Шлаки представляют собой сплав различных окислов и солей, который имеет пониженный по сравнению с жидким металлом удельный вес и поэтому располагается в основном на поверхности металлической ванны. В настоящее время существуют две теории строения жидких шлаков:
1. Молекулярная теория, разработанная Грум-Гржимайло, Карнауховым и Шенком, которые считают шлаки идеальным молекулярным раствором свободных и связанных окислов.
Согласно молекулярной теории шлаков, между молекулами свободных и связанных окислов имеется известное подвижное химическое равновесие, однако непосредственно с металлом реагируют лишь свободные окислы. Молекулярная теория шлаков не отрицает наличия в них ионов, но отводит им второстепенную роль.
2. Ионная теория, созданная школой советских металлургов: Темкиным, Есиным, Самариным, Кожауровым.
Эта теория рассматривает шлаки как ионные растворы-электролиты, состоящие из катионов металлов (К +, Na +, Са 2+, Mg 2+и др.) и различных анионов (F –, O 2–, PO43–, AlO45–, SiO44– и проч.). Ионное строение шлаков подтверждается их заметной электропроводностью и возрастанием электропроводности с температурой, что характерно для электролитов.
В то же время молекулярная теория разработана более детально и более удобна для практических расчетов равновесных состояний. Поэтому в дальнейшем сварочные шлаки будут рассматриваться как молекулярные растворы.
Сварочные шлаки осуществляют такие разнообразные функции:
1. Защита жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом.
2. Проведение в той или иной степени процессов раскисления, легирования и рафинирования металла.
3. Улучшение теплового режима сварки путем снижения скорости охлаждения металла.
4. Поддержание устойчивости процесса сварки.
5. Обеспечение правильного формирования металла шва.
Общая классификация и сварочно-технологические свойства флюсов.
Сварочные флюсы можно разделить на отдельные группы по способу изготовления, химическому составу, по основности, химической активности, назначению, строению и размеру зерен и т. д.
Классификация по способу изготовления. В зависимости от способа производства флюсы подразделяют на плавленые, керамические и плавлено-керамические.
Керамические флюсы производят в виде зерен, получаемой при смешении шихты определенного состава на связующем (жидкое стекло) с последующей грануляцией и прокалкой при соответствующих температурах. Некоторые марки, керамических флюсов получают без добавок связующего за счет спекания шихты.
Такие флюсы применяют преимущественно при наплавке, поскольку они позволяют легировать наплавляемый металл в широких пределах. Для этой цели во флюсы вводят металлические порошки и ферросплавы. Керамические флюсы при сварке применяют реже. В больших объемах их используют для этой цели в зарубежной практике.
Плавленые флюсы получают сплавлением компонентов шихты в электрических или пламенных печах с последующей грануляцией расплава мокрым способом в воде, сухим дроблением застывшего шлака и распылением жидкой струи расплава воздушным потоком.
Плавлено-керамические флюсы включают два метода изготовления с целью повышения сварочно-технологических свойств флюса. В частности, использование плавленого флюса в качестве шлакообразующей основы керамического флюса позволяет улучшить технологические свойства последнего в формировании наплавленного металла, уменьшения газовыделений, стабильности горения дуги, отделимости шлаковой корки и т. п., поскольку керамические флюсы по сравнению с плавлеными обычно обладают худшими сварочно-технологическими свойствами.
Классификация по химическому составу. В зависимости от химического состава шлаковой основы сварочные флюсы подразделяют на три группы:
оксидные, солевые и солеоксидные.
Независимо от принадлежности к той или иной группе большинство шлаков состоит из основы или «скелета» и добавок к ней примесей. Основа шлаков называется шлаковой системой. Изучение таких систем обычно производится с помощью диаграмм состояния, которые строятся для двойных и тройных систем. Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, то выбирают основную тройную систему, а затем устанавливают влияние на нее остальных составляющих шлака.
Оксидные флюсы состоят из оксидов металлов и могут содержать до 10% фтористых соединений. Их преимущественно применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей.
Пример – шлаковые системы SiO2 – FeO (ЦМ-7), CaO – SiO2, SiO2 – MnO (АН-348А, ОСЦ-45).
Флюсы солевой группы состоят из фтористых и хлористых солей металлов, а также из других, не содержащих кислород химических соединений. Их применяют для сварки активных металлов, таких, как алюминий, титан и др., а также
в электрошлаковой технологии.
Пример – системы CaF2 – NaF, KCl – NaCl – Na3AlF6, чистый CaF2
Флюсы солеоксидной группы состоят из фторидов и оксидов металлов. Это группа флюсов наиболее широко применяется присварке и наплавке средне-и высоколегированных сталей и сплавов.
Пример – системы CaF2 –CaO – SiO2 (УОНИИ-13), CaF2 – Al2O3 (АНФ-6), СaF2 – CaO (MgO) – Al2O3 – SiO2 (АН-22, АН-26).
Оксидные флюсы построены преимущественно на базе шлаковой системы MnO – SiO2, хотя имеются оксидные флюсы на базе других шлаковых систем. Наиболее распространено деление флюсов по содержанию в них оксидов кремния и марганца.
По содержанию кремнезема:
— бескремнистые (количество SiO2 в виде примеси до 5%),
— низкокремнистые (6¸35% SiO2) и
— высококремнистые (более 35% SiO2).
По содержанию марганца:
— безмарганцовистые (количество MnO в виде примеси до 1%),
— низкомарганцовистые (до 10% MnO);
— среднемарганцовистые (15¸30% MnO) и
— высокомарганцовистые (более 30% MnO).
По химическому составу, согласно рекомендации Международного института сварки (МИС), сварочные флюсы подразделяют на типы, приведенные в таблице 2.1.
Приведенная классификация флюсов может иметь большое значение, поскольку тип флюса в определенной степени определяет способность его к взаимодействию в зоне плавления с жидким металлом, то есть способен характеризовать металлургические свойства флюса.
Классификация по основности.Химическое воздействие расплавленного флюса–шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. К основным оксидам относят, например, CaO, MgO, MnO, FeO и др., к кислым SiO2, TiO2, ZrO2. Оксиды алюминия (Аl2O3) и железа (Fе2O3) имеют амфотерный характер. Если в составе флюса содержится много кислых оксидов, то А12O3 и Fе2O3 ведут себя как основные оксиды; если во флюсе большую часть составляют основные оксиды – то как кислые. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями.
Электрошлаковая технология. Учебный фильм по материаловедению.
