поэтому важно умело подбирать соответствующие добавки к шлаку, чтобы влиять на изменение его вязкости в нужном направлении.
Отличным разжижителем шлаков, особенно основных, является фтористый кальций CaF2 (плавиковый шпат). Уменьшают вязкость и такие оксиды, как ТІО2, К2О, Na20, MnO, а также хлориды. Особенно благоприятно влияние оксида ТІО2, который способствует получению «короткого» шлака. Таким образом, для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, а затем быстро затвердевающие шлаки. Этому условию больше всего удовлетворяют «короткие» (основные) шлаки.
После затвердевания шлаки должны быть удалены с поверхности шва. Насколько легко это сделать - зависит от ряда причин, в том числе и от окислительной способности шлака. Повышенная окислительная способность может резко ухудшить отделяемость шлаковой корки от поверхности шва. Действительно, если концентрация оксидов железа в шлаке повышена, может происходить окисление поверхностных слоев металла вплоть до его затвердевания. На поверхности металла образуется оксидная пленка шлака, состоящая главным образом из FeO. Кубическая кристаллическая решетка FeO строится на базе кубической кристаллической решетки уже закристаллизовавшегося шва. Изоморфность этих двух контактирующих фаз обеспечивает хорошее сцепление (когезию) шлака и металла, но является главной причиной плохой отделимости шлаковой корки.
Наличие в шлаковом покрове соединений, кристаллизующихся в той же кубической системе, что и FeO, приводит, в свою очередь, к достраиванию этими соединениями решетки FeO, а значит, к достаточно прочному сцеплению шлака с металлом. По кубической системе кристаллизуются соединения типа шпинелей, представляющие собой сложные оксиды двух - и трехвалентных металлов (А1, Mg, Fe и др). Ввод в шлак Si02 способствует лучшей отделимости шлаковой корки, так как при этом не образуется промежуточных соединений между шлаком и металлом.