Wiele procesów metalurgicznych, w tym wytapianie i spawanie stali, wykorzystuje żużle jako oddzielną fazę. Niezwykle ważne są w procesach martenowskich lub elektrycznych wytapiania stali, a także w spawaniu elektrodą otuloną lub lukiem krytym. Żużle mają znacznie mniejszą rolę w procesie spawania drutem litym w osłonie gazów oraz w procesie konwertorowego lub próżniowego wytapiania stali.
Zastosowanie żużlu spawalniczego
Żużle spawalnicze chronią spoinę przed nasyceniem gazami, takimi jak tlen i azot, a nawet wodór. Zmniejszają również szybkość krzepnięcia spoiny, co ułatwia wydzielanie gazów i wtrąceń niemetalicznych z ciekłego jeziorka. Reagują również z ciekłym metalem jeziorka, co zmniejsza lub zwiększa stężenie różnych pierwiastków w spoinie( C, S, P, Si, Mn itp.) Niektóre składniki żużli pomagają utrzymać jarzenie się łuku.
Skład żużlu spawalniczego
Żużel składa się głównie z tlenków i fluorków. Skład żużli zależy od kilku czynników, w tym aktywności spawanego metalu w stosunku do tlenu, temperatury topnienia metalu oraz warunków zasadowości procesu metal-żużel. Temperatura topnienia tlenków jest dość wysoka i zwykle wyższa w zależności od aktywności pierwiastka w stosunku do tlenu.
W przeciwieństwie do tego tlenki złożone, krzemiany, gliniany, tytaniany i borany topią się przy niższych temperaturach. Temperatura związków tlenkowych spada, gdy chlorki i fluorki topią się w jeszcze niższych temperaturach.
Podstawowe składniki żużli dzieli się pod względem aktywności chemicznej na trzy grupy:
- kwaśne
- zasadowe
- obojętne
przy czym obojętne w obecności silnych kwasów zachowują się jak zasady, a wobec silnych zasad jak kwasy.
Właściwości żużlu spawalniczego
Wyróżniają się one właściwościami żużli kwaśnych i zasadowych, które są używane zarówno w hutnictwie, jak i w spawalnictwie ze względu na znacznie różny skład tych żużli.
Uważa się, że stale wytapiane pod kwaśnym żużlem (jeśli wsad jest wystarczająco czysty) mają znacznie lepsze właściwości. Są lepiej odtlenione i zawierają mniej wtrąceń niemetalicznych w porównaniu ze stalami wytapianymi pod żużlem zasadowym. Jednak podczas spoin żużel zasadowy jest lepszy. Różnice w działaniu żużli w jednym i drugim przypadku wynikają z różnych składników chemicznych.
Zasadowe żużle spawalnicze zawierają natomiast bardzo mało FeO i w stosunku do ciekłej stali są praktycznie obojętne. Do spoiwa natomiast wprowadza się celowo znaczną ilość odtleniaczy Mn, Si, Al i Ti, które bardzo intensywnie odtleniają stal.
W przypadku spawania pod żużlami kwaśnymi w łuku elektrycznym redukuje się S i0 2, po czym w wysokich temperaturach przechodzi do jeziorka krzem, powodując odtlenianie metalu w dolnej części jeziorka kąpieli, gdzie temperatury są niższe.
Aby uzyskać spoiny o wysokich właściwościach plastycznych, w technice spawalniczej stosuje się żużle zasadowe. Żużle kwaśne są natomiast stosowane do spawania stali węglowych, z których są wykonywane konstrukcje mniej odpowiedzialne, pracujące przeważnie z obciążeniem statycznym. Żużle posiada wiele ważnych cech, w tym:
- temperatura mięknienia i topnienia,
- lepkość zmieniająca się wraz z temperaturą
- gęstość w stanie ciekłym i stałym,
- napięcie powierzchniowe,
- przewodność elektryczna w stanie ciekłym,
- zdolność oddzielania od metalu po zakrzepnięciu.
Charakterystyka ta jest niezbędna do spawania. Powierzchnia jeziorka spawalniczego i krople ciekłego metalu powinny być pokryte żelem. Oznacza to, że krople metalu przez ciekły żużel są dobrze zwilżane, co zależy od powierzchniowego napięcia między tymi fazami. Podczas formowania spoin napięcie powierzchniowe żużli spawalniczych, a także napięcie powierzchniowe na granicach faz żużel-metal i żużel-gaz, ma ogromne znaczenie. Wpływają one na wielkość kropel metalu przemieszczających się w przestrzeni łuku.
Temperatura krzepnięcia żużli powinna być niższa od temperatury krzepnięcia metalu, aby ułatwić wydzielanie się gazów ze spoiny podczas krystalizacji. Lepkość żużli wywiera wpływ na przebieg procesu spawania elektrodami otulonymi w pozycjach przymusowych.
Bardzo ważną właściwością żużli jest współczynnik rozszerzalności. Im bardziej różni się on od współczynnika rozszerzalności spoiny, tym łatwiej żużel odchodzi od spoiny (łatwe usuwanie żużla).
Cechy żużlu spawalniczego
Jednak najważniejszą cechą żużla jest aktywność chemiczna i sposób, w jaki reaguje na ciekły metal podczas procesu spawania. Utlenianie składników stopowych żużla i redukcja tlenków są podstawowymi reakcjami między nim a metalem.
Temperatura i stężenie składników determinują utlenianie składników stopowych lub redukcję tlenków. W przestrzeni łuku w bardzo wysokiej temperaturze przy odpowiednim stężeniu żelazo, mangan lub inne pierwiastki są redukowane, a Si przechodzi do kropel ciekłego metalu. W krzepnącej części jeziorka spawalniczego, w której temperatura jest znacznie niższa, Si może odtleniać. Taki proces zachodzi w obecności żużla o małej zasadowości, a w miarę zwiększania zasadowości nasilenie procesu zmniejsza się. Zawartość FeO w metalu zmienia się w zależności od stężenia FeO w żużlu, zgodnie z prawem podziału.
W związku z tym, ponieważ zawartość swobodnego FeO w metalu jest mniejsza, żużel powinien zawierać jak najmniejszą ilość FeO.