Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Таким образом, для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, а затем быстро затвердевающие шлаки. Этому условию больше всего удовлетворяют «короткие» (основные) шлаки. После затвердевания шлаки должны быть удалены с поверхности шва. Насколько легко это сделать — зависит от ряда причин, в том числе и от окислительной способности шлака. Повышенная окислительная способность может резко ухудшить отделяемость шлаковой корки от поверхности шва.
Действительно, если концентрация оксидов железа в шлаке повышена, может происходить окисление поверхностных слоев металла вплоть до его затвердевания. На поверхности металла образуется оксидная пленка шлака, состоящая главным образом из ГеО. Кубическая кристаллическая решетка ГеО строится на базе кубической кристаллической решетки уже закристаллизовавшегося шва. Изоморфность этих двух контактирующих фаз обеспечивает хорошее сцепление (когезию) шлака и металла, но является главной причиной плохой отделимости шлаковой корки.
Наличие в шлаковом покрове соединений, кристаплизующихся в той же кубической системе, что и ГеО, приводит, в свою очередь, к достраиванию этими соединениями решетки ГеО, а значит, к достаточно прочному сцеплению шлака с металлом. По кубической системе кристаллизуются соединения типа шпинелей, представ- 418 яошие собой сложные оксиды двух- и трехвалентных металлов (А1, М8, Ге и др), Ввод в шлак 8102 способствует лучшей отделимости шлаковой корки, так как при этом не образуется промежуточных соединений между шлаком и металлом.
9.32. Характеристика важнейших простых оксидов, входящих в состав шлаковой фазы Диоксид кремния — кремнезем 8102 (Тлл = 1983 К; р = 2300...2600 кг!м ) — сильный кислотный оксид, который легко вступает в реакцию с основными оксидами, образуя комплексные соединения — силикаты; 8102 повышает вязкость шлака и спосо- бствует получению «длинных» шлаков.
Из расплавленного состояния 810з затвердевает в модификацию — кристобаллит, который при дальнейшем охлаждении переходит в новую модификацию— тридимит — и затем в кварц. Эти превращения сопровождаются выделением теплоты. Диоксид 8102 не растворим в металле. 3 Оксид кальция СаО (Т„„= 2843 К; р = 3400 кг!м ) — сильный основной оксид, образующий комплексные соединения. Очень термостойкий, диссоциирует весьма слабо. Связывает серу и особенно фосфор, облегчая их переход в шлак.
Повышает вязкость шлаков. Не растворим в металле. Полуторный оксид алюминия А!зОз (Тлл = 2323 К; р = = 3600...4000 кг!м ) — амфотерный оксид, реагирующий с кислотными и основными оксидами. Повышает вязкость шлаков, склонен к образованию шпинелей. Не растворим в железных сплавах. 3 Закись марганца МпО(Т„„= 1873 К; р = 4700...5500 кг!м )— основной оксид, образующий комплексные соединения с кислотными оксидами. Связывает серу в сульфид марганца и повышает ее растворимость в шлаке, Способствует некоторому понижению вязкости шлака; однако не влияет на скорость его кристаллизации. Не растворима в Ге.
з Закись железа ГеО (Т„„= 1643 К; р = 5900 кг!м ) — относительно слабый основной оксид, образующий комплексные соединения с кислотными оксидами (силикатами, титанатами, боратами и др.). Вступает в обменные реакции с элементами, у которых большое сродство к кислороду. Расгворима в шлаке и металле. 4!9 В сильноточных сжатых дугах степень ионизации газа в столбе дуги может достигать значений, близких к 100 %, а термоэмиссионная способность катода оказывается исчерпанной.
В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным (Я = сопз1). Высокоионизованная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому проводнику и для нее справедлив закон Ома. 2.2. Элементарные процессы в плазме дуги 2.2.1.
Основные параметры плазмы Как известно, плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газовая плазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами — электроны и отрицательные ионы. Состав нейтрального компонента плазмы может быть достаточно сложным: помимо атомов и молекул, находящихся в нормальном состоянии, в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных состояниях. Но поскольку плазма — это ионизованный газ, для ее описания используются те же понятия, что и для обычного газа. Введем основные параметры плазмы, исходя из простых молекулярно-кинетических представлений.
Прежде всего необходимо — 3 знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта псь м (индекс а означает сорт частиц). Далее все величины, относящиеся к электронам плазмы, будем обозначать с индексом е, к ионам — с индексом 1, а к нейтральным частицам — с индексом а. Если в плазме присутствуют ионы нескольких сортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта.
Состав плазмы удобно также характеризовать безразмерным параметром — отношением концентрации электронов к сумме концентраций нейтральных частиц и пе электронов, или степенью ионизаиии )( = е . По степени ионипа+не зации плазму обычно подразделяют на слабо ионизованную (у < -3 < 1О ) и полностью ионизованную ()( — 1), т. е. плазму, состоящую только из заряженных частиц. Частицы, образующие плаз- г(ь) му, находятся в состоянии хаотического теплового движения.
Для характеристики этого движения вводят понятие температуры плазмы в целом Т нли отдельных ее компонентов — частиц сорта а — Т~. Температура плазмы вводится в предположе- Ю нии, что плазма в целом находится в состоянии термодинамического равновесия, а функции распределения частиц всех сортов по скоростям о являются максвелловскими с одной и той же температурой Т; в этом случае плазма называется изотермической.
Гораздо чаще в плазме имеется частичное термодинамическое равновесие, когда отдельные ее компоненты имеют максвелловские распределения по скоростям с различными температурами. Такая плазма является неизотермической. В частности, распределение электронов по модулям скоростей описывается выражением: 3 2( те ~2 ( тее г'1 )'„(о) = 4яи — е ехр — — ' (2 )Т) 1 2кт~' (2.1) 2)еТе (2.2) где )е = 1,38 10 Дж/К вЂ” постоянная Больцмана; Т, — температура — 23 электронов, К; и — скорость хаотического теплового движения электронов, м!с.
График функцииЯи) приведен на рис. 2.6. Аналогичный вид имеют функции распределения по скоростям и для других частиц. Максимум функции )е(о) определяет наиболее вероятную скорость 42 43 Т, К 1900 Т, К 1600 1800 1400 1200 1700 Т,К Т,К 2100 Рис. 9.21. Диаграмма состояния шлаковой системы солеоксидиого типа СаΠ— СаЕ~ Рис. 9.20. Диаграмма состояния шлаковой системы солсвого типа СаГ2 — ХаГ 1976 1900 1743 1700 !600 1564 !520 1500 420 421 Диоксид титана ТРО2 (Т„„= 2123 К; р = 4200 кгlм ) — кис- 3 лотный оксид, образующий с основными оксидами легкоплавкие подвижные комплексы — титанаты.
Способствует получению короткого шлака, обладающего высокой газопроницаемостью. Не растворим в сталях. Фосфорный ангидрид Р205 — кислотный оксид, образующий комплексные соединения с СаО, а также с другими оксидами. Не растворим в металлах. 9.3.3. Основные системы сварочных шлаков В зависимости от состава сварочные шлаки можно разбить на три типа: шлаки оксидного типа, представляющие собой соединения оксидов различных металлов; шлаки соленого типа, состояшие из фтористых и хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов; шлаки оксидно-солевого типа, состояшие из солей и оксидов. Большинство шлаков любого типа состоит из основы, или «скелета», и добавок, или примесей.
Основа шлаков представлена двойной или тройной шлаковой системой, т. е. сочетанием двух МпО 20 40 60 80 800ь % (мас.) Рис. 9.19. Диаграмма состояния шлаковой системы оксидиого типа Мпо — 8(О иди трех главных компонентов, содержание которых в шлаке составляет более 10 ',6. Изучают такие системы обычно с помощью диаграмм состояния, которые строят для двойных или тройных систем. Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, выбирают основную тройную систему и затем устанавливают влияние на нее остальных составляющих шлака. Ряд диаграмм состояния для двойных систем разного типа представлен на рнс.
9.19 — 9.21. Из анализа диаграммы состояния двойной системы МпΠ— Б!02 (см. рис. 9.19) следует, что несмотря на высокую температуру плавления каждого компонента (соответственно Т > 2200 и 2000 К) их смесь в определенной пропорции является весьма легкоплавкой 1600 СаГз 20 35 40 60 80 СаО 40 60 80 )чар, % (мас.) Сари % (мас.) (1573 К), что используется при разработке соответствующих сварочных флюсов.
Тот же эффект отмечается в других системах; Жар — Сарз (см. рис. 9.20) и СаΠ— СаГ2 (см. рис. 9.21). Однако для достижения всего комплекса технологических свойств флюсы должны содержать значительно большее количество компонентов. При добавлении третьего компонента (СаГ2) температура плавления еще снижается и становится существенно меньше температуры плавления сталей.
Для описания тройных систем применяют так называемые псевдобинарные диаграммы плавкости. Их получают путем рассечения тройной диаграммы плоскостью, в которой содержание одного компонента трехкомпонентной системы Рис. 9.22. С . 2. Схематический вид поверхности плавления шлаков трехкомпоиеитной системы СаΠ— %0г — А1гОг поддерживают постоянным. В действительности, например в трех- компонентной системе СаΠ— ЯО2 — А1203, поверхность (рис. 9.22), соединяющая температуру плавления отдельных составов, является весьма волнистой, с множеством впадин, соответствующих составам эвтектик.
пения недостаточно, так как металл теряет некоторые полезные примеси в результате не только окисления, но и прямого испарения под действием высоких температур. Для компенсации этих потерь, а также для введения в наплавленный металл специальных добавок различных элементов (с целью повышения качества металла) параллельно с раскислением осуществляют легирование и модифицирование металла. Одновременно необходимо рафинировать металл, т. е.
очищать его от вредных примесей (серы и фосфора), попадающих в металл из шлака. Таким образом, взаимодействие газовой и шлаковой фаз с жидким металлом представляет собой сложный комплекс физико- химических процессов, из которых важнейшие — реакции окисления, раскисления, легирования и рафинирования металла. Для улучшения структуры первичной кристаллизации, ее измельчения и упорядочения в металл шва вводят небольшие количества зародышей кристаллитов специальных тугоплавких добавок-модификаторов. Наиболее сильные из них — ниобий ХЬ, титан Т1, цирконий Уг, ванадий Ч. При электродуговой сварке между расплавленным металлом, шлаком и газовой средой непрерывно происходят процессы интенсивного массообмена.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
