Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 39
Текст из файла (страница 39)
А ионы %0 обладают возможностью соединять- 4 ся между собой через атомы кислорода с образованием разнообразных по структуре ре комплексов ионов — силикатных комплексов % 0' . При расплавлении оксидов и солей ионы сохраняются, но В!х у' нарушается дал ьний порядок; ионы и комплексы ионов получают значительную подвижность. При добавлении к кремнезему основных оксидов СаО, МяО и т. п. происходит дробление силикатных комплексов с образованием ионов в следующей последовательно'э!6 1З з4 12 гз 9 2 7 ' 0' % О", % 0 % 0 и т. д. Дробление силикатных комплексов доходит до образования изолированных тетраэдров %04 (см.
4 на рис. 9.17), что снижает их вязкость в расплавленном состоянии. При определенной концентрации кислотных и основных оксидов образуются комплексы ионов — снликаты н МеО %02(метаснликат МеО %02, ортосиликат 2МеО %02). При добавлении к основным оксидам амфотерных оксидов образуются апюминаты и МеО А1203, фосфаты и МеО Р401о, ферриты н МеО.Ре203. Жидкие шлаки являются растворами-электролитами.
Они о ни обладают присущей электролитам ионной проводимостью и подвержены электролизу. л к, . Ш а и, богатые основными оксидами, называются основными шлакаыи, а п , а при большом содержании кислотных оксидов — кислыми шлаками. В первом приближении считается, что простые катионы (Ре, Са, Мя и др.) и простые анионы (О, Г ) в основных шлаках равноценны в отношении взаимодеиствия друг с другом н такие шлаки близки к идеальным растворам (по теории М.И. Темкина). По мере увеличения в шлаке кислых оксидов его поведение все более отличается от поведения идеального раствора. Жидкие шлаки представляют собой наиболее сложный вид растворов, теоретическое описание которого представляет затруднение.
В дальнейшем будем рассматривать сварочные шлаки как молекулярные растворы, а в отдельных случаях — как ионные растворы. Сварочные флюсы применяют для выполнения следующих задач: — защиты жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом; 4!3 — проведения процессов раскисления, легирования и рафинирования металла; — улучшения теплового режима сварки путем снижения скорости охлаждения; — поддержания устойчивости дугового разряда; — высококачественного формирования металла шва н особенно создания плавной зоны перехода к основному металлу, зависящей от смачиваемости твердого металла жидким металлом и растекаемости жидкого металла на поверхности соединения. Применение сварочных флюсов эффективно только при оптимальных соотношениях химических и физических свойств шлаков и флюсов.
Химические свойства флюса и образующегося нз него шлака в значительной мере определяются степенью кислотности или обратной ей величиной — степенью основности (В). Степенью кислотности и называют отношение сумм молекулярных долей основных и кислотных оксидов данного шлака, выраженных в процентах и не связанных в комплексы: ~~~ 'о Мкисл В ~об М (9.28) 4!4 К кислотным оксидам сварочных флюсов относятся %02, ТЮ2, Р205 В203 и др., к основным — РеО, МпО, ХЮ, СаО, ВаО, М80, 1'4а20, Сп20, К20 и др. Кроме этих двух групп оксидов в сварочных флюсах могут присутствовать и амфотерные оксиды, ведущие себя с сильными кислотами как основные оксиды, а с сильными основаниями как кислотные оксиды.
К амфотерным оксидам относятся А1203, Ге203, Сг203, Ч203 н др. Если степень кислотности больше единицы, шлак считается кислым, если меньше — основным. Однако такое деление весьма условно, так как при определении степени кислотности и по формуле (9.28) не учитывается активность каждого из оксидов. Возможны случаи, когда по значению и формально следует отнести шлак к кислым (и > 1), однако вследствие наличия в нем слабых кислотных и сильных основных оксидов он по характеру металлургического воздействия является основным. Тем не менее с помощью показателя степени кислотности можно ориентировочно оценить свойства шлака и его поведение при сварке.
Весьма важно при этом знать, в какой форме находятся в данном шлаке различ- ные оксиды — в виде комплексных соединений или в свободном, диссоцнированном состоянии. Запишем в общем виде реакцию образования комплексных соединений для жидкого шлака: (МеО) „+ (МеО) „„, ~~ (МеОосп МеОк о) (9 29) с константой равновесия (выраженной в объемных долях компо- нентов): (88 МеО,„МеО„„,а ) (со МеО) „(о о МеО)еа (9.30) С уменьшением температуры константа равновесия К, реакции растет, процесс образования комплексных соединений усиливается и концентрация свободных оксидов в шлаке уменьшается.
О степени сродства отдельных оксидов друг к другу можно судить по значению константы равновесия реакции, а также (ориентировочно) по тепловому эффекту реакции — теплоте комплексообразования. Ниже приведены значения теплоты комплексообразования, Дж/моль, для различных соединений: 2СаО РВОз....., .,,, ., .., .... 118 860 ВаО 810ь................
61 740 РеО ЯОз" 45 360 2Ре0 810з 34 020 МпО ЯЮз-. 32 340 е,п0 810ь. 10 458 А!гОз 8101. 192 990 4!5 Из приведенных данных следует, что образованию силикатов алюминия соответствует наибольшая теплота комплексообразования. В кислых шлаках наиболее сильными основными являются оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, слабее оказываются амфотерные оксиды.
Из кислотных оксидов после %02 наиболее сильные ТЮ2 и Р205, Вообще процессы комплексообразования идут в шлаке одновременно для всех оксидов, но наиболее полно и активно онн протекают прн взаимодействии сильных основных н кислотных оксидов. Нельзя забывать, конечно, и о влиянии концентрации свободного оксида в шлаке на развитие процессов комплексообра- зования. При большой концентрации в шлаке слабого оксида степень его активности может заметно возрасти.
К началу затвердевания шлака после кристаллизации металла шва отдельные его компоненты присутствуют в форме двойных н более сложных комплексных соединений, а также находятся во взаимных растворах. Химические свойства сварочных шлаков следует рассматривать в совокупности с их физическими свойствами. Физические свойства шлаков характеризуются следующими величинами: — тепловыми константами (температурой плавления и размягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и энтальпией шлака); — вязкостью в жидком состоянии и ее изменением с температурой; — газопроницаемостью; — плотностью в жидком состоянии; — показателями, определяюшими отделяемость шлака от металла шва в твердом состоянии.
Для подавляющего большинства сварочных шлаков характерна большая склонность к переохлаждению, что объясняется их повышенной вязкостью в жидком состоянии. Точно определить температуру плавления шлаков трудно, так как соответствующие критические точки превращения выражены не всегда отчетливо, а иногда и вовсе отсутствуют. Для шлаков характерно наличие некоторого температурного интервала плавления, лежащего между температурами начала размягчения шлака и его перехода в жидкое состояние, соответствующее полному расплавлению.
Температурный интервал плавления у кислых шлаков обычно больше, чем у основных. От температуры размягчения и плавления шлаков, полученных при взаимном растворении их компонентов, следует отличать температуру образования шлаков при плавлении электродных покрытий или керамических флюсов, представляюших собой механическую смесь измельченных компонентов, связанных обычно раствором жидкого стекла. Для такого шлака характерна температура плавления смеси оксидов, составляющих его (например, электродного покрытия). Обычно она несколько выше, чем для сплавленного шлака того же состава, но так же, как и для сплавленного шлака, должна быть ниже температуры плавления металла. Активность жидких шлаков при взаимодействии с металлом сильно зависит от их вязкости, зависящей от температуры.
На рис. 9.18 приведены кривые зависимости динамической вязкости ц 416 сварочных шлаков от температуры Т. ч По ним можно судить об особенно- 45 стах поведения шлаков при переходе из жидкого состояния в твердое. 3 5 Кривая 1, соответствующая «коротким» шлакам, показывает, что их 2,5 3 вязкость почти постоянна в пределах 1 5 1 4 1473-1873 К и составляет менее 0,2 Па.с.
При температуре около 0,5 1373 К вязкость «коротких» шлаков резко повышается и они затвердевают. Перепад температур по толщи- Рис. 9.18. Зависимость лине шлаковой корки приводит к тому, намической вязкости от темчто «короткий» шлак быстро затвер- пературы для расплавлендевает вблизи поверхности, оставаясь нмх флюсов; жидким в зоне соприкосновения с с ! АН 22' 2 АН 348-А 3 кристаллизуюшимся металлом и обеспечивая свободный выход газов из металла и формирование шва. «Короткие» шлаки относятся к основным шлакам. Кривая 2 (см. рис. 9.18) соответствует «длинным», более густым шлакам, вязкость которых медленно снижается в интервале 1573...1673 К.
Такие шлаки постепенно переходят сначала из жидкого состояния в густое, потом — в тестообразное, а затем — в твердое, и поэтому трудно установить температуру начала их затвердевания. Переход «длинных» шлаков из тестообразного состояния в твердое сопровождается повышением вязкости, и это затрудняет перегруппировку частиц, необходимую для построения кристаллической решетки. Поэтому «длинные» шлаки не кристаллизуются, а переходят в стекловидную аморфную массу. «Длинные» шлаки — это обычно кислые силикатные шлаки.
Чем больше содержание Я02 в шлаке, тем выше его вязкость. Однако различные силикаты, входяшие в шлак, могут иметь разную вязкость. Наиболее часто встречаюшиеся в сварочных шлаках комплексы — силикаты по возрастанию их вязкости можно расположить в такой ряд: ГеО . ЯО2, МпО Я02, Ге20з ЯО2, М80 Я02, СаО ЯО2, А120з ЯО2. «Длинные», медленно затвердеваюшие шлаки менее активны по отношению к металлу и отличаются худшими формирующими свойствами: смачиваемостью и растекаемостью. 417 От вязкости шлака зависит его газопроницаемость, т.
е. способность пропускать выделяющиеся из металла газы. Известно, что скорость выделения газов из металла зависит от их давления над поверхностью металла. Если у шлаков плохая газопроннцаемость, то на поверхности металла создается повышенное давление газов, препятствующее их дальнейшему выделению. В этом случае в шве могут образоваться поры, а на поверхности шва— мелкие вмятины, шероховатость, побитость. Густые шлаки обладают плохой газопроницаемостью, а мало- вязкие, жидкоподвижные шлаки — высокой газопроницаемостью. В жидкоподвижных шлаках быстрое выделение газов из металла сопровождается попутным захватом частиц шлаковых включений и более полным очищением металла шва.
Поэтому важно умело подбирать соответствующие добавки к шлаку, чтобы влиять на изменение его вязкости в нужном направлении. Отличным разжижителем шлаков, особенно основных, является фтористый кальций СаГ2 (плавиковый шлат). Уменьшают вязкость и такие оксиды, как Т102„К20, На20, МпО, а также хлориды. Особенно благоприятно влияние оксида Т102, который способствует получению «короткого» шлака.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
