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:

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:

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

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

а основного оксида

суммарную химическую активность шлака можно переписать:

В конкретизированном виде уравнение (9) принимает вид:

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.