材料成型過程的化學(xué)冶金天津大學(xué)王惜寶

1、第二章 材料成型過程的化學(xué)冶金 天津大學(xué) 王惜寶,,焊接化學(xué)冶金的概念 在熔焊過程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程 研究目的 在于運(yùn)用這些規(guī)律合理地選擇焊接材料，控制焊縫金屬的成分和性能使之符合使用要求，設(shè)計(jì)創(chuàng)造新的焊接材料,,,第一節(jié) 焊接化學(xué)冶金過程的特點(diǎn),焊接化學(xué)冶金的任務(wù)①對(duì)焊接區(qū)實(shí)施保護(hù)，免受空氣侵害②熔化金屬，冶金處理，獲得所要求的焊縫成型,,,一

2、、對(duì)焊縫區(qū)的保護(hù),1.光焊絲焊接時(shí) [N]增加20~45倍，[O]增加7~35倍，[Mn]、[C]蒸發(fā)、氧化損失?易產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致塑性韌性下降,不實(shí)用2.保護(hù)方法 藥皮、焊劑、藥芯、保護(hù)氣體、自保護(hù)等3.保護(hù)效率 與保護(hù)方法相關(guān)，一般惰性氣體保護(hù)效果較好,,,二、焊接冶金學(xué)反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件（以手工電弧焊為例）,（一）藥皮反應(yīng)區(qū) 1.產(chǎn)生的氣體 ①100~1200°C：水分蒸發(fā)、分解、氧化

3、 a. ＜100°C 吸附水分蒸發(fā) b.>200~400°C 排除結(jié)晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有機(jī)物的分解和燃燒：產(chǎn)生CO2、CO、 H2 ③碳酸鹽的分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):產(chǎn)生CO2 ④高價(jià)氧化物分解（赤鐵礦Fe2O3

4、、錳礦 MnO2):產(chǎn)生O2,,,2.產(chǎn)生的氣體對(duì)鐵合金（Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe）的氧化作用 ①在溫度大于600°C的條件下： 2Mn+O2=2MnO Mn+CO2=MnO+CO Mn+H2O=MnO+H2 ②結(jié)果使氣氛氧化性降低，達(dá)到先期脫氧

5、 的作用,,,（二）熔滴反應(yīng)區(qū),1.特點(diǎn) ①熔滴溫度高：1800~2400°C，過熱度大 ②熔滴比表面積大，故接觸面積大：一般 比煉鋼時(shí)大1000倍 ③反應(yīng)接觸時(shí)間短：熔滴存在時(shí)間短，內(nèi) 部又存在流動(dòng) ④熔滴金屬與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈混合：熔渣質(zhì)點(diǎn) 尺寸可達(dá)50μm,相互接觸面積大，反應(yīng)物 與產(chǎn)物充分交流，反應(yīng)速度加快,,,總之，

6、熔滴反應(yīng)區(qū)反應(yīng)時(shí)間較短，但溫度高，相互接觸面積大，反應(yīng)最為激烈，對(duì)焊縫的影響最大2.主要冶金反應(yīng) ①氣體的分解和溶解 ②金屬的氧化、還原 ③合金化 ④金屬蒸發(fā),,,（三）熔池反應(yīng)區(qū),1.物理?xiàng)l件 ①與熔化的母材充分混合 ②熔池的平均溫度較低 （1600~1900°C） ③比表面積小（3~130cm3/

7、Kg） ④時(shí)間從幾秒到幾十秒 ⑤溫度分布不均（在熔池頭部的反應(yīng)可 能與尾部不一樣）,,,①熔池反應(yīng)體系中各相濃度接近平衡濃 度，反應(yīng)速度小 ②藥皮重量系數(shù)Kb 大時(shí)，有部分熔渣直 接進(jìn)入熔池，參與并強(qiáng)化熔池反應(yīng) ③熔池反應(yīng)物質(zhì)處在連續(xù)更新過程，且 維持準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài),2.化學(xué)條件,,,①熔池反應(yīng)速度小，程度小，對(duì)整個(gè)化

8、 學(xué)冶金過程貢獻(xiàn)小 ②主要化學(xué)冶金反應(yīng)同熔滴階段，但程 度和方向有可能改變,3.特點(diǎn),,,（一）熔合比的影響 1.熔合比的定義：焊縫金屬中熔化 母材所占的比例，數(shù)值取決于焊 接工藝（方法、規(guī)范、坡口）、 母材、焊材,三、焊接工藝條件與冶金的關(guān)系,,,2.熔合比對(duì)焊縫金屬的影響 C0=θCd+(1-θ)Cd

9、 C0——某元素在焊縫金屬中的原始質(zhì)量百分濃度 Cb——該元素在母材中的質(zhì)量百分濃度 Cd——該元素在焊條中的質(zhì)量百分濃度 θ——熔合比,,,（二）熔滴過渡特性的影響 熔滴的過渡特性不同，意味著熔滴階段的反應(yīng)時(shí)間不同 ：細(xì)顆粒時(shí)反應(yīng)時(shí)間短，不充分；粗顆粒時(shí)反應(yīng)時(shí)間長，反應(yīng)充分。（三）熔渣有效系數(shù)（?）的影響

10、 1.概念：真正發(fā)生作用的熔渣量/金屬量 ①熔滴階段： ?g=m1/mg ②熔池階段： ??=m2/m?,,,2. ?與kf ?不同于焊劑熔化量kf ，一般?≤ kf 3.焊接工藝對(duì)? 的影響 I ?? ? ? ，從熔渣過渡的元素量? 故：熔渣有效系數(shù)對(duì)焊

11、縫成分的影響 a.焊材成分：影響冶金系統(tǒng)及過程、合金系統(tǒng) b.母材 c.焊接工藝：影響冶金過程,,,四、焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)及不平衡性 1.化學(xué)冶金系統(tǒng) ①手工焊、埋弧焊：液態(tài)金屬—熔渣—?dú)庀?②氣體保護(hù)焊：氣相—液態(tài)金屬 ③電渣焊：渣—液態(tài)金屬 2.不平衡性

12、 條件非平衡?焊縫最終成分遠(yuǎn)離凝固平衡溫度下的成分,,,第二節(jié) 焊接區(qū)的氣體及熔渣,一、區(qū)內(nèi)氣體（一）氣體的來源及產(chǎn)生 1.來源：焊材本身（造氣劑及高價(jià)氧化物、水）、銹 及油污、空氣侵入（約占3%） 2.產(chǎn)生 ①有機(jī)物分解:纖維素約220~250℃開始分

13、解，與水玻璃混合時(shí)，分解溫度會(huì)更低， 反應(yīng)產(chǎn)物主要是CO2,少量CO、H2、烴類 及水氣,,,②碳酸鹽的分解 a.空氣中: 分解物 開始 劇烈 CaCO3 545 ℃ 910 ℃

14、 MgCO3 325 ℃ 650 ℃ b.BaCO3分解溫度比CaCO3高 c.白云石CaMg(CO3)2分解分兩步進(jìn)行： CaMg(CO3)2? CaCO3 +MgO+CO2? ? CaO+CO2? d.焊條烘干溫度：

15、 含CaCO3的焊條 ＜450 ℃ 含MgCO3的焊條 ＜300 ℃ 含有機(jī)物的焊條 ＜200 ℃,,,③高價(jià)氧化物的分解 Fe2O3?Fe3O4+O2? ? FeO+O2 ? MnO2 ?Mn2O3+O2 ?

16、 ? Mn3O4+O2 ? ④材料的蒸發(fā) 沸點(diǎn)較低的Zn、Mn、Pb、Fe、F化物等,,,1.簡(jiǎn)單氣體 反應(yīng)方程式 ⊿H（kJ／mol） N2?N+N -712.4

17、 O2?O+O -489.9 H2?H+H -433.9 H2?H+H++e （發(fā)生電離） -1745 單原子氣體三種電離方式： 熱電離、碰撞電離、光電離（依次要求的溫度升高）,二、氣體的分解,,

18、,2.復(fù)雜氣體的分解 反應(yīng)方程式 ⊿H（kJ／mol） 分解溫度 CO2?CO+O2 -282.8 （全分解） H2O?H2+O2 -483.2 ＜4500K H2O?OH+ H2 -532.0 ＞

19、4500K H2O?H2+O -977.3 更高溫度 H2O?2H+O -1803.3 更高溫度3.氣相的成分及分布（如表1-12） 主要：CO、H2、H2O、CO2 低氫：CO、CO2,,,,,1.作用 ①機(jī)械保護(hù) ②改善工藝性：提高電弧的穩(wěn)定性，減少飛

20、濺，促進(jìn)脫渣、 改善焊縫成型 ③冶金處理作用2.成分與分類 ①鹽型：活性材料及高合金鋼?氧化物、氯化物 ②鹽-氧化物：合金鋼?氧化物 ③氧化物型：低碳鋼及低合金鋼?氧化物,三、焊接熔渣,,,3.熔渣結(jié)構(gòu)理論 ①熔渣分子理論 建立于對(duì)凝固熔渣進(jìn)行相及化學(xué)分析的結(jié)果為依據(jù) A.理論要點(diǎn)： a.渣由分子

21、組成，分為自由氧化物、結(jié)合氧化物及Sm,Fm等 b.自由氧化物與結(jié)合氧化物處于平衡狀態(tài)， 高溫時(shí)自由態(tài)占優(yōu)勢(shì)，低溫時(shí)結(jié)合態(tài)占優(yōu)勢(shì) c.只有自由氧化物才參與與熔融金屬的反應(yīng) d.液態(tài)熔渣是一種理想熔體，適用于理想

22、液態(tài)定律 B.優(yōu)點(diǎn)：定性，可簡(jiǎn)單解釋渣與金屬的反應(yīng) C.缺點(diǎn)：無法解釋導(dǎo)電性,,,②熔渣離子理論（完全離子理論） A.理論要點(diǎn)： a.液態(tài)熔渣是由陰陽離子組成的中性材料， 負(fù)電性大則為陰離子，負(fù)電性小為陽離子 b.離子存在綜合矩，其值為離子電荷/離子半徑， c.綜合矩決定離子的分

23、布、聚集和作用，綜合矩越大，靜電 場(chǎng)越強(qiáng)，越易于與異號(hào)離子結(jié)合。 d.在熔渣內(nèi)，綜合矩大的離子結(jié)合形成集團(tuán)（近似有序結(jié) 構(gòu)），其中鹽基形成簡(jiǎn)單均勻的離子溶液，氧化物則形成 復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 e.冶金作用是彼此電化學(xué)過程（置換過程） B.優(yōu)點(diǎn)：合理的解釋了熔渣的導(dǎo)電性 C.缺點(diǎn)：缺乏熱電學(xué)材料，未系統(tǒng)化,,,③熔渣的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系

24、 A.熔渣堿度B a.分子理論： R2O、RO ——堿性氧化物（K2O、Na2O、 CaO、MgO、BaO、MnO、 FeO ）摩爾數(shù) RO2——酸性氧化物（

25、SiO2、TiO2、 P2O5）摩爾數(shù) （中性氧化物有:Al2O3、Fe2O3、Cr2O3）,,,,B>1.3為堿性渣，B1堿性渣，B1<1酸性渣，B1=1中性渣,,,b.離子理論觀點(diǎn)： 堿度——自由氧離子的濃度 (其中a02- 為氧離子的活度）

26、 日本森氏法： ai——第i種Om的堿度系數(shù) Mi——第i種Om的摩爾分?jǐn)?shù) 判斷：B2>0,堿性；B2<0,酸性,,,B.熔渣粘度（?） a.概念：流體發(fā)生相

27、對(duì)流動(dòng)時(shí)，單位速度梯度下， 作用在單位接觸面積上的內(nèi)部摩擦力 b.影響因素 溫度：T?, ? ? 成分：,,,C.熔渣表面張力 a.表面張力影響溶滴過渡、焊縫成型、脫渣及冶金反應(yīng) b.實(shí)質(zhì)：氣-渣界面張力，與化學(xué)鍵能有關(guān)(金屬鍵最大，離 子 鍵次之，共價(jià)鍵最?。?/p>

28、 c.焊接熔渣中加CaO、MgO、MnO、Al2O3等增大表面張力 加TiO2、SiO2、B2O3，減少界面張力；溫度升高，界面張力 減小,,,D.熔渣熔點(diǎn)及導(dǎo)電性 a.熔點(diǎn)：1150~1350℃，取決于藥皮的成分及顆粒度， 一般說來藥皮中的難熔物增加，顆粒度增大，熔點(diǎn)增加 b.導(dǎo)電性：固態(tài)不導(dǎo)電，液態(tài)導(dǎo)電，取決于熔渣中離子的活性,,,第三節(jié)　氣體對(duì)金屬的作用,一、氮

29、（N）對(duì)金屬的作用１．N的來源與溶解?、賮碓矗褐車諝馕廴?②溶解：金屬表面吸附的氣體分解為原子，　　 穿過表面進(jìn)行擴(kuò)散,,,③溶解度的影響因素 a. 成分：鐵中加C、Si、Ni，原子 將占據(jù) 間隙，溶解度下降；加入V、Nb、Cr、 Ta， 將形成沉淀，溶解度升高 b.電弧中N以原子形式存在，溶解速度較 大，故熔融金屬[N]較高

30、 c.溶解度與溫度的關(guān)系（如圖1-16）,,,,,2.N對(duì)質(zhì)量的影響 ①生成氣孔（凝固時(shí)突降） ②生成Fe4N（脆化） ③時(shí)效脆化、回火脆性（固溶N) ④加入V、Ti、Al、Zr等時(shí)，可抑制時(shí)效， 細(xì)化晶粒，增強(qiáng)強(qiáng)度3.影響因素及控制措施 ①保護(hù)效果（Kb，造氣劑） ②工藝規(guī)范（U??[N]?，I??[N]?) ③合金元素（如圖1-23),,,,,二、H對(duì)金屬的作

31、用 1.來源 焊接材料中的水分、含氫物質(zhì)機(jī)電弧周圍 空氣中的水蒸氣等 2.溶解 ①H與金屬元素的作用 a.固態(tài)吸氫：與Zr、Ti、V、Ta、Nb等形成穩(wěn)定的 氫化物，反應(yīng)吸熱，溫度越高，吸氫越少 b.高溫溶解氫：與Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等 形成不穩(wěn)定的氫化物，反應(yīng)吸熱,,,②溶解途徑

32、 a.渣-液態(tài)金屬： ?溶解在渣中的H主要以O(shè)H-的形式存在 H2O（氣)+O2-（自由氧)?2(OH-) [O2-]?（堿度越高），溶解的OH- 越大 ? 渣中有F- 時(shí)，2OH- + F- = O2- + HF, 降低了H2O在渣中的溶解度 ?金屬從熔渣

33、到金屬的溶解： (Fe 2+ ) + (OH -) ? [Fe] + 2[O] + 2[H] [Fe]+2 (OH -) ? (Fe 2+ ) +2(O2-)+2[H] (OH -) ? [O] + [H] +(O2-) (H+) ? [H] 陰極處： (O

34、H -) –e ? [H] + [O],,,b.氣-液態(tài)金屬 ?分子態(tài)：滿足一般溶解規(guī)律 平方根定律（溶解度）： ?質(zhì)子態(tài)：溶解度更高 ?電弧焊時(shí)，大量H、H+存在，溶解度高得多 ?熔滴階段吸氫比熔池階段多③影響因素 a.溫度（如圖1-16、圖1-25） b.合金元素（如圖1-27） c.組織(吸氫量：δ>γ>α),,,,,,,,,3.焊

35、縫中的氫及其擴(kuò)散 ① H、H+、H-存在方式 a.存在晶格中（間隙固溶體）—— 殘余氫，由于 [H]半徑小，可擴(kuò)散 b.存在缺陷處，形成H2，不能擴(kuò)散 c.形成化學(xué)物、氫化物 ②對(duì)Fe、Al、Ni、Cu等來說，擴(kuò)散氫占到80%~90%， 對(duì)Ti來說，大部分形成的是氫化物 ③ 擴(kuò)散氫的含量隨時(shí)間的變化而逸出或形成H2,

36、危害大,,,4.[H]對(duì)焊接質(zhì)量的影響 ①氫脆（室溫脆化） 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)?H?H2?顯微空腔內(nèi)壓??氫脆 ②白點(diǎn) 塑變?夾渣或氣孔處H?H2?內(nèi)壓??白點(diǎn) ③氣孔 熔池H含量較高，結(jié)晶過程析出H2?氣孔 ④冷裂紋,,,5.控制氫的措施 ①控制原材料中的H2O ②清除雜質(zhì)及污染 ③冶金處理 a.氟化物去氫機(jī)理 ?酸性渣中：SiO2活度

37、大 CaF2+ SiO2 ? CaSiO3+SiF4(氣) SiF4+2H ? SiF2+2HF? SiF4+2H2O?SiO2（氣)+4HF? ?堿性渣中 CaF2（氣）+H2O?CaO+2HF CaF2（氣）+2H?Ca（氣）+2HF,,,b.氧化去氫

38、 CO2+H ? CO+OH O+H ? OH O2+H2?2OH c.稀土去氫（Te、Se等） ④焊接工藝規(guī)范 a.手弧焊：I??H?;U??H?,與[N]、[O]相反 b.氣焊： I??H? c.極性：反接最小，正接居中，交流最大 ⑤焊后去氫處理,,,,,三、氧（O）對(duì)金屬的作用 1.金屬中氧的分類

39、 ①不溶解，只氧化，氧化物不溶于金屬中 (如Al、Mg等) ②既溶解，又氧化，氧化物溶于金屬中 （如Fe、Ni、Cu、Ti等） 2.來源：周圍空氣污染，材料中的含氧化合物,,,3.溶解 ①溶解度： （平方根定律） ②影響因素 ?T??S0?

40、 凝固時(shí)S0 =0.16% γ相時(shí)S0 =0.05% 室溫時(shí) S0 <0.01% ,此時(shí)基本上以氧化物存在 ?合金元素?? S0 ?,,,2.氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響 ①強(qiáng)度、塑性、韌性下降 ②低溫沖擊韌性下降 ③產(chǎn)生紅脆、冷脆、時(shí)效脆化 ④影響物化性能 ⑤產(chǎn)生氣孔 ⑥影響電弧的穩(wěn)定性、飛濺等工藝

41、性3.控制氧的措施 ①降低焊材中的氧含量 ②改善工藝性（如降低電流等） ③采取脫氧措施,,,第四節(jié) 焊接時(shí)的氧化還原,一、反應(yīng)的判據(jù) 1.金屬的氧化還原方向的判斷標(biāo)準(zhǔn)：金屬氧化物的分解壓 與氣氛中氧的分壓比較 2.金屬氧化物的分解 ①2/nMmOn?2m/nMe+O2（唯一氣體）

42、平衡時(shí):,,,一定溫度下：固態(tài)或液態(tài)的 、 為常數(shù)，即 為常數(shù) 因此：Kp′=PO2= Kp=f(T),即O2的分解壓為該反應(yīng)的平衡常數(shù)，可作為判據(jù)②判斷 體系中{ }> ?金屬被氧化 { }< ?金屬被還原（氧化物分解）,,,

43、③ 與T的函數(shù)（見圖1-46） 除Cu、Ni外，F(xiàn)eO的分解壓最大，即最不穩(wěn)定 此時(shí)FeO的分解壓可表示為： 一般分解壓下降，鐵更易氧化 FeO為凝聚相，易分解，分解出來的Fe溶于金屬 時(shí)，[M]?, ? ,氧化物越易分解,,,,,二、金屬的氧化還原 1.氣體對(duì)金屬的氧化 ①O2的氧化 ? 空氣中：{PO2}≈0.21atm>> PO2

44、?,Fe氧化嚴(yán)重 ? 電弧氣氛中(PO2> PO2 ? ）: [Fe]+1/2O2=FeO +26.97kJ/mol [Fe]+O=FeO +515.76kJ/mol(更激烈） ? C、Si、Mn的氧化： [C]+1/2O2=CO? [Si]+O2=(SiO2) [Mn]+1/2O2

45、=(MnO),,,②CO2的氧化 ? CO2分解得到{PO2}>>飽和FeO分解壓，3000℃接近 空氣中的氧分壓，即高溫是強(qiáng)氧化劑 CO2+[Fe]=CO + [FeO] lgK=-11576/T+6.855 ,T??K? 故熔滴階段氧化更激烈， CO2多是必須用Si、Mn脫氧 ?焊不銹鋼時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)增碳:

46、 [Cr]+CO?(CrO3)+3[C] [Al]+CO?Al2O3+[C] CO?CO2+[C] 所以焊不銹鋼時(shí)應(yīng)降低CO2的含量，或加入Cr2O3,,,③H2O對(duì)金屬的氧化 H2O+[Fe]=Fe+H2,lgK=-10200/T+5.5 H2O在液鐵溫度下氧化性比CO2小，但H嚴(yán)重影響

47、焊縫的質(zhì)量，故應(yīng)嚴(yán)格控制H2O的來源④混合氣體的氧化 根據(jù)室溫時(shí)氣相成分和氣體反應(yīng)的平衡常數(shù)推算高溫時(shí)氣相成分，求出氧分壓，與氧化物的分界壓比較。 目前評(píng)價(jià)氣體氧化能力的指標(biāo)：金屬元素的氧化損失系數(shù)即焊縫含氧量,,,二、熔渣對(duì)金屬的氧化 1.擴(kuò)散氧化 ① 符合分配定律

48、 分配系數(shù):L=(FeO)/[FeO] ② 酸性渣中（SiO2飽和）：lgL=4096/T-1.877 堿性渣中（CaO飽和）：lgL=5014/T-1.980 （3) T??L?,即FeO向鋼中擴(kuò)散，可見擴(kuò)散氧化主，主要 發(fā)生在熔滴過渡階段。 （4) 堿性渣中，根據(jù)分子理論，酸性氧化物少，所以FeO 的活度大。因此堿性焊條焊接

49、時(shí)，對(duì)銹和氧化皮敏感。 （5)但并不意味著堿性焊條焊縫含氧量高，反而是更低， 因?yàn)樗幤ぱ趸瘎?shì)低。,,,2.置換氧化 ①熔渣中的SiO2、MnO等發(fā)生以下反應(yīng)： （SiO2）+2[Fe]?[Si]+2FeO （MnO）+[Fe]?[Si]+2FeO

50、 2FeO ?[FeO] + (FeO) 焊縫增Si,Mn，使Fe氧化 溫度升高，K?,故置換氧化主要發(fā)生在高溫區(qū)， 隨著溫度降低，熔池后部的地溫區(qū)Si、Mn被氧化，易生成夾雜,,,②藥皮中含Al、Ti、Cr等強(qiáng)脫氧元素時(shí)，置換脫氧效果更明顯， 高碳高強(qiáng)鋼應(yīng)采用無SiO2藥皮,三、焊縫金屬的脫氧 1.脫氧目的：減少焊縫中的氧含量 2.

51、選擇脫氧劑的原則 ①與O的親和力比被焊金屬大(C、Al、Ti、Mn等） ②脫氧產(chǎn)物不溶于液態(tài)金屬（密度小于液態(tài)金屬） ③對(duì)焊縫金屬性能、工藝影響小、成本較低,,,3.脫氧方式 ①先期脫氧 a.在藥皮加熱階段，固態(tài)藥皮中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)叫先期脫 氧，其特點(diǎn)是脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關(guān)系 b. Al、Ti、Si、Mn的先期脫氧反應(yīng)為：

52、 Fe2O3+Mn=MnO+2FeO FeO+Mn=MnO+Fe MnO2+Mn=2MnO 2CaCO3+Ti=2CaO+TiO2+2CO 3CaCO3+Al=3CaO+Al2O3+3CO

53、 2CaCO3+Si=2CaO+SiO2+2CO CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO,,,c.反應(yīng)的結(jié)果使氣相的氧化性減弱。由于Al和Ti對(duì)氧的親 和力很大，它們?cè)谙绕诿撗醯倪^程中絕大部分被燒損， 沉淀脫氧的作用不大 d.C的先期脫氧問題 ?C易被氧化 [C]+[O]=CO [C

54、]+[CO2]=2CO ?加入Mn后 [Mn]+[CO2]=MnO+CO CO+Mn=C+MnO ?故C的先期脫氧取決于Mn/C的比及碳酸鹽當(dāng)量,,,②沉淀脫氧 a.沉淀脫氧是在熔滴和熔池內(nèi)進(jìn)行的，其原 理是溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直 接反應(yīng)，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài) 金屬

55、 b.Mn的脫氧反應(yīng) ? ?增加金屬中的含錳量，減少渣中的 MnO，可以提高脫氧效果 ?溫度下降，Mn的脫氧能力增強(qiáng)，故一 般在熔池的后部出現(xiàn)MnO的夾渣,,,c. Si的脫氧反應(yīng) ? ?提高熔渣的堿度和金屬中的含硅量，可以提高硅的脫氧效果 ?硅的脫氧能力比錳大，生成的SiO2熔點(diǎn)高，通常處于固態(tài)，

56、 不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)；同時(shí) SiO2與鋼液的界面張力小，潤濕 性好， SiO2不易從鋼液中分離，所以易造成夾雜，因此一般 不單獨(dú)用硅脫氧,,,d.硅錳聯(lián)合脫氧 ?把錳和硅按適當(dāng)比例加入金屬中進(jìn)行聯(lián)合脫氧時(shí)，可以得到較 好的脫氧效果 ?當(dāng)［Mn］／［Si］＝3～7時(shí)，脫氧產(chǎn)物可形成硅酸鹽MnO·SiO2 大分子易析出 ?CO2焊

57、絲常用該脫氧方法,③擴(kuò)散脫氧 a. L=(FeO)/[FeO] , T??L? b.擴(kuò)散脫氧一般發(fā)生在低溫區(qū)，關(guān)鍵在于降低渣中FeO的活度,,,第五節(jié) 焊縫的合金化,一、合金化的目的及方式 1.目的 ①補(bǔ)償損失 ②改善組織，消除缺陷，提高性能 ③獲得特種性能（如耐磨性、紅硬性、耐 熱性、耐蝕性等） 2. 方式

58、 ①焊絲、帶極 ②藥芯 ③藥皮、焊劑 ④合金粉,,,二、合金化過程（藥過渡方式） 1.合金劑過渡方式（如圖） ①合金過渡過程主要是在液態(tài)金屬與熔渣的界面上進(jìn)行的， 通過合金元素蒸氣和離子過渡是很少的 ②懸浮在渣中的合金劑顆粒還有一部分沒有被帶到熔渣與金 屬的界

59、面上，通常稱之為殘留在渣中的損失,,,,,2.合金化各階段作用 ①Kb0.4時(shí)：熔滴中的[Mn]一定且與Kb無關(guān)， 但焊縫金屬[Mn]隨Kb的增加而增大，意味著有一部分 熔渣直接與熔池作用 ③ 熔滴合金化程度大，焊縫種成分較均勻；熔池合金化程 度增大，成分不均勻性增加,,,3.合金化物質(zhì)平衡 合金元素過渡量： Md=M原始-（M殘留渣

60、中+M氧化及其它） M殘留——與原始濃度有關(guān)，與Kb有關(guān)，與粒度、密 度、熔渣成分無關(guān) M氧化——與藥皮、焊劑氧化性有關(guān)、與原始濃度無關(guān),,,三、合金過渡系數(shù) 1.定義: η=Cd/Ce Cd —— 熔敷金屬中的實(shí)際含量 Ce—— 合金元素在焊材中的原

61、始含量 Ce=（Cew+KbCco） Cew——焊芯金屬中的原始含量 Cco ——藥皮金屬中的原始含量 一般說來通過焊絲過渡系數(shù)大，而通過藥皮過渡系數(shù)小 （有氧化，有殘留）,,,2.影響因素 ①物理化學(xué)性質(zhì)（熔點(diǎn)、活性等） ②蒸發(fā)損失 ③氧化損失（沸點(diǎn)、與氧的親和力）

62、 ?與O親和力大小排序?yàn)椋篊u、Ni、Co、Fe、W、 Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al ?幾個(gè)合金元素同時(shí)合金化時(shí)：無氧則彼此無關(guān)， 有氧彼此相關(guān),,,④含量：Cco? ?η? ,但趨于一個(gè)定值⑤藥皮成分（氧化性）：過渡元素??η?⑥粒度增加，氧化損失減少?η?⑦Kb及規(guī)范 ? Kb ? ?η ? ?Kf(焊劑熔化率=熔化焊劑量/熔化焊絲量） Kf ?

63、 ?η ? ?規(guī)范：反接 Kf ≈1?η ? 正接 Kf =0.45-0.55， η 較大⑧焊接方法：氬弧焊最大,,,第六節(jié) 焊縫中的硫、磷控制,一、硫 1.危害 ①生成低熔點(diǎn)共晶：FeS+Fe 985℃ FeS+FeO 940℃

64、 NiS+FeO 644℃ ②當(dāng)含C量高時(shí)，會(huì)促進(jìn)S的偏析 ③增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向， 同時(shí)還會(huì)降低沖擊韌性和抗腐蝕性,,,2.硫的控制 ①降低原材料中的S 如母材、焊絲、藥皮或焊劑中的硫 ②脫硫 ?用Mn：Mn+FeS ? MnS+(FeS) MnS熔點(diǎn)高，直接進(jìn)入渣中或彌散分布

65、 ?用MnO、CaO、MgO等：生成MnS、CaS、MgS進(jìn)入渣中 ?增加渣堿度，降低(FeO）有利于脫硫 ?加入CaF2，可降低粘度,有利于擴(kuò)散 ?用稀土脫硫,,,二、磷的控制 1.危害 ①在液態(tài)鐵中可溶解較多的磷，主要以 Fe2P和 Fe3P的形式存在 ②形成低熔點(diǎn)共晶： Fe3P＋

66、Fe(1050℃） Ni3P＋ Fe（ 880℃） ③產(chǎn)生熱脆、冷脆,,,2.控制措施 ①限制母材、填充金屬、藥皮和焊劑中的含磷量 （主要來源 ：藥皮和焊劑中的錳礦 ） ②脫P(yáng) ?2[Fe3P]+5（FeO）?P2O5+11Fe P2O5+CaO ?(CaO)3·P2O5