Взаимодействие металла со шлаками.
Шлаками называют расплавы неметаллических соединений — оксидов, галлоидов, сульфидов и т. д., как свободных, так и образующих комплексные соединения. В условиях сварки шлаки образуются при расплавлении сварочного флюса, электродного покрытия, сердечника порошковой проволоки, а также могут появляться самопроизвольно, например в результате взаимодействия металла с защитной средой.
Химическое воздействие расплавленного шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями.
Критерием основности (В) или кислотности (К) шлака на основе молекулярной теории строения его служит отношение компонентов, входящих в состав данного шлака:
![B = delim{[}{sum{i=1}{q}{(RO)_i}}{]} / delim{[}{sum{k=1}{m}{(RO_2)_k}}{]}~~~~(1) B = delim{[}{sum{i=1}{q}{(RO)_i}}{]} / delim{[}{sum{k=1}{m}{(RO_2)_k}}{]}~~~~(1)](../img/math_923_af3dba29b3131c1abcb097d5cdc68342.png)
где m, q — количество кислых и основных оксидов в составе шлака соответственно;
(RO)i — концентрация основных оксидов в составе шлака, например CaO, MgO, MnO, FeO н т. д.;
(R02)K — то же, кислых оксидов, например Si02, ТiO2, Zr02 и т. д.
Шлаки считаются кислыми при В < 1, основными — при В < 1 и нейтральными — при В = 1. Эта классификация в определенной мере формальна. Физический смысл понятия основности шлака состоит в оценке активности иона кислорода. Чем выше основность шлака, тем больше активность иона кислорода О-2, т. е. тем больше свободных ионов кислорода.
В настоящее время наиболее часто употребляется формула, принятая Международным институтом сварки (МИС):

где CaO, MgO, Аl203, Li02 и т. д. — содержания компонентов шлака, % (по массе).
Имеется более точное выражение этой формулы

Несмотря на ионную природу шлаков, все расчеты химического взаимодействия между шлаком и металлом преимущественно базируются на молекулярной теории. Это связано с тем, что большинство термодинамических и металлургических данных о взаимодействии шлака и металла построено именно на базе названной теории.
Процессы окисления расплавленного металла и ферросплавов шлаком можно описать следующими реакциями:
![(FeO) + delim{[}{Mn}{]} leftright (MnO) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(4) (FeO) + delim{[}{Mn}{]} leftright (MnO) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(4)](../img/math_985.5_4d9db2f6910691e0744d0312a0bf8c3a.png)
![2(FeO) + delim{[}{Si}{]} leftright (SiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(5) 2(FeO) + delim{[}{Si}{]} leftright (SiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(5)](../img/math_974.5_3a1314bc8572f3d2314e9ba6ba77846c.png)
![(Fe_2 O_3) + 3 delim{[}{Mn}{]} leftright 3(MnO) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(6) (Fe_2 O_3) + 3 delim{[}{Mn}{]} leftright 3(MnO) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(6)](../img/math_974.5_4f0ac584e6fb014aea8deb9b9c18c2b6.png)
![2(FeO) + delim{[}{Ti}{]} leftright (TiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(7) 2(FeO) + delim{[}{Ti}{]} leftright (TiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(7)](../img/math_974.5_085e74c619c9c49f8f3e61ade32e9b5f.png)
![(Fe_2 O_3) + 2 delim{[}{Al}{]} leftright (Al_2 O_3) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(8) (Fe_2 O_3) + 2 delim{[}{Al}{]} leftright (Al_2 O_3) + 2 delim{[}{Fe}{]}~~~~(8)](../img/math_973.5_77e7a60c694f70d4001e9326f39b706a.png)
Если в покрытие или керамический флюс введено сразу несколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду. По степени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в состав электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Ca → Al → Ti → Si → Mn → Fe.
Для оценки химической активности сварочных шлаков удобнее всего использовать суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе. Указанный кислород должен быть связан с химическим составом шлака выражением вида
![delim{[}{O}{]} = f(sum{i=1}{n}{A_i})~~~~(9) delim{[}{O}{]} = f(sum{i=1}{n}{A_i})~~~~(9)](../img/math_963_b198680726ab788be78cb8570b386e6c.png)
где At — относительная химическая активность оксида, способного к восстановлению в сварочной ванне;
n — число оксидов в составе шлака, способных к восстановлению в сварочной ванне.

С учетом того обстоятельства, что химическая активность кислого оксида определяется как

а основного оксида

суммарную химическую активность шлака можно переписать:
![A_ф = delim{(}{sum{i=1}{m}{(RO_2)_i + B^2} sum{k=1}{q}{(RO)_k}}{]} / (100B)~~~~(10) A_ф = delim{(}{sum{i=1}{m}{(RO_2)_i + B^2} sum{k=1}{q}{(RO)_k}}{]} / (100B)~~~~(10)](../img/math_971_d089eb7bfb9c6f482cd9c1deccc78640.png)
где m и q — количества кислых и основных оксидов соответственно;
(RO2) и (RO) — концентрации кислого и основного оксидов в составе шлака;
В — основность шлака, определяемая по уравнению (3).
В конкретизированном виде уравнение (9) принимает вид:
где (Si02), (Ti02) и т. д. — содержание компонентов шлака, % (по массе).
Корреляционная зависимость содержания кислорода в наплавленном металле от коэффициента относительной химической активности шлака при сварке под флюсом, найденная на основе экспериментальных данных, представлена на рис. 1.