第八章液态金属与气相的相互作用

1、1杨晓莉杨晓莉材料工程学院材料工程学院第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用2第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用3第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用4第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊接区的气体焊接区的气体焊条药皮、焊剂、焊芯焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂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、油漆、铁锈、水分母材坡口的油污、油漆、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

2、质气体直接进入直接进入间接分解间接分解5第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用1 1有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧2 2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解3 3材料的蒸发材料的蒸发 4 4、气体的分解、气体的分解6第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用热氧化分解反应热氧化分解反应 220250以上发生，以上发生， 800左右完全分解左右完全分解 CO2、CO、H2、烃和水气、烃和水气 如纤维素的热氧化分解反应：如纤维素的热氧化分解反应：（C6H10O5）m7/2m O2（气）（气）6m CO2（气）（气）5m H2（气）（气）

3、酸性焊条药皮中有机物的含量较高。酸性焊条药皮中有机物的含量较高。7第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用（545 910）（325 650） 碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。高价氧化物（高价氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高）（在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O28第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互

4、作用；9第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用极易蒸发极易蒸发 10第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用298H298H11第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用分分解解度度温度温度 T / KCO2分解时气相的平衡成分分解时气相的平衡成分与温度的关系与温度的关系气气相相体体积积分分数数/% 温度温度 T / K 双原子气体分解度双原子气体分解度与温度与温度的关系（的关系（P00.1MPa）12第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用图图7-3 H2O分解形成的气相成分与温度的关系（分解形成的气相成

5、分与温度的关系（P00.1MPa）温度温度 T /103K气气相相体体积积分分数数/%13第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用p浇注过程浇注过程 浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型浇包未烘干，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。等，都会使气体进入液态金属。p铸型铸型 来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。即使烘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干的铸型在浇注前也会吸收水分，并且粘土在液态

6、金属的热作用下其作用下其结晶水还会分解结晶水还会分解。此外，有机物（粘结剂等）的燃。此外，有机物（粘结剂等）的燃烧也会产生大量气体。烧也会产生大量气体。 14第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用22HOMeOHMennmnm24H2CCH222H) 1(CHCnnnn22HOMeOHMennmnm22HOMeOHMennmnm2COOC2222COO21CO 23COCaOCaCO2233HN2NH15第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用OHCOHCO222 TfppppKHCOOHCO22216第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属

7、与气相的相互作用 在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简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。前者如单气体和复杂气体两大类。前者如H2、N2、O2等，后者等，后者如如CO2、H2O、CO等。本节主要讨论等。本节主要讨论 H2、N2 和和 O2 在金属中的溶解规律。在金属中的溶解规律。 一、气体的溶解过程一、气体的溶解过程二、气体的溶解度二、气体的溶解度17第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用18第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用19第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用溶解

8、度溶解度S的的影响因素影响因素 气体种类气体种类合金成分合金成分温度温度与压力与压力20第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用xxPkS 21第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用气体溶解度与热效应和温度的关系气体溶解度与热效应和温度的关系1吸热溶解吸热溶解 2放热溶解放热溶解溶溶解解度度温度温度12 金属发生相变时，金属发生相变时，由于金属组织结构的由于金属组织结构的变化，气体的溶解度变化，气体的溶解度将发生突变。液相比将发生突变。液相比固相更有利于气体的固相更有利于气体的溶解。溶解。 当金属由液相转变当金属由液相转变为固相时，溶解度的为固相时

9、，溶解度的突然下降将对铸件和突然下降将对铸件和焊件中气孔的形成产焊件中气孔的形成产生直接的影响。生直接的影响。22第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用23第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）氮、氢在金属凝固氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。时溶解度陡降。氮、氢在奥氏体中的氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。溶解度大于铁素体。氮、氢在液态铁中的溶解氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。度随温度升高而增大。在铁的气化温度附近，在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。气体溶解度陡降。24第七章第七章 液态金属与气

10、相的相互作用液态金属与气相的相互作用SH/mL.(100g)-1T/图图7-9 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）a）I类金属类金属 b）II类金属类金属a）SH/mL.(100g)-1T/b）第第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随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，着温度的升高，氢的溶解度减小， 25第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用温度温度 T/溶解度溶解度SO/%与温度的关系与温度的关系氧在液态铁中的溶解度随氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大温度升高而增大26第七章第七章

11、液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用 氢在二元系铁合金中的溶解度（1600）氢溶解度SH/ml.(100g)-1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与气体形成稳定的化合物（即溶解度；若加入的合金元素能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。氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。 27第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用28第七章第七章

12、液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用29第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用43.626730lg2OTp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 pO2/101.3kPaMoO30第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用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，例很小，例如温度为如温度为1800，液态铁中，液态铁中 FeO 的质量分数为的质量分数为1时，时， Po2 =1.510-8 MPa，说明气相中只要存在微，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。量

13、的氧，即可使铁氧化。p 通常情况下通常情况下FeO溶于液态溶于液态 铁中，这时其分解压为：铁中，这时其分解压为： 2max2OOFeOFeO22pp31第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用32第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用p气相中气相中 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/molp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。p除了铁以外，钢

14、液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：生氧化，如： C + O2 = CO Si + O2 =（SiO2） Mn + O2 =（MnO）33第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用高温下高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。34第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用855.611576lgTK35第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用5.510200lgTK36第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金

15、属与气相的相互作用O/g.(100g)-1，wO/%ArCO2CO2，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。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)37第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用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。38第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用一、气体对金属质量的影响二、气体的控制措施39第七

16、章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用室温下室温下 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）40第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用41第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；熔炼时造渣覆盖（

17、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、，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。材料内的或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物碳氢化合物和材料和材料表面的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。 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在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应活泼金属时

18、，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，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。用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。 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。42第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用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，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、电流种类等也有一定的影响。性、电流种类等也有一定的影响。p 铸造过程中控制液态金属的铸造过程中控制液态金属的保温时间保温时间、浇注方式浇注方式和冷却速度和冷却速度，可在一定程度上减少金属中氮、氢、氧，可在一定程度上减少金属中氮、氢、氧的含量。的含量。43第七章第七章