 |
3.2.2. Взаимодействие металла со шлаковой фазой
|
|
|
|
Образующаяся при плавлении электродного покрытия при ручной дуговой сварке шлаковая фаза представляет собой расплав минерального характера, состоящий из оксидов и фторидов (CaO, CaF2, SiO2, TiO2, MnO, Al2O3, Na2O, S, P).
Кроме изоляции расплавленного металла от воздуха, шлак как активный и непосредственный участник процесса выполняет ряд других функций: стабилизирует горение дуги, способствует качественному формированию шва, осуществляет наряду с металлической фазой обработку расплава – раскисление, легирование и рафинирование.
На взаимодействие шлака с металлом большое влияние оказывают его физические свойства: вязкость, температура, плотность.
От вязкости зависит формирование шва, интенсивность металлургических реакций на границе шлак-металл (жидкий шлак как бы промывает расплав). С понижением температуры вязкость шлака падает. При этом изменение вязкости шлака, связанное с переходом из жидкотекучего состояния в твёрдое, в отличие от вязкости металла, происходит в растянутом интервале температур.
 |
Рис. 3. 1. Зависимость вязкости шлаков от температуры:
1 – длинные шлаки; 2 – короткие шлаки
В зависимости от величины этого интервала шлак бывает коротким (при малом интервале) и длинным (при большом интервале).
Короткими, как правило, являются основные шлаки, т. е. шлаки, содержащие в большем количестве основные оксиды – CaO, MnO, FeO, Na2О и др. Короткие шлаки достаточно быстро затвердевают, образуя шлаковую корку. Это облегчает сварку в нижнем положении, т. к. шлак не затекает «под дугу», и особенно в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях. Быстро схватывающийся шлак помогает удерживать сварочную ванну и препятствует стеканию расплавленного металла вниз.
|
|
|
Длинные шлаки, а это некоторые кислые шлаки, содержащие в большом количестве кислые окислы – SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, густеют постепенно, что затрудняет сварку в нижнем положении и делает их малопригодными в других положениях.
Температура затвердевания шлака должна быть ниже температуры плавления металла, в противном случае шлак затрудняет хорошее формирование шва и приводит к появлению шлаковых включений. Однако при чрезмерно низкой температуре затвердевания шлак сильно растекается по нагретым кромкам, слабо защищает сварочную ванну от воздуха, стекает вниз при сварке в вертикальном и потолочном положениях. Благоприятная разница в температурах плавления шлака и металла у покрытых электродов составляет 100…300оС.
Плотность шлака должна быть существенно ниже плотности расплавления металла. Иначе затрудняется его выход на поверхность ванны. В среднем плотность шлаков (для стали) при температуре 1400…1500оС составляет 2, 5…3 г/см3.
С точки зрения защиты расплавленного металла от воздуха шлак должен быть газонепроницаемым, но не настолько, чтобы серьёзно препятствовать прохождению газов, выделяющихся из сварочной ванны при её охлаждении. Более низкую газонепроницаемость, а следовательно и защитную способность от воздуха, имеют, как правило, основные шлаки, поэтому здесь требуется повышенная эффективность газовой защиты. Это обстоятельство учитывают и при ведении процесса ручной дуговой сварки (применяют короткую дугу, защиту зоны сварки от ветра и др. ).
Раскисление металла при сварке– процесс удаления из жидкого металла кислорода, как растворённого в основе сплава, так и находящегося в виде химического соединения с металлом основы и легирующими элементами.
При ручной дуговой сварке удалить кислород из расплавленного металла можно воздействием раскислителей (осаждающее раскисление) или шлаков (диффузионное раскисление). Раскислителями являются элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем элемент – основа сплава.
|
|
|
В результате взаимодействия с окисленным металлом раскислители могут образовывать газообразные, жидкие и твёрдые продукты реакции. Эти продукты должны быть нерастворимыми и легко удаляться из сплава. При сварке сталей в качестве раскислителей широко используют углерод, алюминий, титан, кремний, марганец, их вводят в расплавленный металл через проволоку электродных стержней и покрытие.
При осаждающем раскислении протекают реакции:
FeO + C = Fe + CO;
O + C = CO;
FeO + Me = Fe + MeO;
O + Me = MeO
Первые две реакции активно идут в капле и головной части ванны, а две последние – в хвостовой части. Газообразный оксид углерода удаляется в атмосферу, оксиды металла – а шлак. Состав и концентрацию раскислителей подбирают так, чтобы получаемые оксиды образовывали комплексные, химически связанные соединения с пониженной температурой плавления и повышенной склонностью к коагуляции (MnO·SiO2 c температурой плавления 1285оС, в то время как MnO – 1600оС, SiO2 – 1700оС).
При диффузионном раскислении кислород в расплавленном металле переходит непосредственно в шлак, минуя какие-либо промежуточные реакции. Это обусловлено действием закона распределения – между концентрациями растворённого кислорода в расплаве и в шлаке устанавливается постоянное для данной температуры соотношение. При относительно низкой концентрации кислорода в шлаке и относительно высокой в металле возможен переход кислорода в шлак. Т. о., снижая концентрацию кислорода в шлаке путём раскисления через покрытие электродов марганцем можно существенно уменьшить содержание кислорода в наплавленном металле.
Легирование металла при сварке– это введение в жидкий металл различных полезных элементов с целью получения качественного продукта с требуемыми эксплуатационными свойствами. Именно в результате правильного легирования расплавленного металла обеспечивается возможность получения шва нужного химического состава, который не всегда должен соответствовать химическому составу свариваемых элементов.
|
|
|
Легирование расплавленного металла осуществляют двумя путями: через металлическую фазу и через шлаковую фазу. При легировании через металлическую фазу поступление легирующих элементов происходит за счёт:
- расплавляемого при сварке основного металла. При ручной дуговой сварке доля участия основного металла в шве составляет от 0, 15 до 0, 75. Более высокие значения относятся к сварке корня шва и к сварке стыковых соединений без разделки кромок;
- расплавляемого металла электродного стержня – прямой и наиболее простой способ легирования (не всегда возможен из-за отсутствия проволоки нужного состава).
- плавления электродного покрытия, содержащего специально вводимые легирующие добавки в виде металлических порошков и ферросплавов.
При легировании металла через шлаковую фазу проходят следующие обменные реакции:
2Fe + SiO2 = 2FeO + Si;
Fe + MnO = FeO + Mn
Образующийся оксид железа поступает в шлак и частично остаётся в расплавленном металле, что повышает окисление сварочной ванны. Это ограничивает применение данного способа легирования. Его применяют, если необходимо ввести только небольшое количество легирующих элементов.
Рафинирование металла при сварке заключается в очистке жидкого металла от вредных примесей (серы и фосфора).
Содержащаяся в стали сера нерастворима в твёрдом железе и находится в виде сульфида железа FeS с температурой плавления 1193оС. С железом сульфид железа образует легкоплавкую смесь (эвтектику) с более низкой температурой плавления – 985оС (температура плавления стали 1400…1500оС). При затвердевании сварочной ванны и росте кристаллов эвтектические образования долгое время не твердеют и остаются в жидком состоянии в виде прослоек между зёрнами, ослабляя связи между ними. При возникновении растягивающих напряжений эти связи разрываются, образуя горячие трещины.
Возрастает склонность стали к образованию трещин как в связи с повышением содержания серы, так и при повышенных концентрациях никеля. На базе сульфида никеля NiS образуются эвтектики с очень низкой температурой плавления – 644оС. Усиливать вредное действие серы может и углерод, особенно при сварке углеродистых и низколегированных сталей.
|
|
|
Для уменьшения количества серы расплав в процессе сварки подвергают специальной рафинирующей обработке – перевод серы в шлак с помощью вводимого в расплав марганца и посредством воздействия содержащихся в шлаке оксидов марганца и кальция:
FeS + Mn = Fe + MnS;
FeS + MnO = FeO + MnS;
FeS + CaO = FeO + CaS
Нерастворимые в жидком металле сульфиды марганца и кальция переходят в шлак.
Присутствие фосфора в стали также ухудшает её механические свойства, вызывая хладноломкость – резкое снижение пластичности и вязкости, особенно при пониженных температурах. Фосфор повышает склонность металла к образованию горячих трещин. Фосфор растворяется в железе и может находиться в металле шва как в растворённом состоянии, так в виде легкоплавких включений – фосфидов железа Fe2P, Fe3P, а также фосфидных эвтектик, располагающихся по границам зёрен. Т. к. растворимость фосфора в аустените меньше чем в феррите, опасность образования трещин от фосфора значительно больше в швах с аустенитной структурой, часто получаемых при сварке высоколегированных сталей.
Углерод также усиливает вредное действие фосфора.
Удаляют фосфор из расплава путём его окисления и связывания полученного фосфорного ангидрида в нерастворимые в металле шлакующиеся комплексные соединения:
2Fe2P + 5FeO = P2O5 + 9Fe;
2Fe3P + 5FeO = P2O5 + 11Fe;
3CaO + P2O5 = (CaO)3P2O5;
4CaO + P2O5 = (CaO)4P2O5
В металле швов, выполненных ручной дуговой сваркой, содержание серы не превышает 0, 030…0, 040 % для углеродистых и низколегированных сталей и 0, 015…0, 025% для высоколегированных сталей; содержание фосфора не превышает соответственно 0, 035… 0, 045% и 0, 015…0, 035%.
|
|
|
