15. Сварочные шлаки, их физико-химические характеристики и свойства.

Что представляют собой сварочные шлаки, их физико-химические характеристики и свойства.

Шлак – расплав неметаллических соединений, а именно окислов, галоидов, сульфидов, солей как свободных, так и образующих комплексные соединения.

Большинство сварочных шлаков нерастворимы в Ме. В расплавленном состоянии Ме и шлаки представляют собой не смешивающиеся жидкости, различные по удельному весу (плотности).

Свойства шлаков и характер взаимодействия их на Ме определяется их химическим составом. Состав влияет на следующие физические свойства: температуру плавления, вязкость, характер изменения вязкости от температуры, плотность и межфазное натяжение.

Существует две теории, описывающие строение жидких шлаков: молекулярная и ионная.

Согласно молекулярной теории шлаки представляют собой системы свободных и химически связанных неметаллических соединения, между которыми имеется подвижное химическое равновесие. При этом с Ме взаимодействуют только свободные соединения (например окислы). Наличие ионов в шлаках молекулярная теория не отрицает, но их влиянием пренебрегают в общей схеме взаимодействия.

По ионной теории шлаки имеют строение ионного типа, т.е. каждый катион (+) окружён анионами (-). Анионы в свою очередь катионами. Ионное строение расплавленных шлаков подтверждает их электропроводность и улучшение электропроводности с увеличением температуры. Химическое воздействие расплавленного шлака на Ме в значительной степени определяется соотношением в его составе основных, кислых и амфотерных окислов.

К кислым окислам относят: SiO₂, TiO₂, P₂O₅.

Основными окислами являются: K₂O, Na₂O, CaO, MgO, MnO, FeO, NiO.

Амфотерные окислы: Al₂O₃, B₂O₃.

Формально преобладание кислых или основных характеристик шлака оценивается коэффициентом кислотности К_к или коэффициентом основности К_о = 1/К_к.

Расчёт коэффициента кислотности или основности даёт только приближённую оценку кислых или основных свойств шлака. Например, считают, что если К_к > 1, то шлак является кислым, если К_к < 1 – основным. Но на практике это не совсем так. Кислотный или основный характер будет проявляться, если в шлаке имеются свободные кислые или основные окислы. В ходе сварки возможно образование в шлаке различных комплексных соединений: FeO  SiO₂ или (FeO)₂  SiO₂. Поэтому шлак, состоящий из 50% (FeO)₂ и 50% SiO₂ не будет нейтральным, а будет кислым. Отсюда, если исключить влияние рутила, то шлаки, применяемые для сварки сталей, оцениваются по следующей формуле: ,

где a,b,c,d – коэффициенты, учитывающие различную силу сродства основных окислов к SiO₂ (не более 1).

Если флюс содержит SiO₂ от 2 до 48%, CaO, MgO, MnO в небольших количествах, от 2 до 48% CaF₂ (флюорита), то a = 1, b = 0,5, c = 0,37, d = 0,26.

Амфотерные окислы в различных условиях могут выступать как основные. В этом случае образуются комплексные соединения с кислыми окислами. Такое поведение имеет место, когда количество основных окислов оказывается недостаточным. Если в шлаке избыток основных окислов, то они ведут себя как кислые.