Системы сварочных шлаков солевого типа

 

1). Система CaF₂ используется в качестве флюса для электродуговой сварки аустенитных хромоникелевых сталей (АНФ−1), а также при электрошлаковой сварке титана Т_пл CaF₂ = 1411^о С.

2). Система CaF₂−NaF (флюс АНФ−5) Т_пл = 950−970^о С. Применяется для электродуговой сварки аустенитных хромоникелевых сталей.

3). Система KCl−NaCl−Na₃AlF₆. Применяется в флюсах и электродных покрытиях для сварки алюминия и некоторых его сплавов. Т_пл = 600−700^о С.

 

Системы сварочных шлаков оксидно−солевого типа

 

1). Система CaF₂−Al₂O₃ применяется при производстве флюсов для ЭШП легированных сталей (АНФ−6).

2). Система CaF₂−CaO−SiO₂ применяется в сварочных шлаках, образующихся при плавлении электродов фтористокальциевого типа УОНИИ−1, а также в магнитных флюсах марки ФМК−3 и др.

3). Система CaF₂−CaO(MgO)−Al₂O₃−SiO₂ используется в низкокремнистых флюсах, применяемых для сварки легированных сталей. Флюсы АН−22, АН−26, др.

Компоненты шлаков могут вступать в химические взаимодействия с металлом на границе раздела жидких фаз. Направление реакций будет определяться не только стандартным химическим сродством (ΔG^o), но и соотношением концентраций этих компонентов в соприкасающихся растворах: металлическим и шлаковым.

Но понятие концентрации в этому случае нужно заменить активностью, т.к. одно и то же количество компонента в шлаке, содержащим избыток кислотных окислов (SiO₂, TiO₂), будет вести себя иначе, чем в шлаке, содержащем избыток основных окислов (CaO, MnO).

При избытке в шлаке кислых окислов (SiO₂, TiO₂), окислы основного характера будут связаны в силикаты или алюмосиликаты и активность их будет понижена, а находящиеся в избытке кислые окислы буду, наоборот, активно вступать в химические реакции.

В шлаках с избытком основных окислов (CaO, MnO) кислые окислы будут связаны в соли, а основные окислы будут реагировать с металлом.

Кислые шлаки: >1.

Основные шлаки: <1.

Взаимодействие компонентов шлака с металлической фазой можно рассматривать с двух точек зрения, а именно с термодинамической, изучающей лишь начальные и конечные состояние системы, и электрохимической, рассматривающей процесс взаимодействия ионов с металлической поверхностью при наличии скачка потенциала металл−электролит или внешней разности потенциалов.

В металлургии сварочных процессов, идущих при температурах, значительно превышающих температуру плавки стали в печах, активность компонентов шлаковых систем значительно выше окислительно−восстановительных реакций на границе металл−шлак идут интенсивнее, чем при плавке в мартеновских электропечах.

Увеличение активности компонентов шлака при сварке можно объяснить с двух точек зрения, а именно: рассматривая шлак как раствор реагирующих между собой веществ и как электролит.

1). Рассматривая шлак как реагирующие между собой окислы в растворе, можно утверждать, что при повышении температуры диссоциация силикатов, алюминатов и алюмосиликатов будет увеличиваться, т.к. все эти соединения являются экзотермическими.

CaSiO₃→CaO + SiO₂ (ΔH<0).

(CaO + SiO₂)→ CaSiO₃ − метасиликат.

Таким образом активная концентрация SiO₂ будет возрастать и Si получит возможность при сварке перейти в металл из нейтральных и даже основных шлаков (в очень малых количествах, чего нет в сталеплавильном процессе).

SiO₂ +2Fe →[Si] +2FeO

2). При рассмотрении шлака как электролита следует помнить, что электропроводность растет, а вязкость снижается (при повышении Т^о). Это свидетельствует о том, что число ионов в единице объема электролита возрастает и уменьшается взаимодействие между ними.

Увеличение активной концентрации иона Si⁴⁺ облегчает ему переход в металл, изменяя разность потенциалов на границе металл−шлак:

Si⁴⁺ +2Fe⁰→[Si⁰] +2Fe²⁺.

 

1.2. Распределение марганца между шлаком и металлом

 

при рассмотрении процессов сварки под слоем плавленых сварочных флюсов всегда особенно интересен переход Mn в состав металла шва, полезный при сварке малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей и часто ухудшающий свойства металла шва при сварке высоколегированных специальных сталей. .

;

или .

Концентрация Mn в металле будет возрастать при увеличении % MnO в шлаке и при уменьшении %FeO, что учитывается при составлении рецептуры сварочных флюсов (флюс АН−348 и др.).

Марганец находящийся в шлаке в виде закиси марганца (MnO), может восстанавливаться железом, в меньшей степени никелем и медью по обратимой реакции:

; кДж (при высоких температурах равновесие смещается в сторону восстановления марганца и окисления железа).

Для реакции, протекающей между металлом и шлаком, можно предложить две схемы.

Первая схема рассматривает взаимодействие металла и шлака, представляя шлак как окислы различных компонентов, реагирующих между собой.

Шлак (MnO) (FeO)

Металл (а)

Mn переходит в раствор металла, а FeO распределяется между металлом и шлаком согласно закону распределения.

Константа равновесия обратимой реакции (а):

, , , .

1). - ввиду неограниченной растворимости в железе и близости их атомных масс.

2).

3). .

Последнее преобразование можно сделать в соответствии с законом распределения, который для данного случая можно записать

(для железистых шлаков).

будет постоянной для данного шлака.

Таким образом [%FeO]=L(%FeO), а так как шлак может вообще состоять только из FeO, ввиду неограниченной его растворимости, то можно считать (%FeO) насыщ. = 100%, что и сделано в примере 3.

Из выражения (а) можно определить содержание Mn в металле

Это учитывается при составлении рецептуры сварочных флюсов (ОСЦ-45, АНЗ-48 и др.).

С повышением Т^о содержание Mn в металле шва будет расти, т.к.

и ΔН>0.

Поэтому при высокотемпературных процессах сварки переход марганца из флюсов в металл шва весьма значителен.

Вторая схема этого процесса исходит из ионной теории строения шлак, рассматривая его как электролит, а окислительно-восстановительный процесс, - как работу гальванического элемента.

Как электролит можно представить

;

.

Ионы марганца из шлака будут подходить к поверхности жидкого железа и вступать в реакцию:

.

Марганец переходит в железо до определенной концентрации, при которой его активность сделается равной активности железа.

Так как окислительно-восстановительные процессы развиваются в приэлектронном слое, то общую схему процесса можно представить следующим образом:

 

 

Как видно из схемы, состав шлака сильно влияет на переход марганца, т.к. содержание ионов Fe²⁺ в шлаке придает ему окислительный характер и смещает равновесие в обратную сторону. Кроме того, избыток ионов задерживает диссоциацию силикатов или понижает активность ионов Mn²⁺ и Fe²⁺, поэтому в кислых шлаках переход марганца будет меньше.