Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 72
Текст из файла (страница 72)
9.16). При температурах этого интервала наиболее устойчив оксид ТЮ. Для оксидов титана характерна ступенчатая диссоциация, которая идет по двум вариантам: Т1305 Т102 (9.26) Т~203 — ТЮ вЂ” Т1 Из оксидов титана наименьшую температуру диссоциации имеет Т102 (ЛО = 0 при 3500 К), диссоциация которого происходит согласно уравнению 4Т|02 ~22Т1203+027 (Л6~ =718400 — 159,96Т), (9.27) 410 Титан также активно взаимодействует с азотом и водородом (см. рис. 9.7), образуя ингриды и гидриды, поэтому требуется особо тщательная защита его сплавов от атмосферы при сварке. Алюминий соединяется с кислородом в устойчивый амфотерный оксид А!203 (корунд), образующий соли как в кислой, так и в щелочной среде.
Оксид А1203 не растворим в алюминии и образует плотную оксидную пленку, имеющую весьма высокие температуру плавления (Т > 2500 К) и плотность (выше, чем у металла). При сварке с окислением в шве образуются включения А1203, т. е. шлаки, которые приводят к охрупчиванию металла шва. Кроме того, поверхностные пленки из А!203 склонны к адсорбции Н20, т. е.
к гидратации во влажной среде. Гидратная вода, входящая в А1203 и Н20, при сварке диссоциирует и это приводит к повышению парциального давления водорода в столбе дуги. При охлаждении до температуры кристаллизации растворимость водорода резко снижается практически до нулевых значений (см. рис. 9.6, а) и при кристаллизации часть выделяющегося газа создает поры в шве. Второй продукт диссоциации — кислород — окисляет основу сплава ипи его главный легируюший компонент (Мп, 1 1) и тем самым увеличивает долю шлака в шве в виде легкоплавкой эвтектики. Таким образом, попадание атмосферных газов в большей или меньшей степени в зону столба дуги вследствие несовершенства газовой защиты или в виде примесей в защитных газах оказывает вредное воздействие на конструкционные металлы и сплавы в шве ц в зоне термического влияния, так как приводит к образованию в ннх горячих либо холодных трешин и пор, а также к снижению прочности и пластичности сварных соединений.
9.3. Взаимодействие металла с защитными флюсами нри сварке 9.3Д. Строение и свойства сварочных флюсов Сварочные флюсы представляют собой сплавы различных оксидов, солей или сплавы солей и оксидов. Они имеют пониженные (по сравнению с соответствующим жидким металлом) температуру плавления и плотность. При взаимодействии сварочных флюсов с жидким металлом изменяется их химический состав н они превращаются в шлак, который располагается в основном на поверхности сварочной ванны и защищает ее от непосредственного кои- 411 такта с атмосферой. Однако при высоких температурах, развиваюшихся во время сварки, флюсы-шлаки переходят в реакционно-способное состояние и вступают в обменные реакции с металлом, что может снижать качество швов.
Для управления этим процессом необходимо иметь сведения о строении шлаков и условиях, в которых возможно взаимодействие шлаков с металлами. В соответствии с ионной теорией, имеющей широкую экспериментальную основу, шлаки обладают кристаллической структурой ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион — катионами. Ионное строение шлаков подтверждается нх заметной электропроводностью (того же порядка, что и электропроводность расплавов типичных электролитов), которая возрастает с повышением температуры, что также характерно для электролитов. Схема кристаллического строения флюсов, состоящих из оксидов и солей, представлена на рис. 9.17.
Структурными единицами кристаллического строения оксидов и солей являются катионы (металлов 24 2— Ме ) и анионы (кислорода О, фтора Р, хлора С1 и др.), которые чередуются в узлах кристаллических решеток. Рнс. 9.17. Схема строения жидких кислых н основных флюсов (о — анионы кислорода; Э вЂ” катионы металлов основных оксидов; ° — катионы кремния); и — чистый кремнезем; б — раствор небольшого количества основных оксидов в 6- !!-, кремнеземе (поквзвпы хреывекислородпые вппопы: ! — %,04; 2 — %40п 1 3— %40!г ); в — РаствоР небольшого количества кРемнезема в огповпоы окгиде 4- 1поквзвпы изолированные тетраэдры 4 — %04 ); г — сплав основных оксидов 412 С ой единицей оксида кремния (кремнезема) является труктурн " аннон 1 4 ' н %04 .
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. Шлаки, 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
