Сварочные шлаки, их физико-химические характеристики и свойства.

Что представляют собой сварочные шлаки, их физико-химические характеристики и свойства.

Шлак – расплав неметаллических соединений, а именно окислов, галоидов, сульфидов, солей как свободных, так и образующих комплексные соединения.

Большинство сварочных шлаков нерастворимы в Ме. В расплавленном состоянии Ме и шлаки представляют собой не смешивающиеся жидкости, различные по удельному весу (плотности).

Свойства шлаков и характер взаимодействия их на Ме определяется их химическим составом. Состав влияет на следующие физические свойства: температуру плавления, вязкость, характер изменения вязкости от температуры, плотность и межфазное натяжение.

Существует две теории, описывающие строение жидких шлаков: молекулярная и ионная.

Согласно молекулярной теории шлаки представляют собой системы свободных и химически связанных неметаллических соединения, между которыми имеется подвижное химическое равновесие. При этом с Ме взаимодействуют только свободные соединения (например окислы). Наличие ионов в шлаках молекулярная теория не отрицает, но их влиянием пренебрегают в общей схеме взаимодействия.

По ионной теории шлаки имеют строение ионного типа, т.е. каждый катион (+) окружён анионами (-). Анионы в свою очередь катионами. Ионное строение расплавленных шлаков подтверждает их электропроводность и улучшение электропроводности с увеличением температуры. Химическое воздействие расплавленного шлака на Ме в значительной степени определяется соотношением в его составе основных, кислых и амфотерных окислов.

К кислым окислам относят: SiO₂, TiO₂, P₂O₅.

Основными окислами являются: K₂O, Na₂O, CaO, MgO, MnO, FeO, NiO.

Амфотерные окислы: Al₂O₃, B₂O₃.

Формально преобладание кислых или основных характеристик шлака оценивается коэффициентом кислотности К_к или коэффициентом основности К_о = 1/К_к.

Расчёт коэффициента кислотности или основности даёт только приближённую оценку кислых или основных свойств шлака. Например, считают, что если К_к > 1, то шлак является кислым, если К_к < 1 – основным. Но на практике это не совсем так. Кислотный или основный характер будет проявляться, если в шлаке имеются свободные кислые или основные окислы. В ходе сварки возможно образование в шлаке различных комплексных соединений: FeO × SiO₂ или (FeO)₂ × SiO₂. Поэтому шлак, состоящий из 50% (FeO)₂ и 50% SiO₂ не будет нейтральным, а будет кислым. Отсюда, если исключить влияние рутила, то шлаки, применяемые для сварки сталей, оцениваются по следующей формуле: ,

где a,b,c,d – коэффициенты, учитывающие различную силу сродства основных окислов к SiO₂ (не более 1).

Если флюс содержит SiO₂ от 2 до 48%, CaO, MgO, MnO в небольших количествах, от 2 до 48% CaF₂ (флюорита), то a = 1, b = 0,5, c = 0,37, d = 0,26.

Амфотерные окислы в различных условиях могут выступать как основные. В этом случае образуются комплексные соединения с кислыми окислами. Такое поведение имеет место, когда количество основных окислов оказывается недостаточным. Если в шлаке избыток основных окислов, то они ведут себя как кислые.

Химическое воздействие.

Воздействие шлака на Ме может быть либо окислительным, либо раскислительным, при этом шлак переводятся в растворимые в Ме окислы. Шлаки могут изменять содержание в Ме серы и фосфора. На процессы взаимодействия шлака и Ме оказывают влияние физические свойства шлаков. Очень важной характеристикой является температура плавления. Температура плавления шлаков является менее определённой характеристикой, т.к. шлаки изменяют свою вязкость в широком диапазоне температур. В зависимости от характера изменения вязкости от температуры бывают длинные и короткие шлаки. Короткие шлаки – основные. Они затвердевают в малом температурном интервале и при остывании быстро переходят из состояния значительной текучести к образованию шлаковой корки.

Кислые шлаки постепенно изменяют свою вязкость. После затвердевания имеют аморфное, стеклообразное строение.

В реальных сварочных процессах шлаки должны иметь температуру плавления (затвердевания) незначительно отличающуюся от температуры плавления свариваемого Ме.

Если температура плавления шлака намного ниже температуры плавления Ме, то он будет сильно растекаться по нагретым свариваемым кромкам и слабо защищать сварочную ванну. При очень высокой температуре плавления шлак собирается в наиболее нагретой зоне, а края ванны оказываются оголёнными. Наиболее благоприятным является такое соотношение, когда шлак плавится при температуре, немного ниже температуры плавления Ме (при сварке сталей эта разница должна быть 200-300°С). Известны случаи, когда возможно применение шлаков с температурой плавления более высокой, чем у свариваемого Ме (например, сварка Cu с флюсом ОСЦ-45).

Вязкость шлаков.

Вязкость шлаков при температуре плавления Ме всегда значительно больше, чем вязкость Ме. Однако эта разница не должна быть очень большой. При сварке сталей h_Ме = 0,01-0,02 Пуаз (Температура плавления металла Т_{пл Ме} » 1500°С). Шлаки для сварки таких материалов должны иметь h_шл £ 10 Пуаз. Шлаки с h_шл > 10 Пуаз неприменимы. Т.к. большая вязкость шлаков для сварки является нежелательной, в них добавляют ”плавни”: плавиковый шпат и рутил. Эти добавки придают шлаку и другие свойства.

Межфазное натяжение.

Натяжение на границе раздела шлак – Ме. Это межфазное натяжение определяет формирование наружной поверхности сварного шва при ручной, автоматической и полуавтоматической сварках. Оно же влияет на разделение перемешенного в ванне шлака и металла.