2.5.1. Tương tỏc giữa xỉ và kim loại
Trong khi hàn thuốc núng chảy tạo xỉ và tương tỏc với kim loại núng. Thời gian tương tỏc của chỳng rất ngắn và tựy theo diều kiện hàn, nú cú thể từ 10-15 giõy đến 1 phỳt. Khi kim loại và xỉ đụng đặc thỡ quỏ trỡnh tương tỏc dừng. Tuy thời gian tương tỏc rất ngắn nhưng sự tương tỏc xảy ra rất mạnh. Nú được kớch thớch bởi nhiệt độ cao mà xỉ và kim loại được đốt núng, bởi bề mặt tiếp xỳc lớn của xỉ và kim loại và bởi lượng xỉ khỏ lớn chiếm trung bỡnh 30-40% trọng lượng kim loại. Cỏc phản ứng tương tỏc xỉ - kim loại là phản ứng trao đổi hoặc phản ứng phõn tớch của nguyờn tố giữa xỉ và kim loại. Cỏc phản ứng phõn tớch cú thể viết dưới dạng phõn tử hoặc ion tựy thuộc vào cấu trỳc xỉ núng chảy. Chẳng hạn, cỏc phản ứng khử Si và Mn từ xỉ do tỏc dụng của sắt, theo lý thuyết phần tử về cấu trỳc xỉ, biểu diễn như sau:
(SiO2 + 2 [FeO] ⇔ 2 (FeO) + [Si] (2.23) (MnO + [Fe] ⇔ (FeO) + [Mn] (2.24) Ở đõy và cả sau này, cỏc ký hiệu múc vuụng là pha kim loại, cũn múc đơn thường là pha xỉ. Dưới dạng ion cỏc phản ứng này như sau:
(Si4+) + 2[Fe] ⇔ 2 (Fe2+) + [Si] (2.25) (Mn2+) + [Fe] ⇔ 9 (Fe2+) + [Mn] (2.26) Từ cỏc phương trỡnh trờn ta thấy rằng, sự khỏc nhau giữa viết dạng phõn tử và ion là ở chỗ, nếu ta cho rằng cỏc phõn tử của cỏc oxyt tự do cú mặt trong xỉ và phản ứng với kim loại, hoặc rằng cỏc ion cú mặt trong xỉ và tỏc dụng với kim loại. Cỏc mũi tờn trong cỏc phương trỡnh phản ứng chỉ rằng sự tương tỏc cú thể theo 2 chiều. Ở nhiệt độ cao cỏc phản ứng chủ yếu diễn ra từ trỏi sang phải (Si và Mn chuyển từ xỉ vào kim loại). Khi nhiệt độ giảm Mn và Si bị oxy húa và chuyển vào xỉ.
Chiều của cỏc phản ứng cũng phụ thuộc vào nồng độ (hay hoạt tớnh) của cỏc chất tham gia phản ứng. Khi bể hàn chứa Mn và Si nhiều, khi khụng cú MnO và SiO2 hoặc cú nhiều FeO trong xỉ, sự oxy húa Mn và Si cũng cú thể xảy ra ở nhiệt độ cao của bể hàn.
Lượng Si chuyển vào mối hàn tỉ lệ vơi lượng SiO2 trong thuốc (h.1.1) Khi lượng SiO2 bằng nhau sự chuyển Si thay đổi. FeO và CaO trong thuốc càng cao, sự chuyển càng thấp. Sự tăng lượng Si trong dõy và trong kim loại cơ
Sự chuyển Si từ thuốc vào kim loại bề hàn ngăn chặn sự tạo bọt do CO bị phõn hủy khi hàn thộp cacbon sụi và nửa lắng làm giảm rỗ khớ khi hàn thộp cacbon lắng.
Lượng MnO trong thuốc càng cao thỡ lượng Mn chuyển vào bề hàn càng nhiều. Sự tăng lượng Mn trong kim loại theo cỏc phản ứng (2..24) và (2.26) làm tăng khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn thộp cacbon. Khi hàn với thuốc mangan tự do silic cao, mangan trong kim loại bị oxy húa theo phản ứng.
2 [Mn] + (SiO2) ⇔ 2(MnO) + [Si] (2.27)
Dõy cacbon thấp với 1,5 – 3,0% Mn được dựng để đảm bảo lượng mangan cần thiết cho kim loại mối hàn khi hàn tự động dưới thuốc trờn.
Lưu huỳnh là nguyờn tố gõy ảnh hưởng rất xấu cho khả năng chống nứt kết tinh của kim loại, vỡ vậy bằng mọi cỏch phải hạn chế nú. Khi hàn với thuốc axit, lưu huỳnh bị phõn hủy giữa xỉ và kim loai theo phản ứng:
[FeS] ⇔ (FeS) (2.28) [MnS] ⇔ (MnSO) (2.29)
Hỡnh 2.5. Đồ thị lượng Si chuyển từ thuốc vào mối hàn phụ thuộc vào lượng SiO2 trong thuốc (theo D.M. Kushnerev)
34 38 42 46
0.10,2 0,2
0,020.01 0.01 30 20 10 0 0,03
Hỡnh 2.6. Đồ thị lượng lưu huỳnh chuyển từ thuốc vào mối hàn phụ thuộc vào lượng MnO trong thuốc (theo D.M. Kushnerev).
Hỡnh 2.7. Đồ thị lượng P chuyển từ thuốc mangan silic cao vào mối hàn phụ thuộc lượng P trong thuốc (theo D.M. Kushnerev).
Để giảm rỗ người ta đưa vào thành phần thuốc cỏc chất canxiflua; sấy thuốc cẩn thuận trước khi hàn v.v.. Khớ silicflua là thành phần liờn kết hydro HF cú hiệu quả nhất. Do vậy lượng CaF2 và SiO2 trong thuốc càng cao và lượng
0,03
0 0,05 0,1 0,15
0.010,02 0,02
CaO, Na2O, K2O càng thấp thỡ lượng HF trong vựng hồ quang càng lớn và mối hàn càng ớt rỗ.
Quỏ trỡnh khử silic theo cỏc phản ứng (2.23) và (2.25) và sự đưa silic vào bề kim loại từ cỏc nguồn khỏc là cực kỳ quan trọng để nhậ được mối hàn chất lượng khi khi hàn thộp sụi và ẵ lắng.
Cỏc tớnh chất cơ học cho yờu cầu của mối hàn núi chung được đảm bảo bằng việc thực hiện cỏc mối hàn khụng cú khuyết tật với thành phần húa học theo yờu cầu. phản ứng khử photpho là cần thiết đối với cỏc tớnh chất cơ học của mối hàn.
Al2 O3 + 5 [Fe] ⇔ 5(FeO) + 2[P] (2.30)
Vỡ photpho là tạp chất nờn phải hạn chế nú tới mức ớt nhất ở trong thuốc để đưa phản ứng này theo chiều ngược. Sự oxy húa photpho và chuyển nú từ kim loại vào xỉ cú thể xảy ra khi hàn thuốc bazơ oxy húa, nhưng chỉ sau khi oxy húa tất cả cỏc nguyờn tố hợp kim.
Hỡnh 2.7 chỉ tỏc dụng của photpho trong thuốc đối với sự chuyển của nú vào kim loại mối hàn. Sự chuyển photpho từ dõy hàn và kim loại cơ bản vào mối hàn cũng tương tự. Lượng photpho trong kim loại cơ bản và trong dõy càng cao thỡ lượng photpho chuyển từ thuốc vào mối hàn càng thấp vỡ phản ứng (2.30) sẽ xảy ra chậm. Sự tăng mức độ oxy húa của thuốc và sự tăng FeO trong thuốc co ảnh hưởng tương tự.
Sự tạo thành mối hàn phụ thuộc trước hết vào chế độ hàn, sự đồng nhất của kim loại núng chảy và trạng thỏi của bề hàn. “Sự sụi” của bề hàn do cacbon chỏy và cỏc khớ hũa tan trong kim loại làm giảm chất lượng tạo mối hàn. Sự tăng mức độ oxy húa thuốc làm cho cacbon bị oxy húa mạnh cũng làm giảm chất lượng tạo mối hàn. Trong trường hợp này xỉ tạo nhiều làm cho quỏ trỡnh hàn khú khăn hơn. Sự tạo mối hàn chất lượng được đảm bảo bởi độ sệt của thuốc.
Mối hàn tạo dỏng đẹp khi xỉ khụng chảy. Nếu khi hàn xỉ chảy tràn thỡ nú kộo theo sự chảy của kim loại gõy hiện tượng cỏn mộp hoặc tràn. Bản chất sự tạo mối hàn phụ thuộc vào cỏc đặc tớnh của thuốc sử dụng. Hỡnh 2.8 chỉ cỏc đường cong độ nhớt (sệt) phu thuộc nhiệt độ của 2 loại thuốc núng chảy. Đối với thuốc “ngắn” đoạn dốc của đường cong giảm rất nhanh. Độ nhớt của dốc “dài” thay
đường kớnh nhỏ, như hàn đắp cỏc chi tiết hỡnh trụ kớch thước nhỏ vỡ khớ sử dụng chỳng xỉ đụng đặc nhanh ngăn chăn được sự chảy khỏi bể hàn.
Lượng CaF2 trong thuốc mangan silic cao càng cao thỡ khả năng chống rỗ của kim loại mối hàn càng lớn (Hỡnh 2.9) và càng nhiều chất bẩn cú thể cú mặt trong vựng hàn mà khụng sợ nguy cơ tạo rỗ. Tuy nhiờn tớnh ổn định của hồ quang và điều kiện vệ sinh lao động bị xấu đi.
2.5.2. Cỏc quỏ trỡnh luyện kim cơ bản khi hàn
Thực chất, quỏ trỡnh hàn xảy ra trong khoảng khụng gian rất nhỏ bao gồm: Đầu mỳt điện cực núng chảy, khoảng hồ quang và bể hàn trờn vật hàn, tại những vựng khỏc nhau của khoảng khụng gian này nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ
đụng đặc của kim loại tại bờ bể hàn đến nhiệt độ bay hơi tại cột hồ quang, tại
tõm hồ quang nhiệt độ cũn cao hơn. Khú cú thể xỏc định được chớnh xỏc sự phõn bố nhiệt độ tại khoảng hồ quang, mà giả sử xỏc định được cũng chỉ trong khoảnh khắc vỡ tại đõy luụn biến đổi do giọt kim loại điện cực tạo thành và chảy xuống chi tiết hàn và mặt bể hàn tạo song, tuy nhiờn đối với một phương phương phỏp hàn nào đú với cỏc thụng số hàn xỏc định cú thể nhận rằng.
Tại vựng hàn ở nhiệt độ cao hàng loạt cỏc nguyờn tử ở trạng thỏi tự do hoặc hốn hợp húa học từ vật liệu cơ bản, từ dõy hàn, thuốc hàn và từ khụng khớ bao bọc, tiếp xỳc với nhau. Cỏc nguyờn tố này ớt gần như ở trạng thỏi cõn bằng với nhau. Tại thời điểm hàn chỳng tiến tới xỏc lập một trạng thỏi cõn bằng mới theo
cỏc định luật húa học và lý học thớch ứng về tỷ lệ khối lượng và nhiệt độ. Sự
diễn biến của cỏc phản ứng rất phức tạp bởi nhiều pha và một thành phần xuất hiện ớt nhất trong số 2 pha. Tuy nhiờn, cũng giống trường hợp phõn bố nhiệt độ ở vựng hàn. Ở đõy cú thể nhận rằng trong những điều kiện hàn xỏc định trạng thỏi động học của sự cõn bằng húa học ở cỏc vựng được xỏc định.
Tuy nhiờn trong những điều kiện phức tạp ấy sự diễn biến của cỏc quỏ trỡnh lý húa phải tuõn theo cỏc định luật lý – húa bắt buộc. Dựa vào những định luật này cú thể phần nào đoỏn biết được sự diễn biến của cỏc phản ứng trờn cơ sở tớnh toỏn lý thuyết. Vỡ vậy sự hiểu biết cỏc cơ sở lý thuyết húa lý cho dự trong phạm vi tối thiểu, là cần thiết để giải quyết cỏc vấn đề về cỏc quỏ trỡnh luyện kim hàn.
Hỡnh 2.8. Đồ thị sự phụ thuộc của độ nhớt thuốc hàn vào nhiệt độ: a) thuốc “ngắn” b) thuốc “dài” (theo D.M. Kushnerev)
0,6 0 2 4 8 0 2 4 8 0,2 0,4 6 0,5 0,3 0,1 Rỗ Không rỗ
Hỡnh 2.9. Đồ thịảnh hưởng của CaF2 trong thuốc mangan silic cao đối với tớnh chống rỗ của mối hàn (theo D.M. Kushnerev) 2 1 1400 1300 1200 1100 4 3 1500 a b
Sự khử lưu huỳnh:
Lưu huỳnh ảnh hưởng rất bất lợi đến cỏc tớnh chất cơ học của thộp và là nguyờn nhõn gõy nhiều khuyết tật khỏc trong mối hàn. Trong thộp lưu huỳnh tồn tại dưới dạng FeS hoặc MnS. Dạng thứ nhất rất cú hại bởi một mặt FeS hũa tan trong thộp tới 5- 7%, mặt khỏc nú tạo cỏc cựng tớch núng chảy thấp, là nguyờn nhõn tạo nứt núng.
Sự khử lưu huỳnh cú thể tiến hành nhờ xỉ bazơ thụng qua sự liờn kết lưu huỳnh với mangan hoặc canxi tạo thành cỏc hợp chất lưu huỳnh bền vững hơn FeS. Sự khử lưu huỳnh nhờ mangan theo phản ứng
FeS + Mn ⇔ MnS + Fe (2.31) Và FeS + MnO ⇔ MnS + FeO (2.32)
Cả hai phản ứng theo chiều phải khi nhiệt độ thấp, và theo chiều trỏi khi nhiệt độ cao. Vỡ võy quỏ trỡnh khử lưu huỳnh cú thể xảy ra ở pha cuối cựng của sự hàn, nghĩa là tại những phần xa của bề hàn. Lượng FeS trong bề Kim loại ở những nhiệt độ khỏc nhau và lượng mangan khỏc nhau (bảng 2.1)
Bảng 2.1
Lượng FeS (%) trong kim loại trờn toàn bộ lượng hợp chất lưu huỳnh, khi Mn (%) Nhiệt độ oC 0,1 0,25 0,50 1,0 2 1600 1500 900 97,8 96,2 34,1 93,8 91,2 17,2 88,1 83,7 9,3 78,8 72,1 4,9 64,9 56,3 2,5
Từ bảng 2.1 ta thấy, để cú S với lượng ớt nhất trong thộp nhất thiết phải đưa vào thộp một lượng đủ Mn. Trờn cơ sở luyện thộp, tỉ số Mn: S = 22: 1 đảm bảo cho thộp khụng bị nứt núng. Ảnh hưởng của S và Mn đối với sự hỡnh thành cỏc vết nứt núng trong thộp theo (Hỡnh 2.10).
Khụng n?t N?t %Mn 0,80 0,60 0,40 %S 0.03 0,50 0,70 0,90 0.04 0,05 Hỡnh: 2.10. Đồ thị ảnh hưởng của S và Mn đối với sự tạo nứt của thộp (theo Pilarczyk)
Sự khử lưu huỳnh nhờ Ca đương nhiờn cũng chỉ tực hiện được khi cú xỉ bazơ theo phản ứng
FeS + CaO = CaS + FeO (2.33)
Hoặc MnS + CaO = CaS + MnO (2.34)
Sunfua canxi CaS là hợp chất rất bền vững và bắng cỏch này lưu huỳnh được liờn kết khụng thể quay lại bề kim loại.
Sự khử photpho
Nguyờn tố khụng mong muốn thứ hai là photpho. Photpho xuất hiện trong thộp dưới dạng Fe3P và Fe2P.
Loại trừ P bằng cỏch oxy húa nú, sau đú kết hợp oxyt thành liờn kết húa học bền vững và chuyển vào xỉ.
2Fe 2P + 5FeO = P 2O5 + 9 Fe (2.35) 2Fe 3P + 5FeO = P 2O5+ 11Fe (2.36) 3CaO + P 2O5 = 3CaO.P 2O5 (2.37) Hoặc 4CaO + P2O5 = 4CaO.P2 O5 (2.38) Nhằm khử P của thộp, xỉ cần chứa lượng dư CaO và phải oxy húa.
Vỡ hệ số cõn bằng giảm theo chiều tăng của nhiệt độ nờn quỏ trỡnh khử P xảy ra dễ dàng hơn ở phạm vi nhiệt độ thấp.