2.3. Флюсы и шлаки на основе соединений бора

B₂O₃ (T_пл=600C); H₃BO₃; Na₂B₄O₇ (T_пл743C).

Эта шлаковая система имеет Т_пл600900С и используется для сварки и пайки, меди, стали, чугуна.

Применение III группы шлаков основано на способности расплавленных соединений бора растворять оксиды металлов с образованием комплексных солей, нерастворимых в жидком металле.

3. Процессы, протекающие на границе шлак-металл

В зависимости от свойств металла сварочной ванны и шлака на границе шлак-металл протекают процессы двух типов:

1) Диффузионные, связанные с перераспределением компонентов, растворимых в шлаке и металле;

2) Химические, вызванные протеканием обменных реакций на границе шлак-металл между компонентами, не обладающими взаимной растворимостью.

3.1. Диффузионные процессы на границе шлак-металл

Для флюсов, построенных на основе оксидов, компонентом, растворимым в шлаке и металле, может быть кислород или оксид металла.

Коэффициент перехода из шлака в металл обозначается  и равен:

.

 - коэффициент распределения, позволяющий рассчитать равновесные концентрации на границе шлак-металл.

Эффект перераспределения компонента между шлаком и металлом используется для проведения определенной металлургической обработки, а именно: применительно к кислороду этот эффект используется как для окисления сварочной ванны (для чугунов), так и для раскисления сварочной ванны (для сталей).

Взаимодействии Me со шлаком может протекать по следующим двум схемам:

1. Окисление Me шлаком. [О]_р>[О]_д. Активный кислород должен переходить из шлака в Me. Концентрация в шлаке понижается, а в Me повышается. Процесс диффузии будет продолжаться до тех пор, пока на границе раздела не сформируются равновесные значения концентраций (О)_г, [О]_г.

Как любая гетерогенная реакция, перераспределение компонентов идет в 3 стадии. 1,3 – определяются скоростью диффузионного подвода и отвода компонента к границе раздела; 2 – скоростью перехода компонента через границу раздела шлак-металл. Как показывают исследования лимитирующими стадиями являются 1,3 – т.е. скорость диффузионного подвода и отвода компонента от границы раздела.

2) Раскисление Me шлаком. [О]_р<[О]_д. Активный кислород должен переходить из Me в шлак. Концентрация в Me снижается, а в шлаке Me повышается. Процесс продолжается до тех пор, пока на границе раздела не сформируются равновесные значения концентраций (О)_г, [О]_г.

В сварочной технике используют флюсы, отвечающие данным соотношениям:

флюсы с (О_и) >(О)_р – используют при сварке низкоуглеродистых сталей с целью снижения образования дефектов из-за водорода (т.к. повышенное окисление металла кислородом затрудняет проникновение водорода в сварочную ванну);

• при сварке чугуна для окисления углерода и получения металла шва с низким содержание углерода;

флюсы с (О_и) <(О)_р – для раскисления металла сварочной ванны в тех случаях, когда вероятность образования дефектов из-за водорода небольшая.

3.2. Химические процессы на границе шлак-металл

Развитие обменных реакций между компонентами шлака и металла, не обладающими взаимной растворимостью.

Подобные реакции развиваются при использовании флюсов всех трех групп. При этом, если во флюсе (шлаке) имеются оксиды элементов (Me_шO), то взаимодействие этого оксида с металлом [Me_м] приводит к образованию оксида (Me_мO) и чистого элемента [Me_ш]:

Рассмотренные реакции являются гетерогенными и их развитие определяется не только исходной концентрацией (направление процесса А+В=С+Д) и изменением температуры(для G0  равновесие  при охлаждении), но и площадью поверхности раздела, а также интенсивностью перемешивания. Два последних параметра определяют кинетику развития реакции, протекающей на границе раздела фаз.

Регулирование обменных реакций осуществляют за счет:

1) изменения состава исходных компонентов: флюса и металла сварочной ванны. Развитие реакций в необходимом направлении обеспечивают за счет использования неравновесных концентраций: , учитывая, что , следовательно, если K_p(Me_шлO)[Me_м]>(Me_мO)[Me_шл]  A, если K_p(Me_шлO)[Me_м]<(Me_мO)[Me_шл]  В.