26-03-2020-ТСП часть2 (1278567), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

В соответствии с ионной теорией, имеющей более широкую экспериментальную основу, шлаки обладают структурой ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион — катионами. Ионное строение шлаков подтверждается их заметной электропро­водностью (того же порядка, что и расплавов типичных электро­литов) и возрастанием электропроводности с температурой, также характерным для электролитов. Схема кристаллического строения окислов и солей представлена на рис. 9.17. Структурной единицей кристаллического строения оксидов и солей являются катионы металлов Ме²⁺ и анионы кислорода О^2-, фтора F^-, хлора Cl^- и др., которые чередуются в узлах кристаллических решеток. Структурной единицей кремнезема является анион SiO₄^4-. Эти анионы обладают возможностью соединяться между собой через атомы кислорода с образованием разнообразных по структуре силикатных комплексов . При расплавлении окислов и солей ионы сохраняются, но нарушается дальний порядок; ионы и комплексы ионов получают значительную подвижность. При добавлении к кремнезему основных окислов происходит дробление силикатных комплексов (рис. 9.17) с образованием ионов в следующей последовательности: , , , . В пределе дробление силикатных комплексов доходит до образования изолированных тетраэдров (рис. 8.17). При определенной концентрации кислотных и основных окислов образуются комплексы – силикаты (ортосиликат 2MeOSiO₂, метасиликат MeOSiO₂). При добавлении к основным окислам амфотерных окислов образуются алюминаты nMeOAl₂O₃, фосфаты nMeOP₄O₁₀, ферриты nMeOFe₂O₃.

Жидкие шлаки являются растворами-электролитами. Они обладают присущей электролитам электрической проводимостью и подвержены электролизу. Шлаки, богатые основными окислами, называются основными, а при большом содержании кислотных окислов – кислыми. В первом приближении считается, что простые катионы Fe²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др. и простые анионы О^2-, F^- в основных шлаках равноценны в отношении их взаимодействия друг с другом, и такие шлаки близки к идеальным растворам (по теории М.И. Темкина). По мере увеличения в шлаке кислых окислов его поведение все более отличается от поведения идеального раствора.

Расплавленные шлаки представляют собой наиболее сложный вид растворов, трудно подающийся теоретическому описанию.

В дальнейшем сварочные шлаки мы будем рассматривать как молекулярные растворы, а в отдельных случаях – как ионные растворы.

Сварочные флюсы должны осуществлять следующие функции:

1) защита жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом; 2) проведение процессов раскисления, легирования и рафинирования металла; 3) улучшение теплового режима сварки путем снижения ско­рости охлаждения; 4) поддержание устойчивости дугового разряда; 5) обеспечение качественного формирования металла шва и особенно плавности зоны перехода к основному металлу на поверхности соединения, зависящей от смачиваемости жидким металлом и его растекаемости.

Выполнение всех этих функции возможно только при оптимальных соотношениях химических и физических свойствах шлаков и флюсов.

Химические свойства флюса и образующегося шлака в зна­чительной мере определяются степенью кислотности или обратной ей величиной — степенью основности.

Степенью кислотности называют отношение сумм молеку­лярных процентов кислотных и основных оксидов данного шлака:

( 9.28)

Кислотные оксиды сварочных флюсов — SiO₂, TiO₂, P₂O_5, B₂O₃ и др.; основные — FeO, МnO, NiO, CaO, BaO, MgO, Na₂O, Cu₂O, K₂O и др. Кроме этих двух групп оксидов, в флюсах могут присутствовать и амфотерные оксиды, ведущие себя с сильными кислотами, как основные оксиды, а с сильными основаниями — как кислотные. К таким оксидам относятся Al₂O₃,Fe₂O₃, Cr₂O₃, V₂O₃ и др.

Если степень кислотности больше единицы, шлак считается кис­лым, если меньше — основным. Однако такое деление весьма ус­ловно, так как при определении величины n не учитывается актив­ность каждого из оксидов. Возможны случаи, когда по значению n формально следует отнести шлак к кислым (п > 1), однако из-за 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 различные оксиды, - в виде комплексных соединений или в свободном, диссоциированном состоянии.

Для жидкого шлака можно написать реакцию общего вида:

(МеО) осн + (МеО) кисл (МеО) осн • (МеО) кисл (9.29)

с константой равновесия, выраженная в объемных долях:

(9.30)

С уменьшением температуры константа Кс равновесия реакции (9.30) растет, процесс образования комплексных соединений уси­ливается и концентрация свободных оксидов в шлаке уменьшается.

О силе сродства отдельных оксидов друг к другу можно судить по величине константы равновесия реакции, а также (ориентиро­вочно) — по вели

чине теплового эффекта реакции комплексообразования (Таблица №9.1).

Таблица №9.1 Теплота комплексообразования различных соединений

Из таблиц следует, что образованию алюмосиликатов соответствует наибольшая теплота.

В кислых шлаках наиболее сильными основными выступают оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, слабее— амфо­терные оксиды. Из кислотных оксидов после SiO₂ наиболее силь­ные TiO₂ и Р₂О₅.

Вообще процессы комплексообразования идут в шлаке одновре­менно для всех оксидов, но наиболее полно и активно они протекают при взаимодействии между сильными основными и кислотными ок­сидами. Нельзя забывать, конечно, и о влиянии концентрации сво­бодного оксида в шлаке на развитие процессов комплексообразо­вания. При большой концентрации в шлаке слабого оксида сте­пень его активности может заметно возрасти.

К началу затвердевания шлака отдельные его составляющие имеют форму двойных и более сложных комплексных соединений, а также находятся во взаимных растворах.

Химические свойства сварочных шлаков нельзя рассматривать в отрыве от их физических свойств.

Физические свойства шлаков характеризуются:

1) тепловыми константами — температурой плавления и раз­мягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и теплосо­держанием шлака;

2) вязкостью в жидком состоянии и ее изменением с темпера­турой;

3) газопроницаемостью;

4) плотностью в жидком состоянии;

5) свойствами, определяющими 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 интервала плавления, лежа­щего между температурами начала размягчения шлака и его пере­хода в жидкое состояние, отвечающее полному плавлению. Интер­вал плавления у кислых шлаков обычно больше, чем у основных.

От температуры размягчения и плавления шлаков следует от­личать температуру образования шлаков при плавлении электрод­ных покрытий или керамических флюсов, представляющих 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 также 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 вязкости сварочных шлаков от температуры. По этим кривым можно судить об особенно­стях поведения шлаков при переходе из жидкого состояния в твер­дое. Кривая 1, соответствующая «коротким» шлакам, показывает, что их вязкость почти постоянна в пределах 1473 – 1873 К и состав­ляет доли пуаза. При температуре около 1373 К вязкость коротких шлаков резко повышается и они затвердевают. Таким образом, ко­роткий шлак быстро затвердевает с поверхности, оставаясь жидким в зоне соприкосновения с кристаллизующимся металлом и обеспе­чивая как свободный выход газам из металла, так и соответствую­щее формирование шва. Короткие шлаки — основные.

Кривая 2 отвечает «длинным», более густым шлакам, вязкость которых медленно снижается в интервале 1273-1673 К. Такие шлаки постепенно переходят сначала из жидкого состояния в густое, потом - в тестообразное, а затем - в твердое (рис. 9.18) и поэтому трудно установить температуру начала их затвердевания. Переход из тестообразного состояния в твердое у длинных шлаков сопровождается нарастанием вязкости, при котором перегруппировка частиц, необходимая для получения кристаллической решетки, затрудняется. Поэтому длинные шлаки не кристаллизуются, а переходят в стекловидную аморфную массу.

Длинные шлаки - это обычно кислые, силикатные шлаки. Чем больше содержание SiO₂ в шлаке, тем выше его вязкость. Однако различные силикаты, входящие в шлак, могут отличаться по вязкости. Наиболее часто встречающиеся в сварочных шлаках силикаты по воз­растанию их вязкости можно расположить в такой ряд: FeO · SiO2 → MnO • SiO2→ Fe₂O₃ • SiO₂ → →MgO • SiO₂ → CaO • SiO₂ →A1₂O_:3• SiO₂. Длинные, густые, медленно затвердевающие шлаки менее активны по отношению к металлу и отличаются худшими фор­мирующими свойствами.

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 газопрони­цаемость, то на поверхности металла создается повышенное давле­ние газов, препятствующее их дальнейшему выделению. В этом слу­чае в шве может образоваться пористость, а на поверхности шва — мелкие вмятины, шероховатость, побитость.

Густые шлаки обладают плохой, а маловязкие подвижные шлаки — высокой газопроницаемостью. В жидкотекучих 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 повлиять на его вязкость в нужном направ­лении.

Характеристики

Список файлов лекций