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1、复习资料：第4章 材料成形过程中的化学冶金1.焊接和铸造过程中的气体来源于何处？它们是如何产生的？答： 焊接区内的气体：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铸造过程中的气体：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和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。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。2. 氮、氢、氧对金属的质
2、量有何影响？答：1)使材料脆化 钢材中氮、氢或氧的含量增加时，其塑性和韧性都将下降，尤其是低温韧性下降更为严重。2)产生冷裂纹 冷裂纹是金属冷却到较低温度下产生的一种裂纹，其危害性很大。氢是促使产生冷裂纹的主要因素之一。3)形成气孔 氮和氢均能使金属产生气孔。液态金属在高温时可以溶解大量的氮或氢，而在凝固时氮或氢的溶解度突然下降，这时过饱和的氮或氢以气泡的形式从液态金属中向外逸出。当液态金属的凝固速度大于气泡的逸出速度时，就会形成气孔。4)引起氧化和飞溅 氧可使钢中有益的合金元素烧损，导致金属性能下降；焊接时若溶滴中含有较多的氧和碳，则反应生成的CO气体因受热膨胀会使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊
3、接过程的稳定性。此外应当指出，焊接材料具有氧化性并不都是有害的，有时故意在焊接材料中加入一定量的氧化剂，以减少焊缝的氢含量，改善电弧的特性，获得必要的熔渣物化性能。3. CO2、H2O和空气在高温下对金属的氧化性哪个大？答：在液态铁存在的温度，空气对金属的氧化性是最大的，而H2O 气的氧化性比 CO2小。4. 控制铸件或焊缝氮含量的重要措施是什么？答：1限制气体的来源 氮主要来源于空气，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。2控制工艺参数 金属中氮的含量与工艺参数密切相关。应尽量采用短弧焊。焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮含量减少。此外，焊接
4、方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。3冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。液态金属中加入Ti、Al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溶渣，从而减少金属的氮含量。5.如何控制铸件或焊缝氢的含量？答：控制铸件或焊缝氢的含量的措施有：1)限制气体的来源：氢主要来源于水分，包括原材料本身含有的水分、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。此外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。因此原材料使用前均应进行烘干、去油、除锈等处理；炉膛、除钢槽、浇包等均应充分干燥。2)控制工艺参数：应
5、尽量采用短弧焊，控制液态金属的保温时间、浇注方式、冷却速度，或调整焊接工艺参数，控制熔池存在时间和冷却速度等，可在一定程度上减少金属中氢的含量。3)冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。在金属冶炼过程中，常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。6、比较熔焊与熔炼过程中熔渣作用的异同点。熔渣对于焊接、合金熔炼的积极作用主要有机械保护作用，冶金处理作用和改善成形工艺性能作用。在焊接、合金熔炼过程中，熔渣对液态金属的机械保护方面的作用是相同的，熔渣比重轻于液态金属，高温下浮在液体表面，避免液态金属中合金元素氧化烧结，防止气相中氮氢氧硫溶入，减少
6、液态金属散热损失。而在熔焊过程中，熔池凝固后，熔渣凝固形成渣壳，覆盖在焊缝上，还可继续保护处在高温下焊缝金属免疫空气的有害作用。在熔渣的冶金处理作用方面，熔焊过程和合金熔炼过程中，均可利用熔渣与液态金属之间发生物化发应，去除金属中有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷，去氢等，熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物作用。而在熔焊过程，还可以通过熔渣向熔缝中过度合金。在熔焊过程中，熔渣还有改善焊缝成形性的作用，适当熔渣对电弧引燃，稳定燃烧，减少飞溅，改善脱渣性能及焊接外观成形等焊接工艺有利7、由熔渣的离子理论可知，液态碱性中自由氧离子的浓度远高于酸性渣，这是否意味着碱性渣的氧化性要比酸性渣更强？为
7、什么？答：不一定比酸性渣强。因为离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度就越大，虽然液态碱性渣中自由氧离子的浓度远大于酸性渣，但是它不一定与熔渣中的某些物质反应，进而不能体现出其具有氧化性，而酸性渣则可以，熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的氧化物FeO 的高低及该氧化物在熔渣中的活度来衡量的。8、本章介绍了熔渣的哪些物理性能？这些性能与熔渣的组成或碱度有什么联系？答：1）主要介绍了熔渣的凝固温度和密度，熔渣的粘度，熔渣的表面张力及界面张力及性能。1） 熔渣的凝固温度和密度主要取决于熔渣的成分，以一定比例构成的复合渣可使凝固温度大大降低，一般保持熔渣熔
8、点低于金属熔点100200C，熔渣的粘度与它的化学成分有关，含SiO2多的渣粘度大，含TiO2多的熔渣粘度小，熔渣表面张力主要取决与熔渣组元间化学键键能，酸性渣一般为共价键，表面张力小，碱性渣多为离子键，表面张力大，碱度大，表面张力大。9、熔渣的物理性能对熔焊质量有什么影响？答：1）熔渣的熔点过高，在金属熔炼和熔焊的过程中，将不能均匀覆盖在液态金属表面，保护效果差，还会影响焊缝外观成型，产生气孔和夹杂，一般熔渣熔点低于焊件熔点100200摄氏度。2）熔渣密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对速度，要保证熔渣与金属密度接近防止形成夹杂。3) 熔渣的粘度越小，流动性越好，扩散越容易对冶金反应进行
9、有利，焊接工艺要求出发，焊接熔渣粘度不能过小，否则容易流失，影响熔池在全位置焊时的成形和保护。4) 熔渣的表面张力与液态金属间界面张力对于冶金过程动力学及液态金属中熔渣等杂质相的排出有重要影响。它还影响到熔渣对液态金属的覆盖性能，并由此影响隔离保护效果及焊缝外观成型。10、为什么FeO在碱性渣中活度系数比在酸性渣中大？这是否说明碱性渣的氧化性高于酸性渣？为什么？答：1）渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO大部分以自由态存在，即F eO在渣中活度系数比在酸性渣中大。2）但这并不能说明碱性渣的氧化性大于酸性渣3）虽然碱性渣中FeO的活度系数大，但碱性渣中FeO的含量并不高，因此碱性渣对液
10、态金属的氧化性比酸性渣小11、冶炼与熔焊过程中熔渣的氧化性强会造成什么不良的后果？ 答；熔渣氧化性强，渣中的FeO更易向金属中扩散，使液态金属中增氧，熔炼液态金属增氧容易侵蚀炉衬，焊缝中增氧可能产生气孔等缺陷。12、采用碱性焊条施焊时，为什么要求严格清理去焊件坡口表面的铁锈和氧化皮，而用酸性焊条施焊或CO2焊时对焊前清理的要求相对较低？ 答：这种现象可以用熔渣的分子理论来解释。碱性渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO大部分以自由状态存在，即FeO在渣中的活度系数大，因而容易向金属中扩散，使液态金属中增氧。所以在碱性焊条药皮中一般不加入含FeO的物质，并要求焊接时严格清除在焊件表面上的
11、氧化皮和铁锈，否则将使焊缝增氧并可能产生气孔等的缺陷。而在酸性渣中，SiO2、TiO2等的酸性氧化物较多，它们能与FeO形成复杂的化合物（如FeO、SiO2），使自由的FeO 减少，故在熔渣中FeO含量相同的情况下，扩散到金属中的氧较少，CO2焊采用Mn,Si沉淀脱氧，CO2焊脱氢能力强，所以用酸性焊条施焊或CO2焊时对焊前清理的要求相对较低。13、有人说：“焊接过程中熔渣对液态金属的氧化反应比熔炼过程剧烈，但反应程度不如熔炼时彻底。”你认为这句话对吗？请说明原因。答：这句话是对的。因为熔焊时由于熔渣在高温状态下的存在时间短暂，因此扩散氧化程度一般远不能达到平衡状态，而熔炼过程中的扩散氧化进行
12、的较充分。14、何谓沉淀脱氧？试述生产中常用的几种沉淀脱氧反应。答：（1）沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的FeO起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并析出转入熔渣的一种脱氧方式。（2）生产中几种常用的沉淀脱氧反应： a 锰的脱氧反应，Mn+FeO=Fe+(MnO) b 硅的脱氧反应，Si+2FeO=2Fe+(SiO2) c 硅锰联合脱氧反应。15、试述铸造与焊接冶金工艺中常用的脱氧方式及特点。答：（1）先期脱氧 熔焊过程中先期脱氧的特点是脱氧过程和脱氧产物与高温的液态金属不发生直接关系，脱氧产物直接参与造渣。而在一般的熔炼钢铁炉中，也存在硅和锰等元素与炉气中的氧化性气体
13、发生反应，生成的氧化物进入熔渣，但此时并不是有目的地为了脱氧。（2）沉淀脱氧 这种方法的优点是脱氧速度快，脱氧彻底。但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量。（3） 扩散脱氧 这种方法的优点是脱氧产物留在熔渣中，液态金属不会因脱氧而造成夹杂。缺点是扩散过程进行的缓慢，脱氧时间长。 （4）真空脱氧 在一般真空处理条件下，碳只能起到部分脱氧的作用，尽管如此，用碳脱氧，脱氧产物不留在钢液中，所以对提高钢液质量有明显的效用。16、从冶金反应动力学角度分析熔渣粘度过大或过小所带来的问题。答：（1）扩散脱氧是在熔渣中加入脱氧剂，使脱氧元素与熔渣中的氧化亚铁起作用而达到间接脱去钢液中氧化亚铁的目的。如果
14、熔渣粘度过大，不利于钢液中氧化亚铁向熔渣中扩散，从而影响脱氧效果。 （2）熔渣脱硫的原理与扩散脱氧相似，其反应也包括有扩散过程。如果熔渣粘度过大，不容易传输，不利于脱硫反应进行。 （3）脱磷反应是在熔渣与钢液界面上进行的。随着反应的进行，界面处的CaO和FeO因反应而消耗，浓度减低，必然会引起渣层上方的CaO和FeO向界面传输。与此同时，反应生成的磷酸钙在界面处浓度增高，必然会向渣层上方传输。熔渣粘度过大，不利于这些传输过程的进行，因而脱磷效果降低。17、试述熔渣脱硫的原理及影响因素。答：（1）熔渣脱硫的原理与扩散脱氧相似,。根据它是利用FeS在熔渣中和金属液中的分配定律，通过在熔渣中脱S，达
15、到对金属的脱S作用。CaO、CaC2、MnO、MgO与熔渣中的FeS反应而进行脱硫，当熔渣中的FeS含量减少时，钢液中的FeS就向熔渣中扩散，这样就间接达到了脱去钢液中FeS的目的。 （2）影响因素 a、熔渣的还原性和碱度。在熔渣还原期中和熔渣的碱度高时都有利于脱硫。 b、粘度。粘度小有利于脱硫。 c、温度。脱硫反应是吸热反应，因此温度高有利于脱硫。 d、硫的活度。硫的活度大，容易从金属液中析出，有利于脱硫。18、磷在钢中有何危害？试述影响脱磷的因素有哪些。答：（1）当钢中含磷量过多时，将增加材料的冷脆性，即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。在含碳量较高的低合金钢和奥氏体钢中，磷也会促使产生热裂纹。 （2）影响脱磷的因素： a、熔渣的碱度和氧化性。高碱度和强氧化性的熔渣有利于脱磷反应进行。但当碱度超过3.0以上时，进一步提高碱度并不能将磷的分配比提得更高。实际上，熔渣碱度太高时，使得熔渣的粘度增大，反而使脱磷效果降低。 b、熔渣的粘度。粘度小有利于脱磷。 C、温度。脱磷反应是强放热反应，降低温度有利于反应的进行。但是，只有在高温下才能获得流动性良好的高碱度熔渣，所以温度必须适当，才能有效地脱
