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1、第一节 气体的来源与产生 第二节 气体在金属中的溶解 第三节 氧化性气体对金属的氧化 第四节 气体的控制措施,第一节 气体的来源与产生,一、焊接区内的气体来源 二、铸造过程中的气体来源,一、焊接区内的气体来源,N2、H2、O2 CO2 和 H2O,焊接区的气体,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 母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分 空气中的气体、水分 保护气体及其杂质气体,直接进入,间接分解,1有机物的分解和燃烧 2碳酸盐和高价氧化物的分解 3材料的蒸发 4、气体的分解,1有机物的分解和燃烧,焊条药皮中的淀粉、 纤维素、糊精等有机物 （造气、粘接、增塑剂）,热氧化分解反应
2、,220250以上发生， 800左右完全分解,CO2、CO、H2、烃和水气,如纤维素的热氧化分解反应： （C6H10O5）m7/2m O2（气）6m CO2（气）5m H2（气）,酸性焊条药皮中有机物的含量较高。,（545 910） （325 650）,2碳酸盐和高价氧化物的分解,碳酸盐（CaCO3、MgCO3 及 BaCO3 等）的分解 CaCO3 = CaO + CO2 MgCO3 = MgO + CO2,碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。,高价氧化物（Fe2O3 和 MnO2）的分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 F
3、eO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2,表7-2 碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分,低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”； 酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。,3材料的蒸发,焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。 金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn 氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF 后果： 合金元素的损失； 产生焊接缺陷； 增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。,极易蒸发,4、气体的分解,
4、简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体）的分解 ； 复杂气体（指CO2和H2O等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。,分解度,温度 T / K,CO2分解时气相的平衡成分 与温度的关系,气相体积分数/%,温度 T / K,双原子气体分解度与温度 的关系（P00.1MPa）,图7-3 H2O分解形成的气相成分与温度的关系（P00.1MPa）,温度 T /103K,气相体积分数 %,二、铸造过程中的气体来源,1气体的来源 铸造时的气体主要来源于熔炼过程、浇注过程和铸型。 熔炼过程 气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和
5、有机物燃烧产生的碳氢化合物等。,浇注过程 浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。,铸型 来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。即使烘干的铸型在浇注前也会吸收水分，并且粘土在液态金属的热作用下其结晶水还会分解。此外，有机物（粘结剂等）的燃烧也会产生大量气体。,高温下合金元素与铸型水蒸气反应产生氢气 ： 造型材料中的碳及有机物燃烧，产生CO和CO2气体： 砂型组分分解： 树脂砂中的尿素、乌洛托品(CH2)6N4等在高温下，首先分解生成NH3，然后继续分解： 还有烷烃的分解 ：,气相平衡与铸型内气体的成分,1） 经氧化-分
6、解反应后，在铸型与液态合金液界面处的气体主要有H2O、 H2、CO、CO2等，在一定温度下，它们之间可以达到平衡。,2）铸型内气体的成分随造型材料、温度、浇注后的时间而变化。 一般铸型内气体的成分为H2、CO、CO2 、O2 ，在含氮的树脂砂铸型中还有少量的N2。 粘结剂为有机物的铸型，浇注后型内O2迅速降低，H2的相对含量增加； 浇注温度高，铸型内自由碳含量高，有助于形成还原性气氛；反之， N2和氧化性气体O2、CO2含量较高。,第二节 气体在金属中的溶解,在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体和复杂气体两大类。前者如H2、N2、O2等，后者如CO2、H2O、CO等。本节主要
7、讨论 H2、N2 和 O2 在金属中的溶解规律。 一、气体的溶解过程 二、气体的溶解度,一、气体的溶解过程,原子或离子状态 直接溶入液态金属； 分子状态的气体 先分解为原子或离子之后再溶解到液态金属中。 双原子气体溶入金属液的两种方式： 吸附 分解 溶入 分解 吸附 溶入,双原子气体溶入金属液的两种方式,温度不够高或气体难以分解时 焊接温度下氢、氧等气体的溶解,二、气体的溶解度,溶解度 在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。,溶解度S的 影响因素,气体种类,合金成分,温度与压力,1温度和压力的影响,理想气体溶解度的平方根定律： Px 为气体分压， Px 溶解度 Kx 为常数，取决于温
8、度和金属的种类。,金属吸收气体为吸热反应，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应，溶解度随温度的上升而降低。,金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。,当金属由液相转变为固相时，溶解度的突然下降将对铸件和焊件中气孔的形成产生直接的影响。,氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向,2、氮、氢、氧在金属中的溶解度,氮、氢在铁中的溶解度,（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）,氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。,氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。,氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。,在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。
9、,SH/mL.(100g)-1,T/,图7-9 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）,a）,SH/mL.(100g)-1,T/,b）,第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，,T/,a）I类金属 b）II类金属,氧在金属中的溶解度与温度的关系,氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大,3、合金成分对溶解度的影响,氢在二元系铁合金中的溶解度（1600）,氢 溶 解 度,合金元素含量wMe /%,氮在二元系铁合金中的溶解度（1600）,合金元素含量wMe /%,氮溶解度SN/,液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能
10、与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。,SH/Ml.(100g)-1,第三节 气体对金属的氧化,主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的 氧化 一、金属氧化还原方向的判据 二、氧化性气体对金属的氧化,一、金属氧化还原方向的判据,在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压 Po2作为金属是否被氧化的判据。 2 MeO 2Me + O2 若氧在金属氧氧化物系统中的实际分压为Po2，则: Po2 Po2 时，金属被氧化； Po2 = Po2 时，处于平衡状态； Po2 Po2 时，金属被还原。,金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高
11、而增加。 除了 Ni 和 Cu 外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。FeO为纯凝聚相时，其分解压为：,图7-14 自由氧化物分解压与温度的关系,T/,Lg pO2/101.3kPa,P o2 是液态铁中FeO的分解压；FeO 是溶解在液态铁中的 FeO 浓度；FeOmax是液态铁中 FeO 的饱和浓度。 由上式可以看出，由于 FeO 溶于液态铁中，使其分解压减小，致使 Fe 更容易氧化。,计算得知，在高于铁熔点的温度下 Po2 很小，例如温度为1800， FeO 的质量分数为1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。,通常情况下FeO
12、溶于液态 铁中，这时其分解压为：,二、氧化性气体对金属的氧化,1、 自由氧对金属的氧化 2、 CO2 对金属的氧化 3、 H2O 对金属的氧化 4、 混合气体对金属的氧化,1、自由氧对金属的氧化,气相中 O2 的分压超过 Po2 时，将使 Fe 氧化： Fe + O2 = FeO + 26.97 kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76 kJ/mol 由反应的热效应看，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氧化，如： C + O2 = CO Si + O2 =（SiO2） Mn + O2 =（MnO）,纯CO2高温分解得到的平衡气
13、相成分和气相中氧的分压 Po2 ,随温度升高，气相的氧化性增加。,2、CO2对金属的氧化,当温度高于3000K时，CO2的氧化性超过了空气。,温度高于铁的熔点以后， Po2远大于Po2,高温下CO2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： CO2 Fe CO FeO 温度升高时，平衡常数K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 CO2 ，对铁也有很大的氧化性。因此，用CO2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。 用CO2 作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素,3、H2O对金属的氧化,H2O 气与 Fe 的
14、反应式和平衡常数为： H2O气 Fe FeO H2 可见，温度越高，H2O 的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比 CO2 小。但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相中 H2 的分压，导致金属增氢。,4、混合气体对金属的氧化,焊接电弧空间的气相是由多种气相成分混和而成。对于不同的焊接方法与焊材情况下，焊接区气相会有不同的组成。,O/g.(100g)-1，wO/%,Ar CO2,CO2，O2/% O2/%,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O与保护气体成分的关系 实线O 虚线wO (焊丝H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳钢),表7-2 碳
15、钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分,低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”； 酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。,酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。,第四节 气体的影响与控制,一、气体对金属质量的影响 二、气体的控制措施,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气体元素在金属中的存在状态。,室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低， 残留在接头中的 HR易导致延迟裂纹和氢脆。,固溶态 化合物 独立气相,弥散状（氮化物） 块状（氧化物、氮化物）,强化、脆化 夹杂,气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）,二、气体的控制措施,1限制气体的来源 2控制工艺参数 3冶金处理,1限制气体的来源,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，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； 焊接时，惰性气体或气渣联合保护。,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）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、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污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。,氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高
