材料成形过程中的冶金原理ppt课件

1、第八章第八章 资料成形过程中的化学冶金学资料成形过程中的化学冶金学The Chemical Metallurgy 资料成形资料成形(铸造、焊接时铸造、焊接时)的高温过程中，金的高温过程中，金属液化。与其周围的接触物质气体、熔渣、属液化。与其周围的接触物质气体、熔渣、形壁等发生不同的物理化学反响形壁等发生不同的物理化学反响化学冶化学冶金过程。金过程。 能够改动液态金属的化学成分。能够改动液态金属的化学成分。 影响固化后金属的物理化学性能。影响固化后金属的物理化学性能。1.1 导论导论一、液态成形的化学冶金特点一、液态成形的化学冶金特点主要发生在熔炼过程，包括炼钢、炼铁主要发生在熔炼过程，包括炼钢

2、、炼铁普通的化学反响：氧化、脱氧、脱硫、普通的化学反响：氧化、脱氧、脱硫、脱磷和合金化等脱磷和合金化等温度较低温度较低(1600左右左右),液态金属体积较液态金属体积较大大,熔炼时间较长熔炼时间较长,反响可以到达或接近平反响可以到达或接近平衡形状。衡形状。二、焊接过程的化学冶金特点二、焊接过程的化学冶金特点以典型的手工焊条焊接为例以典型的手工焊条焊接为例:1.焊芯焊芯core wire 2. 药皮药皮covering /coating 3. 熔滴熔滴droplet 4. 熔池熔池molten pool /weld pool 5. 焊缝金属焊缝金属WM 7. 液态熔渣液态熔渣molten sla

3、g 8. 熔渣熔渣(已凝固已凝固)slag药皮反响区药皮反响区熔滴反响区熔滴反响区熔池反响区熔池反响区1药皮反响区药皮反响区造渣反响区。焊条端部加热到造渣反响区。焊条端部加热到200-1200熔点的区域。熔点的区域。主要发生水的蒸发、固态药皮成分主要发生水的蒸发、固态药皮成分中的相互作用及分解反响：中的相互作用及分解反响：1)分解：分解：CaCO3CaO+CO2 有机物有机物H2+CO+H2O2)除水：除水：a.水分蒸发物理过程水分蒸发物理过程 b.结晶水，水化合物分解结晶水，水化合物分解 化学过程化学过程3)氧化：氧化：Mn+CO2MnO+CO Si+2FeO2Fe+SiO2 *GTAW、G

4、MAW无此区域无此区域(2)熔滴反响区特点：特点：1温度高温度高 1800-24002比外表积大比外表积大 极大的液态金属极大的液态金属-气体气体/熔渣熔渣 相界面大相界面大大加速了冶金反响大加速了冶金反响3反响时间短反响时间短(熔滴存在时间小于熔滴存在时间小于1s4熔滴金属与熔渣发生剧烈的混合：熔滴金属与熔渣发生剧烈的混合：化学反响猛烈、充分进展化学反响猛烈、充分进展*GTAW无此区域(3)熔池反响区焊接化学冶金反响的最后阶段。焊接化学冶金反响的最后阶段。特点：特点：1平均温度较低：平均温度较低： 1600-1900前后部温差大，反响方向不同。前后部温差大，反响方向不同。2比外表积小，但存在

5、反响时间较长。比外表积小，但存在反响时间较长。3熔池中金属、熔渣不断更新熔池中金属、熔渣不断更新(renewing)。2.2 液态金属与气体界面的反响一、气体来源一、气体来源1、液态成形过程中气体来源、液态成形过程中气体来源 1熔炼：炉和环境气氛熔炼：炉和环境气氛 H2O、N2、H2、O2、CO2、CO 2铸造：水气、有机物、空气、型砂、铸造：水气、有机物、空气、型砂、粘结剂粘结剂2、焊接成形过程中气体来源、焊接成形过程中气体来源1空气、维护气空气、维护气2来自药皮成分的气体来自药皮成分的气体1有机物分解、熄灭有机物分解、熄灭淀粉、纤维素、油污等淀粉、纤维素、油污等2碳酸盐和高价氧化物的分解碳

6、酸盐和高价氧化物的分解CaCO3CaO+CO2Fe2O3O2+Fe3O4O2+FeO3)资料中低佛点物质的蒸发资料中低佛点物质的蒸发H2O、Zn、Mg、KF、NaF4化学反响化学反响FeOFe+CO二、液态金属与气体的反响二、液态金属与气体的反响N2、H2、O2是对金属作是对金属作用最大有害的三种气用最大有害的三种气体。体。1、氮、氮 Nitrogen(1)氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解N22N 即即: 1/2N2N 平衡时深解度与氮溶平衡时深解度与氮溶解反响平衡常数及气解反响平衡常数及气相中分子氮的分压之相中分子氮的分压之间的关系间的关系:平方根定律平方根定律/西华特定律西华特定律Sive

7、rts law2NN=KPNSgN2离解度低离解度低T5000KHenrys 在气氛含氧时在空气中，虽然PN2 4000，且不溶于钢。且不溶于钢。3加稀土或稀有分散元素加稀土或稀有分散元素稀土金属稀土金属rare earths: 铈铈Ce 镧镧La 镱镱Yb稀有分散元素稀有分散元素rare elements：碲：碲Te 硒硒Se4焊接工艺规范：焊接工艺规范： DCRP5焊后脱氢处置焊后脱氢处置 250-350保温保温3、氧Oxygen与金属的作用两类两类:一类是不溶解氧的金属如一类是不溶解氧的金属如Al, Mg等；等； 另一类是能有限溶解氧的金属如：另一类是能有限溶解氧的金属如： Fe、Ni、

8、Cu、Ti等。生成的氧化物等。生成的氧化物能溶解于相应的金属中。能溶解于相应的金属中。1氧在金属中的溶解氧在金属中的溶解以以Fe为例为例:2FeO2Fe+O2反响方向反响方向氧在铁液中以原子氧和氧在铁液中以原子氧和FeO两种方式存在。两种方式存在。T ，溶解度，溶解度2氧化反响氧化反响pO2pO2 金属被氧化；金属被氧化； 金属被复原；金属被复原； = 平衡。平衡。气相中氧的实践分压气相中氧的实践分压 金属氧化物的分解压金属氧化物的分解压3氧的影响氧的影响(1)强度、韧性、塑性下降强度、韧性、塑性下降(2)CO气孔气孔(3)合金元素氧化合金元素氧化但但O并非越低越好，为防止氢的作用，构并非越低

9、越好，为防止氢的作用，构成针状铁素体组织等，都需求一定的成针状铁素体组织等，都需求一定的O。4氧的控制氧的控制与与N2不同，不同，O主要来源于焊接资料中的氧化物主要来源于焊接资料中的氧化物及分解氧化性气体。及分解氧化性气体。1控制药皮、焊剂、维护气体中的含氧量；控制药皮、焊剂、维护气体中的含氧量；2冶金脱氧冶金脱氧(deoxidation, deoxidixation) 3控制焊接工艺参数：电弧电压增大，空控制焊接工艺参数：电弧电压增大，空气与熔渣接触时机增多，能够导致焊缝增氧气与熔渣接触时机增多，能够导致焊缝增氧2.3 液态金属与熔渣的反响液态金属与熔渣的反响1、熔渣、熔渣作用：作用：1机械

10、隔离维护机械隔离维护2冶金处置：脱氧、脱硫、合金化冶金处置：脱氧、脱硫、合金化3改善焊接工艺性能：引弧改善焊接工艺性能：引弧(arc-striking)、稳弧稳弧 arc-stabilizing等等2、熔渣的成分和分类、熔渣的成分和分类熔炼金属时，常用的熔渣可以分为酸性和碱性两大类。熔炼金属时，常用的熔渣可以分为酸性和碱性两大类。主要成分：主要成分：SiO2、CaO、Al2O3CaO多，碱性；多，碱性； SiO2多，酸性。多，酸性。熔渣的碱度：熔渣的碱度：R1.2为碱性渣；为碱性渣；R=0.81.2为中性渣为中性渣焊接时根据熔渣的成分和性能可分为三类焊接时根据熔渣的成分和性能可分为三类1氧化物

11、型：运用得最多的一种焊接渣系，氧化物型：运用得最多的一种焊接渣系，有一定的氧化性有一定的氧化性 MnO-SiO2-FeO-CaO-TiO22盐型熔渣：无氧化性盐型熔渣：无氧化性 CaF2, NaF, BaCl23盐盐-氧化物型：上述两种类型的复合型氧化物型：上述两种类型的复合型 CaO-SiO2-CaF2焊接熔渣的碱度(basicity)根据分子实际(B1时为碱性渣,0为碱性渣,0为酸性渣,=0为中性渣):Mi为熔渣中第i种氧化物的摩尔分数；ai为第i种氧化物的碱度系数。22(+RO)=R OBROni= 1=iiBa M3、熔渣的物理性能、熔渣的物理性能1熔渣的粘度熔渣的粘度viscosit

12、y液体内部相对运动的摩擦力。液体内部相对运动的摩擦力。 长渣长渣long slag凝固温度范围大；凝固温度范围大； 短渣短渣short slag凝固温度范围小。凝固温度范围小。 短渣有利于全位置焊接。短渣有利于全位置焊接。2熔渣的熔点熔渣的熔点3熔渣的外表张力熔渣的外表张力4、活性熔渣对金属的氧化、活性熔渣对金属的氧化1分散氧化分散氧化 FeO既溶于渣，又溶于钢液，既溶于渣，又溶于钢液，因此能在熔渣与钢液之间因此能在熔渣与钢液之间进展分散分配，在一定温进展分散分配，在一定温度下平衡时，它在两相中度下平衡时，它在两相中的浓度符合分配定律：的浓度符合分配定律：2置换氧化置换氧化 铁或其它金属置换出

13、其它铁或其它金属置换出其它氧化物中元素而本身氧化氧化物中元素而本身氧化的过程。的过程。 Fe+(XO) (FeO)+XF eO =(F eO )L5、脱氧处置、脱氧处置前述氧化反响的逆反响即为脱氧处置。前述氧化反响的逆反响即为脱氧处置。常用脱氧剂常用脱氧剂deoxidizer, deoxidant, desoxidizer, desoxidant)Mn，Si，Ti1先期脱氧先期脱氧焊条药皮反响区发生的脱氧过程：Fe2O3)+(Mn)(MnO)+2(FeO) +(Mn)(MnO)+(Fe)2沉淀脱氧沉淀脱氧又称析出脱氧(precipitation deoxidation)3分散脱氧分散脱氧即分配

14、脱氧:控制L and/or (FeO)就可使FeO减少,即分散氧化逆过程T高,L小, Fe多(分散氧化)反之,分散脱氧FeO=(FeO)L6、金属中的硫和磷的控制1金属中硫的危害及控制金属中硫的危害及控制主要是构成低熔点共晶主要是构成低熔点共晶(low melting point eutectic)FeS-Fe和和Fe3P-Fe2金属中磷的危害及控制金属中磷的危害及控制1磷的危害磷的危害2控制磷的措施控制磷的措施 限制磷的来源；限制磷的来源； 冶金方法脱磷冶金方法脱磷5、合金化、合金化合金化：将所需的合金元素参与到金属中去的过程合金化：将所需的合金元素参与到金属中去的过程1合金化的目的合金化的

15、目的对于液态成形：主要是改善金属的组织性能。对于液态成形：主要是改善金属的组织性能。对于焊接成形：补偿在高温下金属由于蒸发或氧化等呵斥的损对于焊接成形：补偿在高温下金属由于蒸发或氧化等呵斥的损失；消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织与性能，或获得失；消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织与性能，或获得特殊性能的堆焊金属层。特殊性能的堆焊金属层。2合金化的方式合金化的方式1)经过合金焊丝或带极经过合金焊丝或带极2经过药芯焊丝或药皮或焊剂经过药芯焊丝或药皮或焊剂3经过合金粉末经过合金粉末3合金化的效果合金化的效果合金元素的过渡系数：熔敷金属中的实践含量与它原始含量合金元素的过渡系数：熔敷金属中的实践含量与它原始含量之比。之比。ddecwbcoCC=CC +K CCd为合金元素在熔敷金属中的含量；为合金元素在熔敷金属中的含量；Ce为合金元素的为合金元素的原始含