книги / Теория сварочных процессов

ка в защитных газах обеспечивает минимальное количество оксидных включений в швах по сравнению с другими способами дуговой сварки.

2.6. Взаимодействие металла со шлаками при сварке

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 в результате взаимодействия металла с защитной средой. По химическому составу шлаки – это расплав оксидов, солей, галоидов, т.е. веществ, имеющих низкий удельный вес, и поэтому шлаки располагаются на поверхности металлической ванны.

Шлаки бывают оксидного типа (системы SiO2-MnO-FeO, SiO2-Al2O3-CaO, SiO2-TiO2-FeO), солевого типа (системы СaF2-NaF)

и оксидно-солевого (системы СaF2-Al2O3, СaF2-CaO-SiO2-Al2O3 и др.). Существуют две основные теории строения шлаковых фаз:

–молекулярная (Х. Шенк);

–ионная (М.И. Темкин, В.А. Кожеуров).

Согласно молекулярной теории, шлаки представляют собой систему молекул оксидов, галоидов и их комплексов – идеальный молекулярный раствор.

Согласно ионной теории шлаки – это ионные растворы-электро-

литы, состоящие из катионов металла (K+, Na+, Mn2+, Fe2+) и анионов (SiO44–, AlO45–, O22–, PO43–, F–). Ионные растворы делятся на совершен-

ные (энергия смешения компонентов равна нулю, комплексы не образуются, например раствор FeO с MnO) и регулярные (энергия смешения компонентов не равна нулю, образуются комплексы SixOyz–, например, раствор SiO2 с CaO).

Шлаки характеризуются коэффициентом основности (или обратным ему коэффициентом кислотности), который представляет собой отношение концентрации основных оксидов к концентрации кислотных, входящих в состав данного шлака:

B = CaO + MgO + Na 2O + K 2O + CaF2 + 0,5(MnO + FeO) , SiO2 + 0,5(Al2O3 + TiO2 + ZrO2 )

где СаО, MnO и др. – содержания компонентов шлака, мас.%. Назначение шлаковых фаз заключается в следующем:

1)защита жидкого металла от контакта с воздухом;

2)проведение процессов раскисления, легирования, рафинирования;

51

3)улучшение теплового режима сварки (снижение скорости охлаждения шва);

4)поддержание устойчивости процесса сварки;

5)обеспечение правильного формирования шва.

Для выполнения этих функций шлаки должны обладать определенным комплексом свойств.

1.Температура плавления шлака должна быть несколько ниже температуры плавления металла. Температура плавления зависит от состава шлака и определяется диаграммой плавкости. Диаграммы плавкости бывают двух- и трехмерные. Линии на диаграмме – это изотермы, показывающие температуры плавления всех составов.

Из диаграмм следует, что для шлаков существует интервал плавления, лежащий между температурой размягчения и температурой перехода в жидкое состояние.

2.Шлак должен иметь хорошую жидкотекучесть и незначительную вязкость. Чем меньше вязкость шлака, тем быстрее идут в нем химические реакции и легче выделяются газы.

В зависимости от характера температурного изменения вязкости

шлака η различают короткие и длинные шлаки (рис. 2.17).

2

Твердый шлак

Тестообразный

Густой

Жидкий

1

Твердый шлак Тестообразный

Густой Жидкий

Рис. 2.17. Изменение вязкости шлака при охлаждении при дуговой сварке и схемы строения шлака: 1 – длинного, 2 – короткого

Длинный шлак (1) густеет медленно, в широком интервале температур (1400…1000 °С), постепенно переходя из жидкого состояния в густое, тестообразное и твердое. Длинными являются, как правило, силикатные шлаки. Они обеспечивают хорошее формирование шва, но низкую газопроницаемость. Самый густой из силикатных шлаков –

Al2O3 SiO2.

52

Короткий шлак быстро затвердевает в небольшом интервале температур (1100…1000 °С) на поверхности, в глубине оставаясь жидким. Короткими являются основные шлаки, обеспечивающие лучшее формирование шва и чистоту по газовым включениям.

Для понижения вязкости шлака используют специальные вещества, называемые плавнями, – CaF2, TiO2, K2O, Na2O, MnO, хлориды. При сварке обычно вязкость шлака ηш ≤ 0,8...3 П при вязкости металла ηМе =

=0,01...0,03 П.

3.Плотность шлака должна быть ниже плотности металла, тогда шлак всплывает на поверхность сварочной ванны.

4.Отделимость шлаковой корки определяют соотношением коэффициентов термического расширения металла и шлака. Обычно шлаки отделяются самопроизвольно при охлаждении сварных соединений, но при кислых шлаках возможно остеклование металлической поверхности и тогда шлаковая корка отделяется плохо.

Для благоприятного сочетания вышеуказанных свойств шлаков и технологических свойств процесса сварки в состав электродных покрытий или флюсов вводят компоненты из следующих основных групп:

−шлакообразующие;

−газообразующие;

−стабилизирующие;

−раскислители;

−легирующие;

−связующие.

К шлакообразующим относятся мрамор (CaCO3), рутил или ильменит (40…65 % TiO2, ост. FeO), минеральные силикаты: слюда

(20 % K2O, ост. SiO2 и Al2O3), каолин (65 % SiO2, 25 % Al2O3, ост. FeO), тальк (Mg3Si4O10(OH)2), аглодунит (45 % MgO, 38 % SiO2, ост. FeO, CaO), марганцевый шлак (30 % MnO, 20 % CaO, ост. SiO2), кристобалит

(SiO2).

К газообразующим относятся карбонаты: магнезит (MgCO3), мрамор (CaCO3), флюорит (CaF2), а также органические компоненты – слюда, целлюлоза ([C6H7O2(ОH)3]n) и др. При диссоциации этих компонентов в условиях температурного цикла сварки образуются различные газы – СО2, фтор и др., предохраняющие расплавленный металл ванны от контакта с воздухом.

Стабилизирующими компонентами являются оксиды щелочных металлов – KO, LiO, NaO, а также мрамор и рутил, при диссоциации ко-

53

торого образуются низшие оксиды. Оксиды стабилизаторов имеют низкую работу выхода электронов с внешних уровней, что облегчает образование ионов. Ионы являются носителями зарядов, необходимыми для поддержания устойчивого горения дуги.

В качестве раскисляющих компонентов используют ферромарганец, ферротитан или их сплавы (35 % Mn, 13 % Ti, ост. – оксиды железа), ферроалюминий, ферросилиций. Для легирования вводят порошки легирующих элементов (хром, молибден и др.).

Связующими являются калиевые или натриевые жидкие стекла, которые составляют 15…20 % от массы сухой шихты.

Как следует из классификации компонентов покрытия, для них характерно совмещение функций, например, мрамор является одновременно шлакообразующим, так как при его диссоциации образуется оксид CaO, и газообразующим, так как продуктом диссоциации является

также газ CO2.

Главными компонентами шлаковых систем являются следующие соединения:

1. Диоксид кремния (кремнезем) SiO2, Тпл = 1710 °С, γ = 2,3 г/см3. Самый сильный кислотный оксид, взаимодействует с основными и амфотерными оксидами, образуя комплексы: CaO 2SiO2, CaO SiO2, FeO SiO2, 3Al2O3 2SiO2 и др. Диоксид кремния повышает вязкость шлака вследствие образования комплексного иона SixOyz–. При быстром ох-

лаждении кремнезема получается кварцевое стекло. SiO2 не растворяется в стали.

2.Диоксид титана TiO2, Тпл = 1850 °С, γ = 4,2 г/см3. Может восстанавливаться в низшие оксиды TiO2→Ti3O5→Ti2O3→TiO. Низшие оксиды титана отличаются малой работой выхода электрона, и поэтому спо-

собствуют повышению стабильности процесса горения дуги. TiO2 образует соли – титанаты FeTiO3, СaTiO3. Понижает вязкость шлака.

3.Оксид алюминия Al2O3, Тпл = 2030 °С, γ = 3,6 г/см3. Амфотерный оксид, повышает вязкость шлака, склонен к образованию шпинелей.

4.Основные оксиды CaO, MgO, FeO, MnO, NiO. Служат источни-

ком ионов О2–, которые связывают оксид SiO2 в анионы SixOyz–.

5. Флюорит CaF2 (плавиковый шпат), Тпл = 1473 °С. Образует легкоплавкие эвтектики со многими веществами, связывает молекулы SiO2

и TiO2 в летучие фториды SiF4 и TiF4.

Из применяемых сегодня электродных покрытий и флюсов шлаков наиболее распространенными являются составы:

на базе оксидных систем: TiO2-SiO2-FeO (например у электродов МР-3), SiO2-MnO (флюсы АН-348-А, ОСЦ-45);

54

на базе оксидно-солевых систем: CaF2-Al2O3 (флюс АНФ-6), CaF2-CaO-SiO2 (электроды УОНИ-13), CaF2-CaO-Al2O3-SiO2 (флюс АН-22) и др.

2.7. Раскисление металла сварочной ванны

Восстановление металла сварного шва путем удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии, называется раскислением.

Раскисление сварочной ванны может осуществляться несколькими путями:

1.Восстановление металла ванны более активным металлом – так называемое осаждающее раскисление.

2.Извлечение из металлической ванны оксида металла при взаимодействии со шлаком – диффузионное раскисление.

3.Восстановление металла газовой атмосферой – так называемая восстановительная атмосфера (подразд. 2.10.4).

2.7.1.Осаждающее раскисление

Вкачестве раскислителей используют металлы с большим сродством к кислороду, чем свариваемый металл. Раскислительная способность металлов зависит от температуры и увеличивается в следующем ряду:

Ni, Fe, Mn, C, Si, Ti, Al → при температуре 1700 К, Ni, Fe, Si, Mn, Ti, Al, C → при температуре 3500 К.

Таким образом, наиболее сильными раскислителями являются титан, марганец, кремний. Алюминий применяется реже, несмотря на высокую раскислительную способность, так как частицы оксида алюминия плохо всплывают в шлак и могут оставаться в металле шва в виде включений. Углерод является энергичным раскислителем только при высоких температурах (на стадии капли и вблизи столба дуги), с понижением температуры его раскисляющая способность убывает и в сварочной ванне он раскислителем не является.

Введение раскислителей в процесс осуществляется применением легированной электродной проволоки или путем добавления их в виде ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, ферротитана) в электродное покрытие и во флюс.

Осаждающее раскисление бывает двух типов: с получением конденсированных продуктов реакции (оксидов) и с получением газообразных продуктов реакции.

Для примера рассмотрим раскисление кремнием.

55

Взаимодействие осуществляется по следующей реакции: 2[FeO] + [Si] 2[Fe] + (SiО2)

(запись в квадратных скобках означает присутствие элемента в металлической фазе, в круглых скобках – в шлаковой фазе).

Оксид кремния нерастворим в железе и легко переходит в шлак. Эту реакцию характеризуют величиной константы раскисления

(при a [Fe] =1 и a(SiO2 ) = const ):

KSi = a 2[FeO] a[Si] ,

или в логарифмической форме

lg KSi = lg ([%O] [%Si]).

Константа раскисления зависит от температуры: lg KSi = lg ([%O] [%Si])= − 48174T + 21,6 .

Графически эта зависимость представляет собой изотермы равновесия между содержанием в металле шва кремния [Si] и кислорода [O] (или оксида железа [FeO], что то же самое) для разных температур

(рис. 2.18).

Рис. 2.18. Зависимость равновесного содержания кислорода в шве от содержания кремния

Таким образом, с увеличением содержания кремния в металле уменьшается содержание в нем кислорода. Раскисляющая способность кремния снижается с ростом температуры.

56

Раскисление кремнием имеет определенные недостатки. Оксиды кремния повышают кислотность шлака и его вязкость, а значит, введение кремния в электродное покрытие ограничено.

Аналогично действуют титан, алюминий и марганец.

На рис. 2.19 показаны изотермы раскисления железа марганцем, кремнием, титаном и алюминием.

а

б

в

г

Рис. 2.19. Изотермы раскисления железа марганцем (а), кремнием (б), титаном (в) и алюминием (г)

При раскислении марганцем он превращается в оксид MnO – нерастворимый в металле. Оксид марганца образует с закисью железа непрерывный ряд растворов как в жидком, так и в твердом состоянии. Взаим-

57

ное физическое растворение их приводит к уменьшению содержания в шлаке свободной закиси железа, и поэтому создаются условия для соответствующего перехода из металла в шлак новых порций FeO. Как и для кремния, с увеличением содержания марганца в металле уменьшается концентрация в нем закиси железа (см. рис. 2.19), однако влияние кремния сказывается сильнее. С увеличением температуры действие марганца как восстановителя слабеет.

Раскисление титаном. Титан относится к числу сильных раскислителей, более сильных, чем кремний и марганец. Образующийся кислот-

ный оксид TiО2 нерастворим в металле, легко вступает в комплексы, переходящие в шлак. С увеличением содержания титана в стали количество закиси железа существенно уменьшается (см. рис. 2.19). Обратите внимание на то, что остаточное содержание кислорода в шве при раскислении титаном снижается до тысячных долей процента. В случае раскисления марганцем и кремнием это были десятые и сотые доли процента. Титан активно реагирует с азотом, образуя прочные нитриды, нерастворимые в металле. Вместе с тем, он сильный модификатор, т.е. элемент, способствующий измельчению зерна в металле.

Раскисление алюминием. Алюминий – наиболее сильный раскислитель этой группы (см. рис. 2.19). Образует амфотерный оксид А12О3. Раскисление жидкого металла алюминием сопровождается значительным выделением тепла, обеспечивающим дополнительный подогрев металла сварочной ванны, что благотворно влияет на протекающие процессы. Однако оксид алюминия имеет плохие флотационные свойства, т.е. с трудом всплывает на поверхность сварочной ванны и частично остается в шве в виде неметаллических включений. Это одна из причин незначительного применения алюминия как раскислителя при сварке сталей. Как и титан, алюминий склонен образовывать с азотом стойкие нитриды.

2.7.2. Расчет необходимого количества раскислителя

Для защиты какой-либо составляющей сплава, подвергающейся преимущественному окислению, необходимо ввести в определенном количестве элемент, имеющий большее сродство к кислороду. Для этого сравнивают при определенной температуре упругость диссоциации их оксидов с учетом молярной концентрации элементов в составе сплава.

В частности, для подавления реакции выгорания углерода из сварочной ванны необходимо ввести в шов ≥ 0,28 % Si. Это значение определено для ванны, содержащей 0,14 % С, 0,08 % Si (при полном отсутствии марганца), путем сравнения упругости диссоциации при 1900 К. В чистом виде упругость диссоциации оксидов составит

58

lg pCO = −16,0184 ;	lg pSiO2 = −13,8914.
O2	O2

Следовательно, при равных молекулярных концентрациях в первую очередь окисляется углерод. Упругость диссоциации оксидов СО и SiO2 с учетом молярной концентрации углерода и кремния рассчитываются по формуле

pOC2 = pOO2 [Me],

где pOC2 и pOO2 − упругость диссоциации оксида металла, находящегося

всплаве и свободном состоянии соответственно.

Вравновесных условиях

pC(SiO2 ) = pC(CO). O2 O2

Следовательно, имеет место соотношение

[C]2 Si = pCO	p	(SiO2 ) ,
O2		O2

откуда [Si]=[C]2 pO2 (SiO2 )pO2 (CO)= 0,0056 .

Таким образом, необходимое количество раскислителя [Si] = = 0,0056 моль = 0,28 мас.%.

Для подавления реакции выгорания углерода в указанных выше условиях в ванне должно быть не менее 0,28 % Si. В сварочной проволоке содержание кремния должно быть больше с учетом перемешивания с основным металлом и коэффициентом перехода кремния из электрода в металл шва.

2.7.3. Диффузионное раскисление

Этот вид раскисления основан на переходе закиси железа FeO из жидкого металла в шлак. Распределение закиси железа между металлом и шлаком подчиняется закону распределения Нернста, т.е. отношение концентрации FeO в шлаке к концентрации FeO в металле есть величина постоянная:

[FeO](FeO) = L ,

где L – константа распределения; зависит только от температуры. Таким образом, если разбавить шлак нейтральной добавкой,

т.е. увеличить количество шлака, то концентрация (FeO) в нем уменьшится (рис. 2.20). Тогда в соответствии с законом распределения,

59

			(FeO)
(FeO)				2

[FeO]	[FeO]

Рис. 2.20. Разбавление шлака при диффузионном раскислении сварочной ванны

чтобы L оставалась постоянной при уменьшении концентрации (FeO) в шлаке, будет уменьшаться концентрация [FeO] в металле, т.е. закись железа (FeO) будет переходить в шлак.

Добиться уменьшения концентрации (FeO) в шлаке можно не только его разбавлением. Можно связывать (FeO)

в комплексы оксидом кремния (SiO2), образующийся при этом комплекс

(FeO SiO2) нерастворим в железе и переходит в шлак.

Диффузионное раскисление – медленный процесс, с повышением температуры константа распределения уменьшается. Все процессы идут на границе металл–шлак, для ускорения процессов необходимо перемешивание.

При сварке часто применяют несколько раскислителей одновременно – это называется комплексным раскислением. Например, раскисляют металл, одновременно вводя в электродное покрытие или флюс ферросилиций и ферромарганец. При этом комбинируют диффузионное

раскисление при связывании закиси железа в комплекс (FeO SiO2) с осаждающим раскислением марганцем. При этом образуется не просто оксид марганца, а соединение (MnO SiO2), которое удаляется в шлак:

(FeO SiO2) + [Mn] (MnO SiO2) + [Fe].

2.8. Легирование металла сварного шва

Легирование металла шва при сварке возможно как через металлическую, так и через газовую фазы. При этом вводят легирующие элементы либо в состав электродного стержня или присадочной проволоки, либо в электродное покрытие или флюсы.

Критерием легирования служит величина коэффициента перехода (коэффициента усвоения), который определяют по формуле

η =	[Me]ш	,
	a[Me]a +b[Me]b + c[Me]c

где [Me]ш – концентрация легирующего элемента Ме в металле шва, %;

[Me]а, [Me]b,, [Me]c – концентрации элемента соответственно в основном металле, сварочной проволоке и в электродном покрытии, %; a, b,

60