9.7. Окисление металла шва флюсом

Присутствие кислорода в газовой фазе флюсовой полости обу­словлено в основном тем, что:

-на поверхности металла свариваемых кромок имеются окси­ды (окалина Fe₃О₄ и ржавчина Fe₂О₃·2H₂О), диссоциирующие при дуговом нагреве (с выделением свободного кислорода) или вступающие с жидким железом в реакции:

(9.43а) (9.436)

-во флюсе есть воздух и влага, диссоциирующая при сварке и взаимодействующая с жидким железом по реакции

(9.44а)

-при дуговой сварке происходит выделение на аноде кислоро­да по реакции

(9.446)

а на катоде - водорода по реакции

(9.45)

Кроме того, кислород попадает в жидкий металл ванны при прямом взаимодействии Fe_ж с химически активными оксидами жидких шлаков в результате обменных реакций, например

(9.46)

Таким образом, в шлаке возникает закись железа FeO, которая растворима в жидком железе. Если оксид, растворимый в металле, образуется во флюсе-шлаке, то между концентрациями этого ок­сида согласно закону распределения Нернста устанавливается оп­ределенное соотношение

(9.47)

В результате реакции (9.46) жидкий металл одновременно окис­ляется и легируется (обычно кремнием или марганцем). Термодинамический расчет, подтверждающий ход этих реакций в указанных направлениях дан в гл. 8 (пример 8.3). Таким образом, кремнемарганцевые шлаки, имеющие большее количество кислотных оксидов (%SiO₂ > % МnО), окисляют капли электродного металла при вы­соких температурах (т. е. осуществляется первая стадия кремнемарганцевого процесса). Поэтому они считаются активными. Наряду с окислением капли кремнемарганцевые шлаки обогащают металл кремнием и марганцем, которые, попадая в более холодный металл сварочной ванны, вызывают процессы раскисления.

Если в электродном металле содержатся легирующие элементы с большим сродством к кислороду, чем у железа, то происходит их необратимое окисление при взаимодействии с SiO₂ и МnО. Поэтому при сварке легированных и высоколегированных сталей недопус­тимо применение кремнемарганцевых флюсов, которые хотя и имеют хорошие сварочно-технологические свойства, но весьма активны, так как содержат термически малопрочные оксиды SiO₂ и МnО, выделяющие кислород в обменных реакциях.

Ввод термически более стойких кислотных оксидов AI₂O₃ и TiO₂ позволяет несколько снизить активность флюсов, но вызыва­ет другие реакции окисления (с участием углерода и кремния) и восстановление алюминия и титана, переходящих в металл шва из флюсов. Однако окисление AI₂O₃ и TiO₂ происходит при более высоких температурах и по более сложной схеме:

• восстановление алюминия и титана из AI₂O₃ и ТiO₂ кремнием;

• окисление легирующих элементов (С, Si, Mn, Сг) кислоро­дом, выделяющимся при частичной диссоциации AI₂O₃ и ТiO₂;

• образование в наплавленном металле остаточного кислорода (входившего в состав AI₂O₃ и ТiO₂), т. е. создаются включения.

Такой же результат имеет место при вводе кислотного оксида ZrO₂. Итак, с увеличением количества кислотных термостойких ок­сидов в составе флюса (AI₂O₃, ZrO₂, ТiO₂) усиливаются процессы окисления легирующих элементов (Cr, Si, Mn, Nb) и восстанавли­ваются металлы Zr, Al, Ti из их оксидов. При этом растет общее содержание кислорода, а содержание других ферритизаторов и ферритной фазы уменьшается. Термодинамические расчеты, выпол­ненные Н.Н. Потаповым, показали, что окисление хрома Сг и наи­более эффективного ферритизатора и стабилизатора ферритной фазы в аустените - ниобия Nb происходит с участием диоксида кремния SiO₂, а также его монооксида SiO по следующим реакциям:

Присутствие неметаллических включений снижает сопротив­ляемость металла шва образованию горячих трещин, коррозион­ную стойкость швов и пластичность сварных соединений высоко­легированных сталей.

В отличие от кислотных оксидов основные оксиды (CaO, MgO) обладают достаточной химической стойкостью во всем диапазоне сварочных температур, но не обеспечивают необходимые техноло­гические свойства. Из работ Б.Н. Бадьянова следует, что составы флюсов для высоколегированных сталей должны создаваться на основе компромисса, причем рекомендуется, чтобы содержание главного окислителя SiO₂ составляло не более 10 %, что позволит полностью связать его основными оксидами в комплексы SiO₂ • СаО и т. п.