Chương 3: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT V Ề THUỐC HÀN GỐM
3.3.4. Lưu huỳnh (S)
Lưu huỳnh là nguyên tố tạp chất có hại nó làm cho mối hàn tăng khả năng nứt nóng trong quá trình hàn, ở nhiệt ñộ cao S liên kết với Fe tạo thành FeS cùng tinh dễ chảy ở 1195oC, các FeS này lại liên kết với Fe, FeO tạo thành các cùng tinh dễ chảy ở nhiệt ñộ thấp hơn. Do vậy lượng S trong thép cũng như trong mối hàn càng ít càng tốt, thông thường trong mối hàn S ≤ 0,035%.
Trong các nguyên liệu chế tạo thuốc hàn, trong nguyên liệu của mẻ thuốc hàn thì S chủ yếu nằm ở dạng FeS2, FeS3, khi ở nhiệt ñộ 600oC sẽ bị phân huỷ theo phản ứng sau:
FeS2 → FeS + S
ðể hạn chế hàm lượng S trong kim loại mối hàn cần hạn chế lượng S trong nguyên liệu làm trợ dung hàn. Ngoài ra sử dụng các phương pháp khác chuyển S từ kim loại vào xỉ hoặc liên kết nó với các hợp chất không có các thành phần dễ nóng chảy trong kim loại.
ðể thực hiện ñược việc trên khi hàn cần sử dụng các phương pháp sau: - Liên kết S vào Sunfit mangan MnS (nhiệt ñộ nóng chảy 1610oC) Phản ứng liên kết S thành MnS:
[FeS] + [Mn] = [MnS] + [Fe] (3.1) Với hệ số cân bằng không ñổi:
K = [MnS].[FeS] / [FeS].[Mn] [FeS] = [MnS]. [Fe] / K. [Mn]
Nghĩa là nồng ñộ của FeS trong kim loại giảm khi tăng hàm lượng Mn trong kim loại. Nhưng ở phản ứng (3.1) với xu thế liên kết S thành MnS tăng chỉ khi giảm nhiệt ñộ kim loại, khi phản ứng xảy ra yếu. Do vậy thậm chí hàm lượng mangan trong kim loại rất cao nhưng một phần lớn S có thể bị giữ lại trong liên kết FeS.
- ðưa S vào xỉ bằng cách trực tiếp tác ñộng vào MnO và CaO.
Khử lưu huỳnh thường dùng các ôxit MnO, CaO và MgO ñể ñưa S vào xỉ. Khi hàn sẽ diễn ra phản ứng:
[FeS] + (MnO) ↔ (MnS) + [FeO]
MnS tạo thành ít hoà tan trong sắt và có nhiệt ñộ nóng chảy là 1883oC sẽ ñược chuyển vào xỉ hàn. (Hình 3-4) thể hiện hàm lượng MnO trong thuốc hàn ảnh hưởng ñến lượng S trong kim loại mối hàn. Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn ñến hàm lượng gia tăng S trong kim loại mối hàn.
Hình 3-4: Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn ñến hàm lượng gia tăng S trong kim loại mối hàn
Các sunfua canxi và magie cũng không hoà tan trong kim loại và sẽ chuyển vào xỉ. Như vậy khi tăng tính bazơ của thuốc hàn sẽ tăng khả năng khử lưu huỳnh. Tác dụng khử S khi tăng tính bazơ của thuốc hàn ñược thể hiện trên (Hình 3-5). 0 10 20 30 0 0,001 -0,001 (%MnO) [S] %
Hình 3-5: Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn
- Trong một số trường hợp ñể giảm S trong kim loại mối hàn tốt hơn là liên kết S vào liên kết bay hơi ví dụ như Al2S3 với nhiệt ñộ bốc hơi 1550o C.
3.3.5. Phôtpho (P)
Phôtpho là nguyên tố tạp chất có hại làm xấu ñi cơ tính của thép cacbon và thép hợp kim nó làm cho thép bị giòn nguội và tăng tính nứt nóng của thép. Trong mọi trường hợp nên tìm cách khử P trong mối hàn, thông thường trong mối hàn P ≤ 0,035%.
Biện pháp khử P:
- Giảm hàm lượng P trong kim loại mối hàn bằng cách hạn chế P trong kim loại cơ bản, dây hàn và trợ dung hàn.
- Tách P từ kim loại mối hàn trên cơ sở oxi hóa nó, oxi hóa photpho theo phản ứng:
2FeP + 5FeO = P2O5 + 7 Fe (3.2) 2Fe3P + 5FeO = P2O5 + 11Fe (3.3) Ôxit P2O5 tạo ra liên kết tổ hợp với ôxit cơ bản CaO theo phản ứng:
3CaO + P2O5 = ( CaO)3 . P2O5 (Orto photphat) (3.4)
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,01 0,015 0,02 0,005 B [S] %
Nếu giả sử quá trình khử photpho trong kim loại mối hàn ở dạng tổng quát kết hợp luôn cả (3.3) và (3.4) ta có:
2Fe3P + 5FeO + 3CaO = (CaO)3. P2O5 + 11Fe (3.5) Với hằng số phản ứng
K = [Fe3P]2 . (FeO)5 . (CaO)3 / (Ca3P2O8) . [Fe]11
Như vậy ta thấy hàm lượng P trong kim loại mối hàn giảm khi tăng các oxit tự do FeO và CaO trong xỉ và giảm lượng CaO liên kết với P2O5 tức là lượng Ca3P2O8.
Như vậy thuốc hàn nếu có FeO và có tính bazơ thì cho phép khử P. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng tính bazơ của xỉ cũng như lượng FeO trong thuốc thì tác dụng khử P sẽ không tăng ñược thể hiện trên ñồ thị (Hình 3-6), ñây là ñiểm khác biệt so với việc khử lưu huỳnh. Hàm lượng phôtpho trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn
Hình 3-6: Hàm lượng photpho trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn
3.4. Xỉ hàn