Поліпшення властивостейметалу шва при зварюванні
Зварювальна ванна та метал шва при зварюванні повинні бути захищені від впливу кисню та азоту повітря для отримання заданих механічних властивостей, хімічного складу та структури наплавленого металу. Для цього застосовуються електродні покриття та флюси з компонентами, що мають властивості розкислення, легування, шлакоутворення, газоутворення.
Зварювальний шлакутворюється призварюванніна поверхні розплавленого металу і оберігає метал від дії кисню та азоту повітря. Шлак також розчиняє в собі закис заліза, уповільнює процес охолодження шва, покращує структуру та механічні властивості металу шва, а за наявності стабілізуючих та легуючих компонентів підвищує стійкість горіння дуги та сприяє легуванню металу шва.
Основні властивості шлаків:
- температура плавлення вища за температуру утворення оксидів;
- гарна в'язкість, що забезпечує високу якість шва та легкість відокремлення шлаку від металу;
- здатність швидкого переходу з рідкого стану у твердий;
- здатність розчиняти метали, сульфіди та інші сполуки, зв'язувати оксиди в нерозчинні сполуки, а також розкислювати залізо;
- у твердому стані здатність легко відокремлюватися від наплавленого металу шва;
- в рідкому стані щільність нижче за щільність рідкого металу.
Утворювані шлаки часто є сполуками оксидів типу (FeO, MnO, СаО) — основних, (Si02 , ТiO2) — кислих, (Al2О3 , Fe2О3) — амфотерних.
Зварювальні шлакине оберігають метал повністю від насичення киснем та від утворення оксидів. Тому для отримання якісного зварного з'єднання виробляють розкислення та легування наплавленого металу.
- відновленням заліза з його закису зарахунок окислення інших елементів;
- з'єднанням кисню з елементами-розкислювачами;
- зв'язуванням закису заліза в силікати та титанати, нерозчинні у залозі.
Розкислення марганцем і кремнієму вигляді феросплавів (феромарганець, феросиліцій), що входять до складу обмазок та флюсів.
Закис марганцю МnО, що утворюється, легко реагує з кислими оксидами, наприклад, з кремнеземом силікат марганцю МnО • Si02, що переходить у шлаки, із закисом заліза FeO — у розчини.
Окис кремнію Si02 (кремнезем) нерозчинний у залізі, легко вступає в комплексні сполуки з основними оксидами (типу FeO), із закисом заліза утворює нерозчинний у металі силікат закису заліза FeO • Si02, що переходить у шлак.
Реакції розкислення заліза марганцем та кремнієм:
де індекси "мет" і "шл" означають "у металі" і "в шлаку".
Розкислення титаном проводиться введенням до складу обмазок та флюсів титану у вигляді феросплавів (ферротитан).
Реакція розкислення заліза титаном:
2FeO + Ti = 2Fe + TiO2.
Окис титану перетворюється на шлак у складі комплексних сполук. Титан утворює з азотом стійкі сполуки - нітриди титану, які не розчиняються в металі.
Розкислення алюмініємяк найбільш сильним розкислювачем проводиться невеликими його кількостями для остаточного видалення закису заліза з металу шва або зменшення окислення інших розкислювачів.
При окисленні алюмінію утворюється його окис Аl2O3 (глинозем), яка має високу температуру плавлення, не розчинна в рідкому металі і повільно видаляється в шлак, тому зварний шов може бути забруднений неметалевими включеннями.
Легування металу швапроводиться для відновлення хімічного складу та покращеннямеханічних властивостей легуючими елементами, такими як нікель, мідь, кобальт, для яких залізо грає роль розкислювача, що оберігає їх від окиснення.
При ручному дуговому зварюваннінизьковуглецевих і низьколегованих сталей застосовують марганець і кремній як легуючі елементи, які входять до складу покриттів електродів у вигляді феросплавів.
Сіркау металі шва погіршує механічні властивості металу шва і є однією з причин червоноламкості та появи тріщин у процесі зварювання. У наплавлений метал вона може потрапити з основного і електродного металів, електродного покриття і флюсів.
У металі шва сірка може бути у вигляді сульфітів марганцю і заліза (MnS, FeS), з яких особливо негативно діє сульфіт заліза, що розчиняється в рідкому металі і погано розчиняється в шлаках. Сірчисте залізо при кристалізації залишається в прошарках між кристалами сталі за межами зерен металу.
Для нейтралізації сірчистого заліза в металі шва покриття і флюси вводять марганець і вапно (СаО), що утворюють нерозчинні в рідкому металі сульфіти, що переходять в шлак. При цьому відбуваються реакції:
FeS + Mn = MnS + Fe; FeS + СаО = FeO + CaS; FeO + Mn = MnO + Fe.
Фосфору зварному шві знижує механічні властивості, підвищує крихкість у холодному стані та неоднорідність металу шва. Фосфор у сталі утворює фосфіди заліза за реакціями:
3Fe + Р = Fe3P та 2Fe + Р = Fe2P.
Фосфіди заліза частково розчиняються у сталі за високих температур.
У процесі зварювання фосфор може видалятися шляхом його зв'язування в міцні хімічні сполуки за реакціями:
Фосфорний ангідрид Р2О5 переходить у шлаки і відбувається видалення фосфору з металу.