В зависимости от состава сварочные шлаки можно разбить на три группы:
1) шлаки оксидного типа, представляющие собой оксиды различных металлов;
2) шлаки солевого типа — фтористые и хлористые соли щелочных и щелочноземельных металлов;
3) шлаки оксидно-солевого типа, состоящие из солей и оксидов.
Независимо от принадлежности к той или иной группе большинство шлаков состоит из основы, или «скелета», и добавок, или примесей.
Основа шлаков представляется шлаковой системой. Изучают такие системы обычно с помощью соответствующих диаграмм состояния, которые строят для двойных и тройных систем.
Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, выбирают основную (главную) тройную систему и затем устанавливают влияние на нее остальных составляющих шлака.
Характеристика важнейших простых оксидов, входящих в состав шлаковой фазы.
1. Двуокись кремния Si02 (Тпл = 1710 °С; ρ = 2,3 - 2,6 г/см3) — сильный кислотный оксид, который легко вступает в реакцию с основными оксидами, образуя комплексные соединения — силикаты. SiO2 повышает вязкость шлака и способствует получению длинных, густых шлаков. Из расплавленного состояния Si02 затвердевает, его кристаллическая структура при остывании модифицируется и, в конечном итоге, превращается в кварц. Эти превращения сопровождаются выделением тепла. Двуокись кремния нерастворима в металле и потому вся уходит в шлак.
Кварц - самый разнообразный в своих разновидностях минерал по форме и цвету. Коллекционеры могут иметь не один десяток образцов кварца, но ни один из них не будет повторятся. Образцы могут различаться по нескольким позициям: цвет, оттенок, пирамидальность, призматичность и т.д. Комбинация этих и других позиций приводит к такому уникальному разнообразию образцов.
2. Закись марганца MnO (Тпл. = 1600 °С; ρ = 4,7 … 5,5 г/см3) — основной оксид, образующий комплексные соединения с кислотными оксидами. Связывает серу в сульфид марганца и повышает ее растворимость в шлаке, что используется при очистке металла шва от серы. Способствует некоторому понижению вязкости шлака, однако не влияет на скорость его кристаллизации. Нерастворима в металле и потому вся уходит в шлак.
3. Закись железа FeO (Тпл = 1370 °С; ρ = 5,9 г/см3) относительно слабый основной оксид, образующий комплексные соединения с кислотными оксидами (силикаты, титанаты, бораты и др.). Вступает в обменные реакции с элементами, у которых большое сродство к кислороду. Растворима в шлаке и в металле. Склонность к растворению в металле шва существенно снижает его прочностные показатели.
4. Двуокись титана ТiО2, (Тпл. = 1850 °С; ρ = 4,2 г/см3) —амфотерный оксид, образующий с основными оксидами легкоплавкие подвижные комплексы — титанаты. Способствует получению короткого шлака, обладающего высокой газопроницаемостью. Нерастворима в металле.
5. Окись кальция СаО (Тпл = 2570 °С; ρ = 3,4 г/см3) — сильный основной оксид, образующий комплексные соединения. Очень прочна, диссоциирует весьма слабо. Связывает серу и особенно фосфор, облегчая их переход в шлак. Повышает вязкость шлаков. Нерастворима в металле и потому вся уходит в шлак.
6. Окись алюминия А12О3 (Тпл = 2050 °С; ρ = 3,6 - 4,0 г/см3) — амфотерный оксид, реагирующий с кислотными и основными оксидами. Повышает вязкость шлаков, склонна к образованию шпинелей. Нерастворима в металле, но из-за мелкодисперсности затруднен переход в шлак.
7. Фосфорный ангидрид Р205 — кислотный оксид, образующий комплексные соединения. Особенно активен с СаО. Нерастворим в металле.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ РАСПЛАВЛЕННЫМ МЕТАЛЛОМ,
ГАЗОВОЙ СРЕДОЙ И ШЛАКОМ
Одна из важнейших функций флюсов или электродных покрытий, применяемых при электродуговой сварке, заключается в металлургической обработке металла шва, которая заключается в выполнении следующих технологических операций:
Раскислении,
Легировании,
Рафинировании,
Модифицировании.
подробнее…
В связи с активным развитием окислительных процессов при дуговой сварке практически всегда есть потребность раскисления металла.
Однако, чтобы получить наплавленный металл требуемого состава и свойств, одной операции раскисления недостаточно, так как металл теряет некоторые полезные примеси в результате не только окисления, но и прямого испарения под действием высоких температур. Для компенсации этих потерь, а также для введения в наплавленный металл специальных добавок различных элементов с целью повышения качества металла, параллельно с раскислением осуществляют и легирование металла.
Наконец, наряду с раскислением и легированием, обязательно нужно рафинировать металл, т.е. очищать его от вредных примесей (серы и фосфора), попадающих в металл из шлака.
Таким образом, взаимодействие газовой и шлаковой фаз с жидким металлом представляет собой сложный комплекс физико-химических процессов, из которых важнейшие — реакции окисления, раскисления, легирования и рафинирования металла.
Для улучшения структуры первичной кристаллизации, ее измельчения и упорядочения в металл шва вводят небольшие количества специальных добавок - модификаторов. Наиболее сильные из них — Nb, Ti, Zr, V.