Взаимодействие металла со шлаками.

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, например в результате взаимодействия металла с защитной средой.

Химическое воздействие расплавленного шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями.

Критерием основности (В) или кислотности (К) шлака на основе молекулярной теории строения его служит отношение компонентов, входящих в состав данного шлака:

B = delim{[}{sum{i=1}{q}{(RO)_i}}{]} / delim{[}{sum{k=1}{m}{(RO_2)_k}}{]}~~~~(1)

где m, q — количество кислых и основных оксидов в составе шлака соответственно;
(RO)i — концентрация основных оксидов в составе шлака, например CaO, MgO, MnO, FeO н т. д.;
(R02)K — то же, кислых оксидов, например Si02, ТiO2, Zr02 и т. д.

Шлаки считаются кислыми при В < 1, основными — при В < 1 и нейтральными — при В = 1. Эта классификация в определенной мере формальна. Физический смысл понятия основности шлака состоит в оценке активности иона кислорода. Чем выше основность шлака, тем больше активность иона кислорода О-2, т. е. тем больше свободных ионов кислорода.

В настоящее время наиболее часто употребляется формула, принятая Международным институтом сварки (МИС):

B = {CaO + MgO + BaO + Na_2 O + K_2 O + Li_2 O + CaF_2 + 0,5(MnO + FeO)} / {SiO_2 + 0,5(Al_2 O_3 + TiO_2 + ZrO_2)}~~~~(2)

где CaO, MgO, Аl203, Li02 и т. д. — содержания компонентов шлака, % (по массе).

Имеется более точное выражение этой формулы

B = {0,018CaO + 0,015MgO + 0,006CaF_2 + 0,014(Na_2 O + K_2 O) + 0,007(MnO + FeO)} / {0,017SiO_2 + 0,005(Al_2 O_3 + TiO_2 + ZnO_2)}~~~~(3)

Несмотря на ионную природу шлаков, все расчеты химического взаимодействия между шлаком и металлом преимущественно базируются на молекулярной теории. Это связано с тем, что большинство термодинамических и металлургических данных о взаимодействии шлака и металла построено именно на базе названной теории.

Процессы окисления расплавленного металла и ферросплавов шлаком можно описать следующими реакциями:

(FeO) + delim{[}{Mn}{]} leftright (MnO) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(4)

2(FeO) + delim{[}{Si}{]} leftright (SiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(5)

(Fe_2 O_3) + 3 delim{[}{Mn}{]} leftright 3(MnO) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(6)

2(FeO) + delim{[}{Ti}{]} leftright (TiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(7)

(Fe_2 O_3) + 2 delim{[}{Al}{]} leftright (Al_2 O_3) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(8)

Если в покрытие или керамический флюс введено сразу несколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду. По степени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в состав электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Ca → Al → Ti → Si → Mn → Fe.

Для оценки химической активности сварочных шлаков удобнее всего использовать суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе. Указанный кислород должен быть связан с химическим составом шлака выражением вида

delim{[}{O}{]} = f(sum{i=1}{n}{A_i})~~~~(9)

где At — относительная химическая активность оксида, способного к восстановлению в сварочной ванне;
n — число оксидов в составе шлака, способных к восстановлению в сварочной ванне.

Общее содержание кислорода в наплавленном металле в зависимости от химической активности флюса
Рис. 1. Общее содержание кислорода в наплавленном металле в зависимости от химической активности флюса

С учетом того обстоятельства, что химическая активность кислого оксида определяется как

A_ф_к = (RO_2) / (100B)

а основного оксида

A_ф_к = (RO) B / 100

суммарную химическую активность шлака можно переписать:

A_ф = delim{(}{sum{i=1}{m}{(RO_2)_i + B^2} sum{k=1}{q}{(RO)_k}}{]} / (100B)~~~~(10)

где m и q — количества кислых и основных оксидов соответственно;
(RO2) и (RO) — концентрации кислого и основного оксидов в составе шлака;
В — основность шлака, определяемая по уравнению (3).

В конкретизированном виде уравнение (9) принимает вид:


где (Si02), (Ti02) и т. д. — содержание компонентов шлака, % (по массе).

Корреляционная зависимость содержания кислорода в наплавленном металле от коэффициента относительной химической активности шлака при сварке под флюсом, найденная на основе экспериментальных данных, представлена на рис. 1.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.