材料成形基本原理第9章-液态金属与气相的相互作用课件.ppt

1、焊接或铸造熔炼过程中，液态金属会与各种气体焊接或铸造熔炼过程中，液态金属会与各种气体发生相互作用，从而对焊件或铸件的性能产生影发生相互作用，从而对焊件或铸件的性能产生影响。深入了解气体的来源及其与金属的相互作用响。深入了解气体的来源及其与金属的相互作用机制机制，对于控制金属中气体的含量，提高铸件或，对于控制金属中气体的含量，提高铸件或焊件的质量至关重要。焊件的质量至关重要。第一节第一节 气体的来源与产生气体的来源与产生第二节第二节 气体在金属中的溶解气体在金属中的溶解第三节第三节 氧化性气体对金属的氧化氧化性气体对金属的氧化第四节第四节 气体的控制措施气体的控制措施第一节第一节 气体的来源与产

2、生气体的来源与产生一、焊接区内的气体来源一、焊接区内的气体来源二、铸造过程中的气体来源二、铸造过程中的气体来源一、焊接区内的气体来源一、焊接区内的气体来源N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊接区的气体焊接区的气体直接进入直接进入间接分解间接分解焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂高价氧化物及有机物的分解气体高价氧化物及有机物的分解气体母材坡口的油污、铁锈、水分母材坡口的油污、铁锈、水分空气中的气体、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体保护气体及其杂质气体结构钢焊条药皮的主要成分结构钢焊条药皮的主要成分 钛钙型（钛钙型（J422）硅酸盐硅酸盐 25-40 碳酸盐碳酸

3、盐 15-22 二氧化钛二氧化钛 35-45 钛铁矿钛铁矿 0-25 铁合金铁合金 10-15 有机物有机物 0-3 低氢型（低氢型（J507）硅酸盐硅酸盐 Po2 时，金属被氧化；时，金属被氧化；Po2 =Po2 时，处于平衡状态；时，处于平衡状态；Po2 Po2 时，金属被还原。时，金属被还原。金属氧化物的分解压是温度金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而的函数，它随温度的升高而增加。增加。除了除了 Ni 和和 Cu 外，在同样外，在同样温度下，温度下，FeO的分解压最大，的分解压最大，即最不稳定。即最不稳定。FeO为为纯凝聚纯凝聚相相时，其分解压为：时，其分解压为：43.626

4、730lg2OTp图图7-14 自由氧化物分解压与温度的关系自由氧化物分解压与温度的关系T/Lg pO2/101.3kPaP o2 是液态铁中是液态铁中FeO 的分解压；的分解压；FeO 是溶解在液态铁中的是溶解在液态铁中的 FeO 浓度；浓度；FeOmax是液态铁中是液态铁中 FeO 的饱和浓度。的饱和浓度。由上式可以看出，由于由上式可以看出，由于 FeO 溶于液态铁中，使其分解压减小，溶于液态铁中，使其分解压减小，致使致使 Fe 更容易氧化。更容易氧化。p 计算得知，在高于铁熔点的温度下计算得知，在高于铁熔点的温度下 Po2 很小，例如温度为很小，例如温度为1800，FeO 的质量分数为的

5、质量分数为1时，时，Po2=1.510-8 MPa，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。2max2OOFeOFeO22ppp但是，但是，FeO不是纯凝聚相，而是不是纯凝聚相，而是溶于液态铁中，这时其分解压可用溶于液态铁中，这时其分解压可用下式表示：下式表示：二、氧化性气体对金属的氧化二、氧化性气体对金属的氧化1 1、自由氧对金属的氧化自由氧对金属的氧化2 2、COCO2 2 对金属的氧化对金属的氧化3 3、H H2 2O O 对金属的氧化对金属的氧化4 4、混合气体对金属的氧化混合气体对金属的氧化1、自由氧对金属的氧化、自由氧对金属的氧化气相中气

6、相中 O2 的分压超过的分压超过 Po2 时，将使时，将使 Fe 氧化：氧化：Fe +O2=FeO+26.97 kJ/mol Fe +O=FeO+515.76 kJ/mol由反应的热效应看，由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：氧化，如：C +O2 =CO Si +O2 =（SiO2）Mn +O2 =（MnO）纯纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压 Po2 2、CO2对金属的氧化对金属

7、的氧化温度温度/K1800200022002500300035004000气相成分气相成分(体积分体积分数数)/CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36气相中氧的分压气相中氧的分压pO2/101.325kPa2.210-37.610-32.0210-26.310-218.5810-227.7710-231.3610-2PO2 FeOmax/101.325kPa3.8110-91.0810-71.3510-65.310-5高温下高

8、温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。CO2 与液态铁的反应式和平衡常数为：与液态铁的反应式和平衡常数为：CO2 Fe CO FeO 温度升高时，平衡常数温度升高时，平衡常数 K 增大，反应向右进行，促使铁氧增大，反应向右进行，促使铁氧化。计算表明，即使气相中只有少量的化。计算表明，即使气相中只有少量的 CO2，对铁也有很，对铁也有很大的氧化性。因此，用大的氧化性。因此，用CO2 作保护气体只能防止空气中氮的作保护气体只能防止空气中氮的侵入，不能避免金属的氧化。侵入，不能避免金属的氧化。用用CO2 作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加

9、脱氧元素作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素855.611576lgTK3、H2O 对金属的氧化对金属的氧化H2O 气与气与 Fe 的反应式和平衡常数为：的反应式和平衡常数为：H2O气气 Fe FeO H2 可见，可见，温度越高，温度越高，H2O 的氧化性越强的氧化性越强。在液态铁存在的温度，在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比气的氧化性比 CO2 小小。但。但应注意，应注意，H2O气除了使金属氧化外，气除了使金属氧化外，还会提高气相中还会提高气相中 H2 的的分压，导致金属增氢分压，导致金属增氢。5.510200lgTK4、混合气体对金属的氧化、混合气体对金属的氧化焊接电弧空间的

10、气相是由焊接电弧空间的气相是由多种气相成分混和而成。多种气相成分混和而成。对于不同的焊接方法与焊对于不同的焊接方法与焊材情况下，焊接区气相会材情况下，焊接区气相会有不同的组成有不同的组成。不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。熔敷金属中熔敷金属中O与保护气体成分的关系与保护气体成分的关系 实线实线O 虚线虚线wO (焊丝焊丝H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳钢母材低碳钢)O/g.(100g)-1，wO/%ArCO2CO2，O2/%O2/%由图可见，在CO2和O2体积分数相同的条件下，ArO2的氧化能力比ArCO2大；Ar15O2（体

11、积分数）的氧化能力与纯CO2相当。在所有混合气体中，随着O2和CO2含量的增加，焊缝中的氧含量增加。表表7-2 7-2 碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分低氢型焊条低氢型焊条焊接时，气相中焊接时，气相中H2和和H2O的含量很少，故称的含量很少，故称“低氢型低氢型”；酸性焊条酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条纤维素型焊条的最大。的最大。药药 皮皮 类类 型型气相成分（体积分数）气相成分（体积分数）/%备备 注注COCO2H2H2O高钛型（高钛型（J421）46.75.334.513.5焊条在焊条在110烘干烘干2h钛钙型（钛

12、钙型（J422）50.75.937.55.7钛铁矿型（钛铁矿型（J423）48.14.836.610.5氧化铁型（氧化铁型（J424）55.67.324.013.1纤维素型（纤维素型（J425）42.32.941.212.6低氢型（低氢型（J427）79.816.91.81.5酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。第四节第四节 气体的影响与控制气体的影响与控制一、气体对金属质量的影响一、气体对金属质量的影响二、气体的控制措施二、气体的控制措施一、气体对金属质量的影响一、气体对金属质量的影响 残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于残留在金属内

13、部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在气体元素在金属中的存在状态金属中的存在状态。室温下室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低，在金属中的溶解度极低，残留在接头中的残留在接头中的 HR易导致延迟裂纹和氢脆。易导致延迟裂纹和氢脆。固溶态固溶态化合物化合物独立气相独立气相弥散状（氮化物）弥散状（氮化物）块状（氧化物、氮化物）块状（氧化物、氮化物）强化、脆化强化、脆化 夹杂夹杂气孔（氢气孔，氮气孔，气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）气孔）二、气体的控制措施二、气体的控制措施 1 1限制气体的来源限制气体的来源 2 2控制工艺参数控制工艺参数3 3冶金处理冶金处理1限制气体的来源限制气体的来源氮

14、主要来源于空气氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；焊接时，惰性气体或气渣联合保护。焊接时，惰性气体或气渣联合保护。p 氢主要来源于水分氢主要来源于水分，包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等），包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合本身含有的水分、材料表面吸附的水分

15、以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的水等。材料内的碳氢化合物碳氢化合物和材料表面的和材料表面的油污油污等也是氢的重要来源。等也是氢的重要来源。限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。p 氧主要来源于焊材或矿石，氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。2控制工艺参数控制工艺参数增大电弧电压

16、时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊短弧焊。p 焊接电流增加时，焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。等也有一定的影响。p 铸造过程中控制铸造过程中控制液态金属的液态金属的保温时间保温时间、浇注方式和冷却速度浇注方式和冷却速度，可在一定程度

17、上减少可在一定程度上减少金属中氮、氢、氧的金属中氮、氢、氧的含量。含量。3冶金处理冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行采用冶金方法对液态金属进行脱氮脱氮、脱氧、脱氧、脱氢脱氢等除等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。冶金法脱氮冶金法脱氮 液态金属中加入液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。但在炼钢时，要严格控制加铝量。

18、化倾向。但在炼钢时，要严格控制加铝量。金属冶炼过程中的除氢金属冶炼过程中的除氢 常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。如将氯气通入铝常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。如将氯气通入铝液后，可产生下列反应：液后，可产生下列反应：2 Al +3 Cl2 2 AlCl3 +Q H2 +Cl2 2HCl +Q 铝液中的氢既能与氯化合成氯化氢气体而逸出铝液表面，又铝液中的氢既能与氯化合成氯化氢气体而逸出铝液表面，又可通过扩散作用进入氯化铝气泡内，促使可通过扩散作用进入氯化铝气泡内，促使AlCl3气体逸出。气体逸出。生产中，也可采用通入混合气体（如氮生产中，也可采用通入混合气体（如氮-氯或氯氯或氯-氮氮

19、-一氧化碳）一氧化碳）的方法除气，以减少氯对熔炼设备的腐蚀作用。的方法除气，以减少氯对熔炼设备的腐蚀作用。焊接过程中的脱氢焊接过程中的脱氢 熔池存在时间短暂，因此不能采用熔炼过程时的冶金熔池存在时间短暂，因此不能采用熔炼过程时的冶金除氢法。除氢法。具体措施为：具体措施为：（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物 （2）控制焊接材料的氧化势）控制焊接材料的氧化势 （3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素 （4）焊后消氢处理）焊后消氢处理（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物主要是主要是CaF2，焊条药皮中加入，焊条药皮

20、中加入78，即可急剧减少焊，即可急剧减少焊缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：在酸性渣中在酸性渣中，CaF2和和SiO2共存时能发生如下化学反应：共存时能发生如下化学反应：2 CaF2 +3 SiO2 =2 CaSiO3 +SiF4 生成的气体生成的气体 SiF4 沸点很低（沸点很低（90），它以气态形式存在，），它以气态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：SiF4 +3 H =SiF +3 HF SiF4 +2 H2O =SiO2 +4 HF反应生成的反应生成的 FH 在高温下比较稳定，故能降低

21、焊缝的氢含量。在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。在碱性焊条药皮在碱性焊条药皮 中中 CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应：首先与药皮中的水玻璃发生反应：Na2O.n SiO2 +m H2O =2 NaOH +n SiO2(m-1)H2O 2 NaOH +CaF2 =2 NaF +Ca(OH)2 K2O.n SiO2 +m H2O =2 KOH +n SiO2(m-1)H2O 2 KOH +CaF2 =2KF +Ca(OH)2 与此同时，与此同时，CaF2与氢和水蒸气发生如下反应：与氢和水蒸气发生如下反应：CaF2 +H2O =CaO +2 HF CaF2 +2 H =Ca +2 HF 上

22、述反应生成的上述反应生成的 NaF 和和 KF 与与 HF 发生反应：发生反应：NaF +HF =NaHF2 KF +HF =KHF2 生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。（2）控制焊接材料的氧化势）控制焊接材料的氧化势气相中的氧可以夺取氢，生成气相中的氧可以夺取氢，生成较稳定的较稳定的OH，从而减小气相中的氢分压，降低从而减小气相中的氢分压，降低熔池中氢的浓度。因此：熔池中氢的浓度。因此：适当提高气相的氧化性，有利于降低焊缝的氢含量适当提高气相的氧化性，有利于降低焊缝的氢含量。焊条药皮中加入碳酸盐或焊条药皮中

23、加入碳酸盐或 Fe2O3，或采用，或采用 CO2 作保护气体，均可获得氢含量作保护气体，均可获得氢含量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出 CO2，Fe2O3 则分解出则分解出O2，能促使下，能促使下列反应向右进行列反应向右进行：O +H =OH O2 +H2 =2 OH 2 CO2 +H2 =2 CO +2 OH 在药皮中加入脱氧剂如钛铁，会增加扩散氢的含量。因此，要得到氧和氢含在药皮中加入脱氧剂如钛铁，会增加扩散氢的含量。因此，要得到氧和氢含量都低的焊缝金属，在增加脱氧剂的同时，必须采取其他有效的去氢措施。量都低的焊缝金属，在增加脱氧剂的同时，必须采取其他有

24、效的去氢措施。（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素焊条药皮中加入焊条药皮中加入微量的钇微量的钇，可显著降低焊缝中扩，可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量稀土散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量稀土元素碲和硒也有很强的去氢作用。元素碲和硒也有很强的去氢作用。（4）焊后消氢处理焊后消氢处理焊后立即焊后立即将焊件加热到将焊件加热到350，保温，保温1h，可使绝，可使绝大部分的扩散氢去除。在生产上，对于易产生冷裂大部分的扩散氢去除。在生产上，对于易产生冷裂的焊件常要求进行焊后脱氢处理。但对于奥氏体钢的焊件常要求进行焊后脱氢处理。但对于奥氏体钢焊接接头，脱氢处理效果不大。焊接接头，脱氢处理效果不大。熔炼时吹氮气或氩气去除铝液中杂质熔炼时吹氮气或氩气去除铝液中杂质浙江万丰精炼炉炼铝浙江万丰精炼炉炼铝表面熔渣保护表面熔渣保护在氮气中加少量氯气除氢在氮气中加少量氯气除氢旋转侧向吹气装置旋转侧向吹气装置硅线石微孔吹头硅线石微孔吹头机械手浇注机械手浇注金属铸型与型芯金属铸型与型芯铸铝轮毂铸铝轮毂