Взаимодействие металла со шлаком

При плавлении электродного покрытия образуется шлак. Сварочные шлаки характеризуются рядом свойств, к которым относят плотность, температурный интервал плавления, вязкость, поверхностное натяжение, коэффициент линейного расширения и др. Свойства шлаки определяются его химическим составом (табл. 7-15 и 7-16).

Для обеспечения необходимых технологических характеристик электрода, химического состава металла шва и его качества шлак должен удовлетворять определенным требованиям. Необходимо, чтобы шлак хорошо покрывал капли жидкого металла и сварочную ванну, что возможно лишь при хорошем смачивании металла шлаком. Смачиваемость зависит от поверхностного натяжения шлака и металла. Поверхностное натяжение сварочных шлаков и межфазное натяжение на границах шлак—металл и металл—газ оказывают значительное влияние на формирование швов и размеры капель электродного металла в дуговом промежутке.

Слой расплавленного шлака должен хорошо пропускать газы, выделяющиеся из сварочной ванны в процессе кристаллизации. При этом температурный интервал затвердевания шлака должен находиться ниже температуры кристаллизации металла.

Одним из важнейших технологических свойств электродов является возможность проведения сварки во всех пространственных положениях. Эта возможность в значительной степени зависит от вязкости шлака в расплавленном состоянии (рис. 7-18).

Шлаки с большим содержанием кремнезема (кривая 1) являются длинными, возрастание вязкости их с понижением температуры происходит медленно. Большие значения вязкости этих шлаков обусловлены наличием крупных кремнекислородных анионов типа  отличающихся малой подвижностью.

Шлаки покрытий фтористо-кальциевого типа содержат, как правило, малое количество кремнезема и являются короткими. Возрастание вязкости со снижением температуры у них происходит быстро. Количество и размеры кремнекислородных анионов в шлаках этого типа невелико, и они обладают значительно меньшей вязкостью (кривые 3 и 4), чем шлаки с высоким содержанием кремнезема. Для шлаков, основанных на рутиле (кривая 2), вязкость резко уменьшается при снижении температуры.

Электроды, покрытия которых при расплавлении дают длинные шлаки, пригодны в основном для сварки в нижнем положении. Электроды с короткими шлаками применяют при сварке во всех пространственных положениях. При небольшом снижении температуры вязкость короткого шлака резко возрастает и шлак препятствует стеканию металла, находящегося в жидком состоянии. Получение шлака необходимой вязкости достигается подбором различных составляющих покрытия. Лучшие электроды для сварки в вертикальном и потолочном положении имеют покрытия рутилового типа.

Хорошая отделимость шлаковой корки с поверхности металла шва достигается применением шлаков, коэффициент линейного расширения которых существенно отличается от коэффициента линейного расширения металла. Кроме того, для хорошей отделимости шлака весьма важно, чтобы он имел малую окислительную способность и не содержал в своем составе шпинелеобразую-щих окислов.

Важной характеристикой состава шлака является оснОВнОсТЬ. Коэффициент основности шлака определяется обычно как соотношение количества основных окислов к кислым:

В соответствии с ионной теорией строения шлаков мерой основности служит концентрация свободных ионов кислорода в жидком шлаке. В оксидном расплаве ионы кислорода могут быть связаны с двумя ионами кремния (Si—О—Si), с одним ионом кремния и одним ионом металла (Si—О—Me) или с двумя ионами металла (Me—О—Me). Свободными, т е. оказывающими окисляющее действие на металл, являются в сущности лишь ионы кислорода, связанные с ионами металла. Отсюда мерой основности компонентов шлака может быть принята их способность увеличивать концентрацию кислородных ионов в шлаке путем разрушения кремнекислородных комплексных соединений.

Взаимодействие между металлом и шлаком происходит на всех стадиях процесса сварки: при расплавлении стержня и покрытия на торце электрода; в дуговом промежутке; при всплывании частиц шлака в сварочной ванне, на поверхности раздела жидкий шлак — жидкий металл и жидкий шлак—твердый металл.

Одним из главных процессов взаимодействия является окисление расплавленного металла и ферросплавов.

В покрытиях рудно-кислого и органического типов окисление металла и ферросплавов происходит в результате их взаимодействия с окислами железа и марганца, находящимися в шлаке. В покрытии фтористо-кальциевого типа окисление ферросплавов происходит за счет взаимодействия с углекислым газом и образующимися в процессе плавления окислами железа. При сварке электродами с рутиловым покрытием в зависимости от состава покрытия возможно окисление металла и ферросплавов окислами шлаков, углекислым газом и парами воды. Процессы окисления расплавленного металла и ферросплавов шлаком можно описать следующими реакциями:

Если в покрытие введено сразу несколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются элементы, имеющие большее сродство к кислороду. По степени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в состав электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Са, Al, Ti, Si, Mn, Fe Каждый

предыдущий элемент этого ряда будет восстанавливать окислы последующих элементов при температурах, до которых нагреваются жидкие шлак и металл в процессе сварки.

Направление реакций (7-2) — (7-6) зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и активности отдельных составляющих покрытия. Например, при сварке электродами с рути-ловым покрытием реакция (7-3) может протекать влево, при этом кремний восстанавливается железом и переходит в металл шва. Этот процесс в общем виде может быть описан реакцией

где Me—Fe, Mn, Ti, Al и др.

При сварке покрытыми электродами кремневосстановитель-ный процесс получает развитие преимущественно на стадии капли, когда металл и шлак имеют высокую температуру. В жидкой ванне, особенно в хвостовой части, в результате охлаждения металла происходит окисление кремния. Интенсивность протекания кремневосстановительного процесса в большой степени зависит от состава шлака и его основности. Увеличение основности шлака способствует подавлению кремневосстановительного процесса вследствие снижения активности Si02.

Степень окисления ферросплавов зависит от состава покрытия. На рис. 7-19 приведены данные об изменении содержания марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с покрытиями фтористо-кальциевого и рудно-кислого типов, содержащими различное количество низкоуглеродистого ферромарганца. Окислительная способность рудно-кислого покрытия значительно выше, чем фтористо-кальциевого.

В зависимости от количества окислов железа в шлаке изменяется содержание кислорода в наплавленном металле. Соотношение между концентрацией окислов железа в шлаке и концентрацией кислорода в жидком металле определяется законом распределения. Константа распределения зависит от состава шлака и температуры и описывается уравнением

На рис. 7-20 приведены данные о содержании кислорода в металле при различном содержании закиси железа в шлаке фтористо-кальциевого и рудно-кислого типов. Даже небольшие количества закиси железа в.шлаке электродов с фтористо-кальциевым покрытием приводят к растворению в металле шва значительного количества кислорода, тогда как окисляющая способность закиси железа в шлаке электродов рудно-кислого типа значительно меньше. В шлаках фтористо-кальциевого типа закись железа находится в свободном состоянии и обладает большой активностью, в шлаках рудно-кислого типа она связана преимущественно в виде силикатов железа.

Окисленный во время сварки металл необходимо раскислить, т. е. удалить из него кислород, находящийся в металле в виде различных окислов. Процессы раскисления и окисления происходят при сварке одновременно. Наиболее полно процесс раскисления произойдет в том случае, если окислы, попадая в шлак, связываются в сложные соединения, не растворимые в стали (силикаты, алюмосиликаты). В связи с большой скоростью кристаллизации сварочной ванны значительная часть образующихся окислов — продуктов раскисления не успевает всплыть и остается в металле шва в виде неметаллических включений. Полнота удаления продуктов раскисления из жидкого металла в большой степени зависит от их состава и свойств. Количество кислорода, находящегося в металле шва в виде неметаллических включений, зависит от состава покрытия (рис. 7-21).

Приведенные в табл. 7-17 данные показывают, что наиболее полное удаление продуктов раскисления имеет место при сварке электродами с фтористо-кальциевым и рутиловым покрытиями.

Весьма вредными примесями в металле шва являются сера и фосфор. В металл шва сера и фосфор попадают из основного металла, электродного стержня и покрытия. Коэффициенты перехода серы из основного металла, электродного стержня и покрытия неодинаковы. Из основного металла сера почти полностью переходит в металл шва. Переход серы из стержня меньше, чем из основного металла, но значительно больше, чем из покрытия. Это свидетельствует о неодинаковой интенсивности взаимодействия расплавленных основного и электродного металлов со шлаком.

Сварочные шлаки вследствие своей сравнительно низкой основности не способны связать значительное количество фосфора и серы. Ввиду этого для получения металла шва высокого качества с малым содержанием серы и фосфора следует применять электродные стержни и составляющие покрытия с минимальным содержанием этих элементов.