Легирование металлов через шлак

Легирование металла шва может быть осуществлено восстановлением легирующего элемента из окислов, находящихся в шлаке, непосредственно при сварке. Восстановителем при этом служит металл – основа сплава. При сварке низколегированных сплавов под слоем флюса их легируют марганец и кремнием ( легирование другими элементами через шлак экономически нецелесообразно ).

Легирование металла элементов R происходит в результате окислительно-восстановительной реакции, обратной реакции раскисления этих элементов. Реакция легирования получена путем комбинации реакций

m [ Me ] + O₂ = n[ Me_xO_y ]

_______________________________________________________-

m´[ R ] + O₂ = n´[ R_x´O_y´ ]

m[ Me ] + n´( R_x´O_y´ ) = n[ Me_xO_y ] + m´[ R ]

При термическом равновесии суммарное приращение изобарного потенциала равно 0. Если принять для упрощения n´ = 1, то после подстановок получим

–

Принимая [ %R ] = [ %R₀ + ΔR ], получим

Далее получим

.

Легирование металла элементом R возрастает при увеличении активности его окисла и с уменьшением содержания кислорода в основе. По мере восстановления элемента возрастают его содержание и содержание кислорода, в результате чего интенсивность процесса легирования снижается. Фактически содержание кислорода зависит от присутствия элементов с большим, чем у элемента R , сродством к кислороду (например, титана). С увеличением их содержания количество растворенного кислорода уменьшаетсч и легирование усиливается.

Шлаковые фазы и их назначение.

Шлаки представляют собой жидкие минеральные фазы, отделяющие зеркало металла от непосредственного действия газовой атмосферы. Шлаки не изолируют металл от газовой среды, а только заменяет непосредственное взаимодействие диффузионным. В качестве примера рассмотрим схему передачи кислорода из атмосферы в железо через шлак.

Взаимодействие шлаковой фазы с металлом определяется составом и температурой и подчиняется закону распределения

L_FeO = [FeO]/(FeO)= f(T).

Если L_FeO>1,то шлак восстановительный, если L_FeO<1 – то окислительный.

При сварке употребляют только восстановительные шлаки.

По химическому характеру компоненты шлаковых систем делятся:

кислотные – SiO₂, TiO₂, B₂O₃

основные – CaO, MgO, FeO, MnO

aмфотерные – Al₂O₃, Cr₂O₃

нейтральные – CaF₂, NaF, KCl, BaCl₂

По составу сварочные шлаки можно разделить:

1. алюмосиликатные – при сварке сталей;

2. бескислородные или фторидные – при сварке цветных металлов.

В состав алюмосиликатных шлаков входят SiO₂, Al₂O₃ и основные оксиды.

Диоксид кремния SiO₂ образует многочисленные соединения с основными окислами – силикаты с ионами типа Si_xO_y^2-

Физико-химические свойства шлаков:

1. Температура плавления – должна быть ниже температуры плавления свариваемого металла. Зависит от состава шлака.

2 . Вязкость шлака – должна удовлетворять технологии сварки, т.к. от ее значения зависит условия формирования шва. По характеру изменения вязкости при остывании отличаются длинные шлаки и короткие.

Короткие шлаки резко меняют вязкость в

момент кристаллизации, характерны для ион-

ных растворов с Ca²⁺, Fe²⁺, F^-

Ионные растворы, содержащие большое

Т

количество комплексных ионов Si_xO_y²,

склонных к полимеризации, медленно ме-

няют вязкость при сильном переохлаждении – длинные шлаки.

3. Отделимость шлаковой корки – зависит от разности коэффициентов линейного расширения.

4.На скорость охлаждения металла шва сильно влияет теплофизические свойства шлака:

Взаимодействие металла со шлаком зависит от основности или кислотности шлака. Характер шлака оценивается соотношением

– основной

Если В < 1, то кислый.

Для большей точности в числителе учитывается количество CaF₂, MnO, FeO и других основных окислов, а в знаменателе также количество других кислотных окислов и Al₂O₃.

Коэффициент В колеблется в пределах 0,6 … 2.