《金属成型3.液态金属净化与合金过渡详解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属成型3.液态金属净化与合金过渡详解（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 材料成形原理（焊接部分） 3 3 液态金属净化与合金过渡 2 3.13.1 焊缝金属的脱氧焊缝金属的脱氧 3 一、脱氧的目的和要求 脱氧在药皮或焊丝中加入某些元素，使它在焊接中被氧 化，以降低焊接区的氧化性，保护被焊金属及有益合金元素 免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的 反应。 脱氧剂用于脱氧的元素或铁合金。 脱氧的目的和要求 目的：尽量减少焊缝中的含氧量。 要求： 防止被焊金属的氧化，减少液态金属中的溶解氧； 排除脱氧后的产物，防止在焊接中形成非金属夹杂物 。 4 选择脱氧剂的原则： 1、 在焊接温度下，脱氧剂对氧的亲和力 比被焊金属 对氧的亲和力大； 1600 时，各
2、种元素对氧亲和力从小到 大的次序排列为： Cu、 Ni、Co、 Fe、 W、 Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、 Al。 焊接铁合金时，Al、Ti 、Si、Mn可 作为脱氧剂，生产上常用它们的铁合金 如锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等。 二、选择脱氧剂的原则 2 2、脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮、脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮 至熔渣中，以减少夹杂物的数量。至熔渣中，以减少夹杂物的数量。 3 3、 必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性的影响，同时考必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性的影响，同时考 虑成本。虑成本。 5 脱
3、氧的方式： 脱氧按其进行方式可分为：先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧 1、先期脱氧 先期脱氧：在药皮的加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应。 特 点：脱氧过程的产物与熔滴不发生直接关系。 三、脱氧的方式 药皮加热时，高价氧化物或碳酸盐分解出药皮加热时，高价氧化物或碳酸盐分解出 的氧和二氧化碳与脱氧剂（如：的氧和二氧化碳与脱氧剂（如： AlAl、Ti Ti 、SiSi、MnMn ）的反应为：）的反应为： FeFe 2 2 OO 3 3 = = FeOFeO + + OO 2 2 CaCO CaCO 3 3 = = CaOCaO + + COCO 2 2 Ti+ 2COTi+ 2CO 2 2 = TiO
4、 = TiO 2 2 + + 2CO2CO SiSi+ 2CO+ 2CO 2 2 = SiO = SiO 2 2 + + 2CO2CO 反应结果反应结果：使气相氧化性减弱。：使气相氧化性减弱。 脱氧效果脱氧效果：不完全（药皮加热阶段温度低、传质：不完全（药皮加热阶段温度低、传质 条件差）条件差） 6 2、沉淀脱氧 沉淀脱氧：指溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还 原，脱氧产物浮出液态金属的一 种脱氧方式。 特 点：在熔滴和熔池内进行，脱氧反应速度快。 脱氧效果：脱氧彻底，是减少焊缝含氧量的重要环节。 但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量。其脱氧反应为： x Me y O （
5、 MexOy ） 或： x Me y FeO （ MexOy ） y Fe 常用的沉淀脱氧反应： 1）锰的脱氧反应 2）硅的脱氧反应 3）硅锰联合脱氧 三、脱氧的方式 7 1）锰的脱氧反应 式中：MnO 渣中MnO的活度系数；MnO 渣中MnO的活度； Mn 金属中Mn的活度； FeO 金属中Fe的活度。 当金属中Mn和FeO的含量少时，其活度系数1，即MnMn%， FeO FeO %，于是： 影响因素：影响因素： 增加增加 MnMn 、减少（、减少（ MnOMnO ）脱氧效果提高；脱氧效果提高； 减小减小 MnOMnO 脱氧效果提高。脱氧效果提高。 酸性渣，生成复合物酸性渣，生成复合物MnO
6、SiO2 MnOSiO2 、 MnOMnO TiO2 TiO2 、 使使 MnOMnO减小，脱氧效果比碱性好。减小，脱氧效果比碱性好。 三、脱氧的方式 8 2）硅的脱氧反应 与分析锰类似，硅的脱氧反应为： 影响因素： 增加Si、减少（ SiO2 ）脱氧效果提高； 硅与氧的亲和力比锰大，脱氧能力比锰大。 SiO2 熔点高（1713）、易造成夹杂。不单独使用硅脱氧。 三、脱氧的方式 9 3）硅锰联合脱氧 当Mn /Si=37时，脱氧产物形成硅酸盐 MnOSiO2 ，密度小、熔点低、容易聚合、便于上浮 。 应用：CO2保护焊时，焊丝中Mn /Si=1.53 碱性焊条，加锰铁和硅铁联合脱氧 化 合 物
7、FeOMnOSiO2TiO2Al2O3(FeO)2SiO2MnOSiO2(MnO)2SiO2 熔 点 / 13691580172318252050120512701326 密度 /(103kg/m3) 5.805.112.264.073.954.303.604.10 Mn/Si1.251.982.783.604.188.7015.90 最大质点半径（cm）0.000750.001450.01260.012850.018350.001950.0006 金属中 Mn/SiMn/Si 对脱氧产物质点半径的影响对脱氧产物质点半径的影响 几种化合物的熔点和密度 三、脱氧的方式 10 3、扩散脱氧 扩散脱
8、氧：以分配定律为理论基础，在液态金属与熔渣界面上进行的 脱氧 分配定律： 影响因素： 1）温度 L，发生如下扩散过程：FeO（FeO）。 即在熔池后 部低温区进行扩散脱氧。 2）降低渣中（FeO）的活度，有利于扩散脱氧。 酸性渣中（FeO）活度小、碱性渣中活度大。 脱氧效果：不充分 焊接时冷却速度大、扩散时间短、氧的扩散又慢 三、脱氧的方式 11 3.23.2 焊缝金属中硫和磷的控制 12 一、硫的危害及控制 硫的危害及控制 1、硫的危害 FeS在液态铁中无限互溶，室温时溶解 度仅为0.015%0.02%，在熔池凝固时发生 偏析。 以低熔点共晶Fe+FeS（熔点985）或 FeS+FeO（熔点
9、940）的形式呈片状或链 状分布于晶界。 因此： 增加产生结晶裂纹的倾向。 降低冲击韧性、抗腐蚀性。 13 2、控制硫的措施 限制焊材的含硫量 低碳钢、低合金钢焊丝：S0.03% 0.04%； 合金钢焊丝：S0.025% 0.03% ； 不锈钢焊丝：S0.02%； 限制药皮、焊剂、药芯中的含硫量。 用冶金方法脱硫用冶金方法脱硫 选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等。选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等。 锰的脱硫产物为锰的脱硫产物为MnSMnS不溶于钢液，其脱硫反应为：不溶于钢液，其脱硫反应为： 熔渣中的碱性氧化物，如熔渣中的碱性氧化物，如MnOMnO 、 CaOC
10、aO 、 MgOMgO 等，也能脱硫：等，也能脱硫： 材 料 原含硫量 /% 处理方法 处理后含 硫量、% TiO2 CaF2 0.14 0.32 100焙烧2530min 焙 烧 0.07 0.13 原材料的焙烧处理 一、硫的危害及控制 14 与铁、镍形成低熔点共晶 如：Fe3PFe（1050） Ni3PFe （880） Fe2P 或 Fe3P 硬而脆 增加材料的冷脆性 冲击韧性降低， 脆性转变温度升高 促使含碳量较高的 低合金钢和奥氏体 钢产生结晶裂纹 磷在大多数铁基合金中，都认为是有害元素： 磷的危害及控制磷的危害及控制 1 1、磷的危害、磷的危害 二、磷的危害及控制 15 2、控制磷的
11、措施 限制母材、焊材的含磷量 药皮和焊剂中的锰矿是焊缝增磷的主 要来源。当焊剂中P 0.03% 时，磷由 熔渣向焊缝过渡。 锰矿：P0.22% 高锰熔炼焊剂： P0.15% 无锰熔炼和烧结焊剂： P0.05% 二、磷的危害及控制 16 用冶金方法脱磷 脱磷反应分为两步： 第一步，FeO将磷氧化生成P2O5 ； 第二步，P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定 的磷酸盐。 反应式为： 增加熔渣的碱度有利于脱磷 碱性渣中不允许有较多FeO，否则，增氧、 不利脱硫、产生气孔。 碱度 R = CaO/SiO2 熔渣碱度和FeO含量对磷在渣及 钢液中分配比的影响 w(FeO) (%) 二、磷的危害及控制 17
12、 3.33.3 合金过渡合金过渡 18 一、合金过渡的目的及方式 合金过渡把需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属 （或堆焊金属）中的过程。 （一） 合金过渡的目的 1、补偿焊接过程中损失（如氧化、蒸发）的合金元素； 2、消除焊接缺陷，改善焊缝的组织和性能； 如：脱氧、脱硫，加入锰； 细化晶粒、提高韧性，加入微量Ti、B等。 3、获得具有特殊性能的堆焊金属 如表面耐磨、耐蚀、耐热等。 19 （二） 合金过渡的方式 常用的合金过度的方式有以下几种： 1、应用合金焊丝或带极 方法：合金焊丝、带极或板极+碱性药皮或低氧、无氧焊剂。 优点：可靠、焊缝成分均匀、合金元素损失少。 缺点：焊丝制造工艺复杂
13、，成本高。 应用：气保护焊、埋弧焊 2、应用药芯焊丝或药芯焊条 方法：将所需的合金粉料填入药芯中。 优点：药芯中合金成分的配比可任意调整 缺点：药芯焊丝制造工艺复杂，成本高 应用：埋弧焊、气保护焊、自保护焊 一、合金过渡的目的及方式 带极堆焊 20 3、应用合金药皮或粘结焊剂 方法：合金加入药皮或粘结焊剂+普通焊丝。 优点：简单方便、制造容易、成本低。 缺点：合金利用率低、合金成分不够稳定、均匀。 应用：碱性焊条，非烧结焊剂。 4、应用合金粉末或预涂层 方法：所需合金制成粉末，输送到焊接区，随母材熔化。 优点：成分比例调配方便，无需轧制、拉拔，合金损失少。 缺点：合金成分均匀性差，制粉工艺复杂
14、。 应用：气保护焊、堆焊。 5、应用置换反应 方法：药皮和焊剂中加入金属氧化物，通过熔渣与金属的还原反应，使合金 元素进入焊缝中。 如： 如：高硅高锰焊剂+低合金钢焊丝埋弧焊。合金化程度有限，伴有焊缝含氧量增加。 一、合金过渡的目的及方式 激光表面合金化 1激光束惰性气体 2-预涂层 3基体 4热影响区 5熔区 6工件移动方向 21 熔合比 二、合金元素的过渡系数 式中， 合金元素的原始含量； 合金元素在焊缝金属中的含量； 熔合比，即焊缝中局部熔化的母材所占的比例； 合金元素在母材中的含量； 合金元素在熔敷金属中的含量； 合金元素在焊丝中的含量； 合金元素在焊条药皮中的含量； 焊条药皮质量系数
15、，即单位长度焊条中药皮质量与焊芯质量之比 。 用途：用途： 预先计算合金元素在焊缝中的含量；预先计算合金元素在焊缝中的含量； 对设计和选择焊接材料有实用价值。对设计和选择焊接材料有实用价值。 合金过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始 含量之比。 当=0时， 22 各种合金化元素的过渡系数 二、合金元素的过渡系数 焊接方法焊丝 或焊 芯 焊剂 、药 皮或药芯 过渡系数 CSiMnCrWVNbMoNiTi 氩弧焊 H70W10 Cr3Mn2V 0.800.790.880.990.940.85 埋弧焊HJ2510.532.030.590.830.830.78 HJ4310.3
16、32.251.130.700.890.77 CO2焊0.290.720.600.940.960.68 H08AMnCrCNi0.780.830.900.99 焊条 电弧焊 H18Cr MnSi 赤铁矿0.220.020.050.25 大理石0.280.100.140.43 石英0.200.750.180.80 氟石0.670.880.380.89 H08A钛钙 型0.710.380.770.520.800.600.960.13 氧化铁型0.14- 0.27 0.08- 0.12 0.640.71 低氢型0.44- 0.55 0.14- 0.27 0.45- 0.55 0.72- 0.82 0.59- 0.64
