. .1. Kh i niệm về ỉ hàn
Khái niệm: X hàn là những hợp chất phi kim n ng chảy, ao gồm các ôx t, các florua, clorua, sunfat, … ở dạng đ n chất hay ph c chất.
Đặc điểm: x hàn không hoà tan trong kim loại (trừ trường hợp ị lẫn vào kim loại như tạp chất). Cho nên ở trạng thái n ng chảy, kim loại và x hàn là những pha lỏng không hoà tan lẫn nhau, do sự khác nhau về cấu trúc,trọng lượng riêng và s c căng ề m t,…
Các tính chất của xỉ hàn:
+ T nh chất vật l gồm c : Nhiệt độ n ng chảy, trọng lượng riêng, độ nhớt (ph thuộc vào nhiệt độ), t nh dẫn nhiệt ở trạng thái n ng chảy, hệ số giãn nở nhiệt,..
+ T nh chất hoá học: Độ hoạt t nh hoá học, t nh axit( az ), khả năng tư ng tác với kim loại,…
. . . C c tính chất của ỉ hàn
- Tính axit (bazơ) của xỉ hàn.
T nh axit của x hàn c thể được đánh giá theo hệ số axit và xác định theo công th c sau (G.L.Petrov) ) ( 2 2 RO O R RO A (2.1)
ở đây ∑RO2 – Tổng số các phân t của các ôxit, axit trong x hàn, mol; ∑(R2O + RO) – Tư ng tự của các ôxit az , mol.
C n hệ số az B là tỷ số nghịch đảo của hệ số axit (B= 1𝐴)
Đôi khi c n s d ng các công th c khác (theo ph n trăm khối lượng, theo tỷ lệ của ôxit silic với ôxit canxi,…) để t nh hệ số axit hay az , tuy vậy đ cũng ch là những đánh giá g n đúng. Và đều coi khi >1 (tư ng ng với B<1) là x axit. Tuy nhiên hệ số axit của x ch được thể hiện ởi lượng các ôxit tự do c thực trong n .
V d : x ch a 50%SiO2 và 50%FeO hệ số axit sẽ ằng 1, t c là x trung t nh. Nhưng thực tế n mang t nh axit , ởi v trong x không ch tạo nên SiO2.FeO, mà còn có SiO2.(FeO)2, kết c c có một lượng nhất định SiO2 tự do.
Để đ n giản ta bỏ qua ảnh hưởng của ôxit titan TiO2, khi đ hệ số axit được tính ch nh xác h n:
A=(%SiO2)𝑎%𝐶𝑎𝑂+𝑏%𝑀𝑔𝑂+𝑐%𝑀𝑛𝑂+𝑑(𝐹𝑒𝑂)′ ( 2.2)
Trong đ : a, ,c,d là các hệ số không lớn h n 1, c t nh đến ái lực khác nhau của các ôxit az đối với SiO2.
Đối với các x hàn được s d ng trong hàntự động dưới ớp thuốc ch a SiO2 (từ 2÷48%mol phân t , CaO, MgO, một lượng không lớn MnO, FeO, c n CaF2 (từ 2÷48%mol) khi x l số liệu thực nghiệm với thép các on thấp IU.I.SKatov đã t m được giá trị của các hệ số này như sau:
a=1; b=0,5; c=0,37; d=0,26.
Các ôxit lưỡng t nh trong các trường hợp khác nhau c thể sẽ thể hiện t nh az (khi tạo ra các ph c chất với các ôxit axitkhi đ c n dư ôxit az ) ho c thể hiện t nh axit khi thiếu ôxit az .
X hàn c thể là chất oxi hoá ho c chất kh kim loại, và n c thể làm thay đổi hàm lượng các tạp chất (lưu huỳnh, phốt pho,…) trong thành ph n kim loại.
C n hiện naytheo I.U.ZeKe c đến hang ch c công th c để t nh độ axit hay az của x hàn, trong đ c xét đến khả năng tạo thành các ph c chất khác nhau trong x hàn.
Các công th c này c thể được chia thành hai nh m lớn. nh m th nhất tư ng tự (3.32) dự trên c sở lý thuyết phân t của x hàn. Trong số các công th c của nhóm này phổ biến nhất là công th c của Viện hàn Quốc tế [10]:
B=𝐶𝑎𝑂+𝑀𝑔𝑂+𝐵𝑎𝑂+𝑁𝑎2𝑂+𝐾2𝑂+𝐿𝑖2𝑂+𝐶𝑎𝐹2+0,5(𝑀𝑛𝑂+𝐹𝑒𝑂)/𝑆i𝑂2+0,5(𝐴𝑙2𝑂3+𝑇𝑖 𝑂2+𝑍𝑟𝑂2) (2.3)
Trong đ : CaO, MgO, Al2O3, LiO,… - hàm lượng của các cấu t trong x hàn, %. ho c công th c này được bểu diễn ở dạng ch nh xac h n:
B=0,18𝐶𝑎𝑂+0,015𝑀𝑔𝑂+0,014(𝑁𝑎2𝑂+𝐾2𝑂)+𝐿𝑖2𝑂+0,006𝐶𝑎𝐹2+0,007(𝑀𝑛𝑂+𝐹𝑒)/0.017
𝑆𝑖𝑂2+0,005(𝐴𝑙2𝑂3+𝑇𝑖𝑂2+𝑍𝑟𝑂2) (2.4)
Nh m công th c th hai dựa trên c sở l thuyết ion về x hàn. Các ch số c ản của các công th c này :
B=𝑁𝐶𝑎𝑂+NMgO+NMnO+NFeO-2NSiO2-4NP2O5-NFe2O3-NAl2O3;
𝑁𝑂2−=NCaO+NMgO+NMnO-2NSiO2-3NP2O5-NFe2O3-NAl2O3; (2.5)
Trongđ : N là số phân CaO, MgO, SiO2, .... Hoạt t nh hoá học của x hàn:
Hoạt t nh hoá học của x hàn được đánh giá theo khả năng oxi hoá chung của các ôxit và được iểu diễn ởi tổng số lượng ôxit tham gia vào các phản ng ôxi hoá – kh ở ề m t phân pha. Tuy nhiên lượng ôxit kể trên có quan hệ với thành ph n của x hàn được bểu diễn ở dạng:
[O] = f{𝑖=1𝑛𝐻𝑖} (2.6)
ở đây Hi – hoạt t nh hoá học tư ng đối của ôxit, c khả năng hoàn nguyên trong vũng hàn;
n – số các ôxit trong thanh ph n của thuốc – x hàn c khả năng hoàn nguyên trong vũng hàn.
Nếu coi hoạt t nh hoá học của ôxit axit được xác định như Ha = (RO2)/100B còn hoạt t nh hoá học của ôxit az Hb = (RO)B/100, th hoạt t nh hoá học của thuốc – x hàn theo phư ng tr nh (2. 3) có thể được biểu diễn lại ở dạng sau đây:
H ={𝑖=1𝑚𝑅𝑂2+𝐵2 𝑗=1𝑞(𝑅𝑂)𝑗/100𝐵)} (2.7)
Trong đ : m và q – là số lượng của ôxit axit và az ;
𝑅𝑂2, 𝑅𝑂 – hàm lượng của oxit axit và az trong thành ph n thuốc–x hàn;
𝐵− hệ số az của thuốc –x hàn, được xác định theo phư ng tr nh (2. 1).
C thể hoá phư ng tr nh ( 2.7 ), độ hoạt tính hoá học H của thuốc hàn – x hàn có dạng:
H=𝑆𝑖𝑂2+0.5𝑇𝑖𝑂2+0,4𝐴𝑙2𝑂3+𝑍𝑟𝑂2 +0,4𝐵2(𝑀𝑛𝑂)100𝐵
Trong đ : (SiO2), (TiO2),…- hàm lượng các hợp chất của thuốc - x hàn %.
Sự ph thuộc tư ng quan của hàm lượng ôxi trongkim loại đắp vào hệ số hoạt t nh hoá học của thuốc – x hàn, t m được trên c sở các số liệu thực nghiệm, dẫn ra trên h nh 2.2. G c nghiêng của đồ thị với tr c hoành ph thuộc vào chế độ hàn. Khi dung d ng điện hạn chế và điện áp nâng cao gọc nghiêng của n sẽ lớn h n, c n ở chế độ hàn tăng cường g c nghiếngẽ nhỏ h n. Trong thực tế hệ số hoạt t nh hoá học của toàn đủ để đ c trưng cho khả năng ôxi hoá của thuốc – x hàn.
[0],%
Hình 2.2. Hàm lượng oxi trong kim loại đắp phụ thuộc vào hệ số hoạt tính hoá học của thuốc-xỉ hàn khi hàn ở chế độ hàn trung bình
trên thép các bon và thép hợp kim thấp
Theo các giá trị của độ hoạt t nh hoá học thể phân chia các thuốc hàn – x hàn nung chảy hệ silic – mangan thành 4 nh m sau đây:
Hoạt t nh cao (H>0,6); Hoạt t nh trung nh (H=0,6÷0,3); Hoạt t nh thấp (H=0,3÷0,1); Hoạt t nh rất thấp (x tr ) (H<0,1). Độ nhớt (độ sệt) của xỉ hàn: 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0 0.1 0.3 0.5 0.7 H
Ta sẽ khảo sát quan hệ giữa độ nhớt, nhiệt độ kết tinh và cấu trúc của thuốc hàn- x hàn.Một trong những t nh chất quan trọng của x hàn đ là độ nhớt của n ở trạng thái n ng chảy. Khi ở nhiết độ cao x hàn ở trạng thái lỏng và c kực tư ng tác tĩnh điện giữa các ph n t ở g n nhau yếu đi rõ rệt, t nh dẫn điện tăng, lúc đ độ nhớt của x lỏng chủ yếu được xác định ởi k ch thước của các nh m anion lớn nhất.
Trong quá tr nhn ng chảy mạng tinh thể của silicat và nhôm – silicat là nền của thuốc hàn – x hàn nung chảy ở trạng thái rắn, sẽ ị phá huỷ do ị đ t các lien kết yếu nhất giữa các ation của các ôxit nhôm – silic và ôxit silic. Do lien kết Si-O và Al – O là các liên kết ền nhất trong các silicat và nhôm – silicat, cho nên c thể coi độ nhớt của x lỏng n ng chảy sẽ được xác định ởi các nh m anion Si-O và Al-Si-Otheo các k ch thước của chúng. Thành ph n và tổ ch a của các nh m này ở g n đường lỏng giống thành ph n các anion gốc – pha tinh thể (m m tinh thể) được tiết ra từ pha x lỏng.
Ôxit silic n ng chảy c độ nhớt lớn nhất và tổ ch c xư ng cá ( a chiều). Độ nhớt của SiO2 ở 18000C g n ằng 105Pa.S, c n khi quá nhiệt đến 21500
C làn104Pa.S và ở 23500C g n ằng 103
Pa.S.
Độ nhớt cao của ôxit silic n ng chảy ch ngtỏ độ ền ên trong của liên kết cũng như độ ền giữa các gốc O-Si-O nối với nhau ằng c u trung gian -O- ôxit sắt nguyên chất thực tế không phân ly thành các ion và không là chất điện ly, tuy nhiên khi ổ sung các ôxit az , n trở thành chất dẫn điện và độ nhớt của n giảm rõ rệt khi tăng tỷ lệ O : Si do ổ sung các ôxit az làm phá huỷ các liên kết
Hình 2.3 Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1400°C, poa
Độ nhớt của x hàn hệ ch a cao lanh (ôxit nhôm) tăng khi c các chất kiềm. Điều này có liên quan đến việc tạo thành nhôm - silicat kiềm c tổ ch c h nh xư ng cá. Trong trường hợp không c cao lanh trong x hàn, các chất kiềm c tác d ng làm giảm độ nhớt và giảm nhiệt độ kết tinh của x n ng chảy, do kiềm sẽ làm đ n giản hoá tổ ch c và tạo thành các silicat kiềm dễ n ng chảy.
X hàn n ng chảy giàu các oxit az khi tỷ số O: Si ≥ 3, tổ ch c của n là các dạng đ n giản nhất của các nh m anion SiO44−, (Si,Al)O7 6−, (Si3O96−), cho thấy độ nhớt t thay đổi khi tăng nhiệt độ (x ngắn) (h nh 2.3).
Độ nhớt của x hàn giảm khi ổ sung CaF2 do tạo với hợp chất ch a F và mang điện t ch F-1, thay cho nguyên t ôxi hoá trị hai chưa ão h a trong tổ hợp Si-O như một khối ho c đ ng gốc Si-O, khi đ làm giảm s c căng của n .
Các số liệu về thành ph n của x hàn lúc kết tinh, sự thay đổi của thành ph n của n dưới tác d ng của tỷ số Cao: SiO2 và hàm lượng của l2O3, MgO cùng với việc nghiên cúu các t nh chất vật l của x hàn n ng chảy cho phép giải th ch ảnh hưởng của các chất az đến độ nhớt và nhiệt độ kết tinh x hàn thực.
Khi tăng tỷ số CaO: SiO2 sẽ làm đ n giản hoá cấu trúc của các nh m anion tồn tại trong x rắn, do sự thay đổi cấu trúc xư ng cá và mắt x ch của các gốc anion ằng nhóm đ n giản h n. Việc h nh thành tổ ch c các anion ph c chất một cách đ n giản h n sẽ làm giảm độ nhớt của x n ng chảy. Ngoài ra, khi tăng tỷ số CaO: SiO2 sẽ làm tăng nhiệt độ n ng chảy cuủa các pha khoáng chất do tăng nhiệt độ kết tinh của x n ng chảy.
Việc thay thế CaO ằng MgO sẽ làm tăng t nh az của x và làm đ n giản hoá tổ ch c của x n ng chảy, cũng như làm giảm nhiệt độ kết tinh, ởi khi thay thế các silicat caxi c nhiệt độ n ng chảy cao (CaO.SiO2,Tnc=15400C và 2CaO.SiO2, Tnc=21300C) ằng các silicat canxi – magiê c nhiệt độ n ng chảy thấp h n (CaO.MgO.2SiO2, Tnc=13910C; 2MgO.SiO2,Tnc=18700C).
Cho đến nay vẫn c kiến cho rằng: Ti4+ c khả năng thay thế Si4+ và tác d ng của điôxit ti tan tưong tự như ôxit silic. Tuy nhiên, TiO2 khác với SiO2 ở chỗ n làm giảm độ nhớt của x hàn.
M c dù c công th c hoá học giống nhau giữa TiO2 và SiO2, nhưng nghĩa quyết định ở đây không phải là t nh đồng h nh hoá trị mà là sự khác nhau trong các nh m phối tr . Titan khác với silic trong olivine (Mg,Fe)2SiO4 và piroxen được phát hiện trong x hàn nằm ở dạng TiO6 và không thay thế cho anion silicat (SiO4) mà là thay thế cho nh m (MgO6) và tác d ng của n tư ng tự như magiê. Độ nhớt thấp của các x hàn titan và khả năng kết d nh cao của chúng ch ng tỏ trong x lỏng không tồn tại các nh m anion với sự tham gia của titan [10].
Một khái niệm c liên quan với độ nhớt của x hàn, đ là nhiệt độ n ng chảy của thuốc – x hàn. Đối với x hàn khái niệm nhiệt độ n ng chảy ch là quy ước. Bởi v độ nhớt của x hàn thay đổi từ lớn đến é trong một khoảng nhiệt độ nào đ .
X dài: Là loại x hàn c sự thay đổi của độ nhớt xảy ra trong khoảng nhiệt độ rộng và từ từ.
Đường đ c trưng định t nh về sự thay đổi độ nhớt của hai loại x này được dẫn ra trên hình 2.4
Hình 2.4. Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ 1-xỉ dài; 2- xỉ ngắn
Các x ngắn thường là x az . Chúng chuyển đổi từ trạng thái đông đ c sang trang thái đông đ c rất nhanh. Đ c điểm công nghệ này cho phép hàn những mối hàn leo, hàn đ ng.
Các x hàn dài thường là x axit. Chúng đông đ c từ từ và nhận được trạng thái vô định h nh khác nhau (thuỷ tinh thể).
Để nhận được các t nh chất kim loại mối hàn c n thiết và đảm ảo tạo dáng mối hàn, các t nh chất của x hàn đ ng vai tr rất quan trọng.
0 4 3 5 2 1 900 1000 1100 1200 1300 T, 0C ,po an3 1 2
Để đảm ảo sự tư ng tác của kim loại và x hàn ở trạng thái n ng chảy và x hàn phủ k n toàn ộ ề m t vũng hàn th nhiệt độ n ng chảy của x Tnc x phải thấp h n một t ho c g n ằng nhiệt độ nống chảy của kim loại Tnc kim loại.
Nếu Tnc x << Tnc kim loại th x sẽ ị quá nhiệt mạnh, sẽ chảy loang xa mép hàn, ngoài giới hạn vũng hàn ch c n lại một lớp mỏng trên ề m t vũng hàn c thể ị sôi . Tất cả những điều này sẽ làm hạn chế tác d ng ảo vệ của n . Khi hàn thép như thực tế cho thấy , hợp l nhất là dung các loại x hàn c nhiệt độ n ng chảy thấp h n nhiệt độ n ng chảy của kim loại khoảng từ 200÷ 3500
C[8]
Giá trị độ nhớt của x hàn trong vùng nhiệt độ vũng hàn và sự kết tinh của n là một đ c t nh rất quan trọng. Độ nhớt nh thường của kim loại n ng chảy là ηkl=0,01÷0,02n3, x hàn c n phải c độ nhớt lớn h n đáng kể đọ nhớt của kim loại n ng chảy. Đối với hàn thép độ nhớt của x th ch hợp là ηx =0,8÷0,3n3. Nếu x c độ nhớt quá cao cũng không c lợi đối với m c đ ch hàn.
Trong nhiều trường hợp, để làm giảm độ nhớt của x hàn thường ổ xung CaF2 ,TiO2 …những chất ổ sung này c thể thực hiện đồng thời nhiều ch c năng.
Một số đặc tính khác của xỉ hàn:
+ S c căng ề m t phân pha kimloại n ng chảy- x hàn n ng chảy là một đ c t nh quan trọng của x hàn, giúp ch cho việc tạo dáng ề m t mối hàn ở các tư thế không gian hàn khác nhau, ảnh hưởng đến sự phân pha của x với kim loại - tránh lộn x trong kim loại n ng chảy, giúp cho hàn ngấu ph n ph a dưới vũng hàn (chẳng hạn khi hàn dung lớp thuốc l t ở dưới khe hở hàn).
Sự phân pha của x hàn và kim loại n ng chảy ph thuộc nhiều vào tỷ trọng cũải, hay n i ch nh xác h n ph thuộc vào sự khác nhau giữa tỷ trọng của x n ng chảy và tỷ trọng của kim loại lỏng. khi tăng sự khác nhau này (t c là khi tỷ trọng của x thấp) x dễ nổi lên khỏi vũng hàn.
+ Độ thẩm thấu kh của x hàn: đây cũng là một đ c t nh quan trọng, tuy nhiên n t được nghiên c u. Một trong những nhiệm v của x là ảo vệ kim loại vũng hàn khỏi
x mạnh nhất, rồi đến ôxi và nit . Do vậy phải c iện pháp ảovệ ổ sung nếu xét thấy c n thiết, chẳng hạn khi hàn titan.
. . . Phân loại ỉ hàn
Có nhiều cách phân loại x hàn, sau đây sẽ giới thiệu những cách phổ biến nhất:
a) Phân loại theo tính a it hay bazơ:
Căn c theo các giá trị t nh độ axit hay az theo các công th c (2.1), (2.3), c thể chia x hàn thành các laọi chủ yếy sau đây:
+ X axit với B < 1 + X az với B > 1