材料成形基本原理第08章课件液态金属与熔渣的相互作用

1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第一节第一节 渣相的作用与形成渣相的作用与形成 第二节第二节 渣体结构及碱度渣体结构及碱度 第三节第三节 渣相的物理性质渣相的物理性质第四节第四节 活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对金属的氧化合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第一节第一节 渣相的作用与形成渣相的作用与形成 焊接过程中或合金熔炼过程

2、中，和液态金属接触并发生化焊接过程中或合金熔炼过程中，和液态金属接触并发生化学冶金反应的除了气体介质之外，还有高温下熔融的液态熔学冶金反应的除了气体介质之外，还有高温下熔融的液态熔渣。了解熔渣的特性，对于控制焊接、铸造过程中的化学冶渣。了解熔渣的特性，对于控制焊接、铸造过程中的化学冶金反应十分重要。金反应十分重要。 一、熔渣的作用一、熔渣的作用 二、焊接熔渣的分类与来源二、焊接熔渣的分类与来源 三、铸造熔炼过程中的熔渣三、铸造熔炼过程中的熔渣合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作一、熔渣的作用一、

3、熔渣的作用示例见药皮焊条电弧焊过程图。示例见药皮焊条电弧焊过程图。1. 1. 机械保护作用机械保护作用2. 2. 冶金处理作用冶金处理作用 3. 3. 改善成形工艺性能作用改善成形工艺性能作用合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作1. 机械保护作用机械保护作用 熔渣的比重一般轻于液态金属，高温下浮在液熔渣的比重一般轻于液态金属，高温下浮在液态金属的表面，使之态金属的表面，使之与空气隔离与空气隔离，可避免液态金属，可避免液态金属中合金元素的氧化烧损，防止气相中的氢、氮、氧、中合金元素的氧化烧损，防止

4、气相中的氢、氮、氧、硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。熔渣凝硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以继续保护处在固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以继续保护处在高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作2. 冶金处理作用冶金处理作用 熔渣与液态金属之间能够发生一系列物化反应，熔渣与液态金属之间能够发生一系列物化反应，从而对金属与合金成分给予较大影响。适当的熔渣从而对金属与合金成分给予较大影响。适

5、当的熔渣成分，可以去除金属中的有害杂质，如成分，可以去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱氧、脱硫、脱磷和去氢脱磷和去氢。熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属。熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物的作用。焊接过程中，可通过熔渣中非金属夹杂物的作用。焊接过程中，可通过熔渣向焊缝中过渡合金向焊缝中过渡合金。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作3. 改善成形工艺性能作用改善成形工艺性能作用 适当的熔渣（或焊条药皮）构成，对于熔焊适当的熔渣（或焊条药皮）构成，对于熔焊电弧的引电弧的引燃、稳定燃烧、

6、减少飞溅，改善脱渣性能及焊缝外观成形燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性能及焊缝外观成形等焊接工艺性能的影响至关重要；电弧炉熔炼时，熔渣起等焊接工艺性能的影响至关重要；电弧炉熔炼时，熔渣起到到稳定电弧燃烧稳定电弧燃烧作用；采用熔渣保护浇铸可减少铸件和铸作用；采用熔渣保护浇铸可减少铸件和铸型间的粘合，提高铸件表面质量并降低内应力；型间的粘合，提高铸件表面质量并降低内应力； 熔渣也有不利的作用，如强氧化性熔渣可以使液态金熔渣也有不利的作用，如强氧化性熔渣可以使液态金属增氧，可以属增氧，可以侵蚀炉衬侵蚀炉衬；密度大或熔点过高的熔渣易残留；密度大或熔点过高的熔渣易残留在金属中在金属中形成夹渣形成夹渣。合

7、肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作二、焊接熔渣的分类与来源二、焊接熔渣的分类与来源（一）（一） 焊接熔渣的类型焊接熔渣的类型（二）（二） 焊接熔渣的来源焊接熔渣的来源合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作（一）（一） 焊接熔渣的类型焊接熔渣的类型按焊接熔渣的组成物分类：按焊接熔渣的组成物分类：盐型熔渣盐型熔渣盐盐氧化物型熔渣氧化物型熔渣 氧化物型熔渣氧化物型熔渣 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普

8、通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作盐盐 型型 熔熔 渣渣 主要由金属主要由金属氟酸盐、氯酸盐氟酸盐、氯酸盐和和不含氧的化合物不含氧的化合物组组成。如：成。如： CaF2 NaF 、 CaF2 BaCl2 NaF 、 KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2- MgF2- CaF2-LiF 盐型熔渣的氧化性很小，主要用于盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝、钛等活性铝、钛等活性金属金属的焊接。的焊接。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制

9、作盐盐氧化物型熔渣氧化物型熔渣 主要由主要由氟化物和金属氧化物氟化物和金属氧化物组成。如：组成。如： CaF2 CaO Al2O3 CaF2 CaO SiO2 CaF2 MgO Al2O3 SiO2 这类熔渣的氧化性较小，主要用于重要的这类熔渣的氧化性较小，主要用于重要的低合低合金高强钢、合金钢及合金金高强钢、合金钢及合金的焊接。的焊接。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作氧氧 化化 物物 型型 熔熔 渣渣 这类熔渣含有这类熔渣含有较多的弱碱金属氧化物较多的弱碱金属氧化物，是应用，是应用最为普

10、遍的一类渣系，如：最为普遍的一类渣系，如： MnO SiO2 、 FeO MnO SiO2 、 CaO Ti02 SiO2 等。等。 这类熔渣一般具有较强的氧化性，用于这类熔渣一般具有较强的氧化性，用于低碳钢、低碳钢、低合金高强钢低合金高强钢的焊接。的焊接。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作（二）熔渣的来源与构成（二）熔渣的来源与构成1 1、 药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮2 2、 埋弧焊、电渣焊埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂过程中的熔渣与焊剂合肥工业大学材料科学与

11、工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作1、药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮、药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮 药皮焊条电弧焊时的熔渣来源于焊条药皮焊条电弧焊时的熔渣来源于焊条药皮中的造渣药皮中的造渣剂剂，通常包括钛铁矿（，通常包括钛铁矿（TiO2FeO）、金红石（）、金红石（TiO2）、）、大理石（大理石（CaCO3）、白云石（）、白云石（ CaCO3 MgCO3 ）、石）、石英砂（英砂（SiO2）、长石、白泥和云母（）、长石、白泥和云母（SiO2Al2O3）等。）等。 焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴焊接过程

12、中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面。与熔池表面。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊条类型焊条类型熔渣化学成分（熔渣化学成分（%）熔渣碱度熔渣碱度SiO2TiO2Al2O3FeO MnO CaO MgO Na2O K2O CaF2钛型钛型23.437.710.06.911.73.70.52.22.90.43-2.0钛钙型钛钙型25.130.23.59.513.78.85.21.72.30.76-0.9钛铁矿型钛铁矿型29.214.01.115.626.58.71.31.41.1

13、0.88-0.1氧化铁型氧化铁型40.41.34.522.719.31.34.61.81.50.60-0.7纤维素型纤维素型34.717.55.511.914.42.15.83.84.30.60-1.3低氢型低氢型24.17.01.54.03.535.8-0.80.820.31.860.9表表8-1 药皮焊条电弧焊熔渣的化学成分举例药皮焊条电弧焊熔渣的化学成分举例低氢型焊条又称碱性焊条，主要特点是不含具有造气功能的有机物而含大量碳低氢型焊条又称碱性焊条，主要特点是不含具有造气功能的有机物而含大量碳酸盐和一定数量的酸盐和一定数量的CaF2 。碳酸盐在加热分解过程中形成熔渣（。碳酸盐在加热分解过程

14、中形成熔渣（CaO或或MgO）并放出并放出 CO2 气体。气体。CaF 除了造渣作用之外，还能减少液态金属中的氢含量。除了造渣作用之外，还能减少液态金属中的氢含量。 除低氢型焊条外的为酸性焊条，这类焊条药皮不论是以硅酸盐为主还是以钛除低氢型焊条外的为酸性焊条，这类焊条药皮不论是以硅酸盐为主还是以钛酸盐为主，一般不含酸盐为主，一般不含CaF2 ，含少量碳酸盐和有机物。，含少量碳酸盐和有机物。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊条类型焊条类型熔渣化学成分（熔渣化学成分（%）熔渣碱度熔渣碱度SiO

15、2TiO2Al2O3FeO MnO CaO MgO Na2O K2O CaF2钛型钛型23.437.710.06.911.73.70.52.22.90.43-2.0钛钙型钛钙型25.130.23.59.513.78.85.21.72.30.76-0.9钛铁矿型钛铁矿型29.214.01.115.6 26.58.71.31.41.10.88-0.1氧化铁型氧化铁型40.41.34.522.7 19.31.34.61.81.50.60-0.7纤维素型纤维素型34.717.55.511.914.42.15.83.84.30.60-1.3低氢型低氢型24.17.01.54.03.535.8-0.80.

16、820.31.860.9表表8-1 药皮焊条电弧焊熔渣的化学成分举例药皮焊条电弧焊熔渣的化学成分举例合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作2、埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂、埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂 埋弧焊、电渣焊过程中，堆积在焊件坡口上方的焊剂受热熔化，埋弧焊、电渣焊过程中，堆积在焊件坡口上方的焊剂受热熔化，形成熔渣，覆盖在焊接电弧和熔池上方，对熔化金属起保护和冶金处形成熔渣，覆盖在焊接电弧和熔池上方，对熔化金属起保护和冶金处理作用。焊剂是与焊丝理作用。焊剂是与焊丝(或焊带或焊带)配套

17、使用的，焊丝的作用相当于焊条配套使用的，焊丝的作用相当于焊条中的焊芯，焊剂的作用相当于焊条中的药皮。焊剂与焊丝的合理匹配中的焊芯，焊剂的作用相当于焊条中的药皮。焊剂与焊丝的合理匹配是决定焊缝金属化学成分和力学性能的重要因素。是决定焊缝金属化学成分和力学性能的重要因素。熔炼焊剂熔炼焊剂 由一些氧化物和氟化物组成；由一些氧化物和氟化物组成； 非熔炼焊剂非熔炼焊剂（烧结焊剂、粘结焊剂）（烧结焊剂、粘结焊剂） 易于实现焊缝金属易于实现焊缝金属的合金化。的合金化。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作三、铸

18、造熔炼过程中的熔渣三、铸造熔炼过程中的熔渣 钢铁熔炼熔渣的主要成分有钢铁熔炼熔渣的主要成分有 SiO2、CaO、Al2O3 、FeO、MgO、MnO 等氧化物和少量等氧化物和少量CaF2 ，其来源为：，其来源为：生铁或废钢原材料中所含的各种合金元素生铁或废钢原材料中所含的各种合金元素,熔炼过程中由于熔炼过程中由于氧化而形成的氧化物；氧化而形成的氧化物；作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等；作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等；原材料带入的泥沙或铁锈；原材料带入的泥沙或铁锈；u加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、铁矾土、粘加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、铁矾土、粘土砖块等；土砖块等；

19、u浸蚀下来的炉衬耐火材料；浸蚀下来的炉衬耐火材料；u脱氧、脱硫产物。脱氧、脱硫产物。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作有色金属熔炼中熔渣主要来源于熔剂有色金属熔炼中熔渣主要来源于熔剂，熔炼中用于，熔炼中用于除气、除气、脱氧脱氧或或去夹杂去夹杂的熔剂品种繁多。如：铝合金精炼时采用以的熔剂品种繁多。如：铝合金精炼时采用以NaCl、KCl为主的多种氯化盐混合成低熔点的熔剂；铜合为主的多种氯化盐混合成低熔点的熔剂；铜合金精炼时常用的熔剂有木炭、玻璃金精炼时常用的熔剂有木炭、玻璃（Na2OCaO6SiO

20、2）、苏打（）、苏打（Na2CO3）、石灰）、石灰（CaO）和硼砂（）和硼砂（Na2B4O7）等。）等。钢铁熔炼时的熔渣成分还与具体熔炼方法有关钢铁熔炼时的熔渣成分还与具体熔炼方法有关。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第二节第二节 渣体结构及碱度渣体结构及碱度 一、熔渣结构的分子理论一、熔渣结构的分子理论二、熔渣的离子理论二、熔渣的离子理论三、熔渣的碱度三、熔渣的碱度合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工

21、程学院制作一、熔渣结构的分子理论一、熔渣结构的分子理论（1）液态熔渣是由）液态熔渣是由自由状态化合物自由状态化合物（包括氧化物、氟化物、（包括氧化物、氟化物、硫化物的分子等）和硫化物的分子等）和复合状态化合物复合状态化合物（酸性氧化物和碱性氧（酸性氧化物和碱性氧化物生成的盐）的分子所组成；化物生成的盐）的分子所组成； （2）氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态；）氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态； （3）只有渣中的）只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用生作用。如：。如： （FeO）+ C = Fe + CO 而硅酸铁而硅酸铁 (F

22、eO)2SiO2 中的中的 FeO 不能参与上面的反应。不能参与上面的反应。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作二、熔渣的离子理论二、熔渣的离子理论（1）认为液态熔渣是由）认为液态熔渣是由正离子正离子和和负离子负离子组成的电中性溶液。组成的电中性溶液。（2）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的综合综合矩（离子电荷矩（离子电荷/离子半径）离子半径）。离子的综合矩越大，说明它的离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大。静电场越强

23、，与异号离子的引力越大。（3）液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是）液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子与离子交原子与离子交换电荷的过程换电荷的过程。如：。如： Si4 + 2 Fe = 2 Fe2 + Si 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作离子离子离子半径离子半径/nm综合矩综合矩102（静库（静库/cm）离子离子离子半径离子半径/nm综合矩综合矩102（静库（静库/cm）K0.1333.61Ti40.06828.2Na0.0955.05Al30.05028.8Ca20.1069.0S

24、i40.04147.0Mn20.09110.6F-0.1333.6Fe20.08311.6PO43-0.2765.2Mg20.07812.9S2-0.1745.6Mn30.07020.6SiO44-0.2796.9Fe30.06721.5O2-0.1327.3阳离子中阳离子中Si4 的综合矩最大，而阴离子中的综合矩最大，而阴离子中O2-的综合矩最大，的综合矩最大，所以二者最易结合为复杂的硅氧阴离子所以二者最易结合为复杂的硅氧阴离子SiO44- 。 表表8-3 正、负离子的综合矩正、负离子的综合矩合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原

25、理合肥工业大学材料科学与工程学院制作三、熔渣的碱度三、熔渣的碱度 熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的碱度密熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的碱度密切相关，碱度对液态金属的脱硫、脱磷效果也有切相关，碱度对液态金属的脱硫、脱磷效果也有重要影响。重要影响。 （一）熔渣碱度的分子理论（一）熔渣碱度的分子理论 （二）熔渣碱度的离子理论（二）熔渣碱度的离子理论 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作（一）熔渣碱度的分子理论（一）熔渣碱度的分子理论 按照分子理论，按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性

26、氧化物浓度的熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值比值。表示为：。表示为： 碱性氧化物：碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等等 酸性氧化物：酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。等。 考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为： 0.018CaO+0.015MgO+0.006CaF2+0.014(K2O+Na2O)+0.007(MnO+FeO) B1 = 0.017SiO2 + 0.005(Al2O3 + TiO2 + ZrO2） 当当B11为碱性渣，为碱性渣，B11为酸性渣，为酸性渣，B1=1为中性渣为中

27、性渣。 酸性氧化物的摩尔分数碱性氧化物的摩尔分数B合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作（二）熔渣碱度的离子理论（二）熔渣碱度的离子理论 把把液态熔渣中自由氧离子的浓度液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）定义为碱度。渣中（或氧离子的活度）定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为： Mi 是渣中第是渣中第 I 种氧化物的摩尔分数，种氧化物的摩尔分数，ai 是该氧化物的碱度系数。是该氧化物的碱度系数。 表表8-4 渣中常见氧化物的渣

28、中常见氧化物的ai值值niiiMa12B氧化物氧化物K2ONa2OCaOMnOMgOFeOSiO2TiO2ZrO2Al2O3Fe2O3ai值值9.08.56.054.84.03.4-6.31-4.97-0.2-0.20 当当B20时为碱性渣，时为碱性渣，B20为酸性渣，为酸性渣，B2= 0为中性渣为中性渣。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 碱性渣的碱性渣的ai为正值，这是因为碱性氧化物在液态渣为正值，这是因为碱性氧化物在液态渣中产生中产生O2，例如：，例如： CaO = Ca2 + O2而酸

29、性氧化物消耗渣中的而酸性氧化物消耗渣中的O2： SiO2 + 2 O2 = SiO44因此，因此，碱性渣中碱性渣中O2多，碱度高；多，碱度高； 酸性渣中酸性渣中O2少，碱度低少，碱度低。 O2越多，是否意味越多，是否意味着氧化性越强？着氧化性越强？合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第三节第三节 渣相的物理性质渣相的物理性质 一、熔渣的凝固温度与密度一、熔渣的凝固温度与密度二、熔渣的粘度二、熔渣的粘度 三、熔渣的表面张力及界面张力三、熔渣的表面张力及界面张力 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普

30、通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作一、熔渣的凝固温度与密度一、熔渣的凝固温度与密度 熔渣是一个多元体系，它的液固转变是在一定温度区熔渣是一个多元体系，它的液固转变是在一定温度区间进行的。一般构成熔渣的各组元独立相的熔点较高，间进行的。一般构成熔渣的各组元独立相的熔点较高，而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。 金属熔炼或熔焊中，要求熔渣的熔点金属熔炼或熔焊中，要求熔渣的熔点略低于略低于熔炼（或熔炼（或母材）金属。过高（或过低）的熔渣熔点，都会影响对母材）金属。过高（或过低）的

31、熔渣熔点，都会影响对液态金属的保护效果和焊缝外观成形。液态金属的保护效果和焊缝外观成形。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作密度也是熔渣的基本性质之一，它影响熔渣与液态金属间密度也是熔渣的基本性质之一，它影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。的相对位置与相对运动速度。密度大的熔渣易滞留于金属密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂内部形成夹杂。选用焊材时，

32、首先要保证所形成的熔渣具。选用焊材时，首先要保证所形成的熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。有合适的凝固温度范围和较低的密度。 表表8-5几种常见化合物的熔点和密度几种常见化合物的熔点和密度化化 合合 物物FeOMnOSiO2TiO2Al2O3(FeO)2SiO2MnOSiO2(MnO)2SiO2熔熔 点点 / 13691580172318252050120512701326密度密度/(103kg/m3)5.805.112.264.073.954.303.604.10合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与

33、工程学院制作二、熔渣的粘度二、熔渣的粘度 熔渣的粘度是一个较为重要的性能，过大与过小都不理想。熔渣的粘度是一个较为重要的性能，过大与过小都不理想。粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速度。粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速度。粘度过小的熔渣容易流失，影响对熔池（或焊缝）在全位置粘度过小的熔渣容易流失，影响对熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。焊接时的成形和保护效果。熔渣的粘度与它的成分和结构有关，一般，液态熔渣的粘熔渣的粘度与它的成分和结构有关，一般，液态熔渣的粘度随温度下降而上升。这是由于随温度下降，熔渣中离子度随温度下降而上升。这是由于随温度下降，熔渣中离子（

34、或粒子）的聚合度增大，粘度随之增加。（或粒子）的聚合度增大，粘度随之增加。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作药皮焊条电弧焊时，根据熔渣药皮焊条电弧焊时，根据熔渣粘度随温度变化的速率，将熔粘度随温度变化的速率，将熔渣分为渣分为“长渣长渣”和和“短渣短渣”两两类。类。随温度增高粘度急剧下降的渣随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高粘度称为短渣，而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣。下降缓慢的渣称为长渣。短渣在焊缝凝固后迅速凝固，短渣在焊缝凝固后迅速凝固，可保证可保证全位置全位置焊缝外观成

35、型，焊缝外观成型，长渣只能用于平焊位置焊接。长渣只能用于平焊位置焊接。长渣长渣 T1 T2 T 短渣短渣图图8-3 熔渣粘度与温度的关系熔渣粘度与温度的关系合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作渣的粘度与它的成分和结构有关。含渣的粘度与它的成分和结构有关。含 SiO2 多的渣多的渣结构复杂，结构复杂， Si-O 阴离子聚合程度大，离子尺寸大，阴离子聚合程度大，离子尺寸大，粘度大。在温度升高时复杂的粘度大。在温度升高时复杂的 Si-O 离子逐渐破坏，离子逐渐破坏，形成较小的形成较小的 Si-O 阴离

36、子，粘度缓慢下降，因此阴离子，粘度缓慢下降，因此含含 SiO2 多的酸性渣为长渣多的酸性渣为长渣。碱性渣中离子尺寸小，。碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此降，因此碱性渣为短渣碱性渣为短渣。u 含含 SiO2 多的熔渣多的熔渣 Si-O 阴离子聚合程度大阴离子聚合程度大，复杂阴离子，复杂阴离子的尺寸大，粘度大。的尺寸大，粘度大。 u 在酸性渣中减少在酸性渣中减少 SiO2 ，增加，增加 TiO2 或或增加碱性氧化物的增加碱性氧化物的含量含量，都可以使复杂的，都可以使复杂的 Si-O 阴离子减少，可降低粘度，阴离子减

37、少，可降低粘度，使渣使渣成为短渣成为短渣。 u 渣中渣中加入加入 CaF2 可起到很好的稀释作用可起到很好的稀释作用。碱性渣中。碱性渣中 CaF2 能促使能促使 CaO 熔化，降低粘度；酸性渣中熔化，降低粘度；酸性渣中CaF2 的的 F- 能破坏能破坏 Si-O 键，减小聚合离子尺寸，降低粘度。因此在焊接熔渣和键，减小聚合离子尺寸，降低粘度。因此在焊接熔渣和炼钢熔渣中常用炼钢熔渣中常用 CaF2 作为稀释剂。作为稀释剂。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作三、熔渣的表面张力及界面张力三、熔渣的表

38、面张力及界面张力 熔渣的表面张力及熔渣与液态金属间的界面张力对于熔渣的表面张力及熔渣与液态金属间的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形。此影响隔离保护效果及焊缝外观成形。 化学键与表面张力化学键与表面张力 熔渣与液态金属间的界面张力熔渣与液态金属间的界面张力合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作表面张

39、力的表面张力的影响因素影响因素温度温度 T化学键与表面张力化学键与表面张力原子间键能原子间键能合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作碱性氧化物碱性氧化物（如如MgO、CaO、Al2O3、MnO、FeO等）等）一般为一般为离子键化合物离子键化合物，表面张力较大表面张力较大。酸性氧化物酸性氧化物（如如SiO2、TiO2等）等）一般为一般为极性键化合物极性键化合物，表表面张力较小面张力较小。碱度高的渣表面张力大。碱度高的渣表面张力大。在碱性渣中加入酸性氧化物在碱性渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B

40、2O3等能降低等能降低碱性渣的表面张力。碱性渣的表面张力。CaF2对降低熔渣表面张力也有显著作用对降低熔渣表面张力也有显著作用。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作熔渣与液态金属间的界面张力熔渣与液态金属间的界面张力界面张力小时，熔渣对金属的覆盖保护效果较好；界面张力小时，熔渣对金属的覆盖保护效果较好；反之则有利于熔渣从液态金属中分离。反之则有利于熔渣从液态金属中分离。酸性渣与液态金属间的界面张力较小，对液态金酸性渣与液态金属间的界面张力较小，对液态金属的润湿性较好，熔渣在钢液表面易铺展，对钢属

41、的润湿性较好，熔渣在钢液表面易铺展，对钢液的保护效果较好。形成夹杂的倾向较小。液的保护效果较好。形成夹杂的倾向较小。 碱性焊条施焊时，覆盖在熔滴表面的熔渣表面张碱性焊条施焊时，覆盖在熔滴表面的熔渣表面张力较大，易造成熔滴粗化，飞溅增多。力较大，易造成熔滴粗化，飞溅增多。 酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，焊缝鱼鳞纹细密，外观成形好。焊缝鱼鳞纹细密，外观成形好。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第四节第四节 活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对金属

42、的氧化一、熔渣的氧化性一、熔渣的氧化性二、扩散氧化二、扩散氧化三、置换氧化三、置换氧化 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作一、熔渣的氧化性一、熔渣的氧化性高温下覆盖在液态金属表面的熔渣，既有对液态高温下覆盖在液态金属表面的熔渣，既有对液态金属的保护作用和促进化学冶金反应过程顺利进金属的保护作用和促进化学冶金反应过程顺利进行的作用，也有对液态金属污染的副作用，其中行的作用，也有对液态金属污染的副作用，其中包括氧化性较强的熔渣对液态金属的氧化。包括氧化性较强的熔渣对液态金属的氧化。熔渣的氧化（或还

43、原）能力是指熔渣向液态金属熔渣的氧化（或还原）能力是指熔渣向液态金属中传入氧（或从液态金属中导出氧）的能力。氧中传入氧（或从液态金属中导出氧）的能力。氧化性较强的熔渣又称为化性较强的熔渣又称为活性熔渣活性熔渣。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作熔渣的氧化性与熔渣的氧化性与 FeO 的活度的活度 熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的氧化物氧化物 FeO 量量的高低及该氧化物在熔渣中的的高低及该氧化物在熔渣中的活度活度来衡量。来衡量。 由于熔渣并非理想溶液，

44、渣中氧化铁的含量并不是由于熔渣并非理想溶液，渣中氧化铁的含量并不是参加氧化反应时的参加氧化反应时的有效浓度有效浓度，氧化反应是否进行与，氧化反应是否进行与 FeO 在熔渣中的实际活度在熔渣中的实际活度 FeO 有关有关 。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作图图8-4 多元渣系中多元渣系中FeO的的等活度曲线等活度曲线 （1600） FeO在碱性渣中的活度系数比在酸性渣中大在碱性渣中的活度系数比在酸性渣中大 对于一定对于一定FeO含量的熔渣，当熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物含量的熔渣，当熔渣中碱

45、性氧化物与酸性氧化物的含量比（即熔渣碱度的含量比（即熔渣碱度B）为）为2时所对应的熔渣氧化性最强。时所对应的熔渣氧化性最强。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作熔渣的氧化性与温度的关系熔渣的氧化性与温度的关系已知熔渣成分时，根据图已知熔渣成分时，根据图8-4查出查出1600下熔渣中下熔渣中FeO的活的活度度FeO ，再通过下式可以估算出该温度下熔渣与液态金属构成，再通过下式可以估算出该温度下熔渣与液态金属构成的系统达到平衡时液态金属中的含氧量：的系统达到平衡时液态金属中的含氧量： % O =

46、% O max FeO 式中式中 % O max 为在纯氧化铁构成的熔渣下，与之平衡时液态金属中为在纯氧化铁构成的熔渣下，与之平衡时液态金属中 % O 的极限含量。的极限含量。 % O max 是与温度有关的常数，其关系式为：是与温度有关的常数，其关系式为： 当当T = 1600 时，时， % O max = 0.23 。 随温度升高，熔渣的氧化性增大随温度升高，熔渣的氧化性增大。734.26320O%lgmaxT合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作二、扩散氧化二、扩散氧化 熔渣中的熔渣中的Fe

47、O既溶于渣又溶于液态钢，在一定温度既溶于渣又溶于液态钢，在一定温度下，它在两相中的平衡浓度符合分配定律：下，它在两相中的平衡浓度符合分配定律：FeOFeOL 当温度不变时，增加液态熔渣中的当温度不变时，增加液态熔渣中的FeO的含量将会使的含量将会使液态金属增氧。液态金属增氧。 温度升高时温度升高时L值减小，即高温时，值减小，即高温时，FeO更容易向金属更容易向金属中分配。中分配。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊接过程中的扩散氧化焊接过程中的扩散氧化 焊接时渣中的焊接时渣中的FeO对金属的扩

48、对金属的扩散氧化主要是在散氧化主要是在熔滴阶段和熔池熔滴阶段和熔池前部高温区前部高温区向液向液态金属中过渡的。态金属中过渡的。 在熔池尾部，随着在熔池尾部，随着温度的下降，液态金温度的下降，液态金属中过饱和的氧化铁属中过饱和的氧化铁会向熔渣中扩散，这会向熔渣中扩散，这一过程称之为扩散脱一过程称之为扩散脱氧。氧。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作FeO的分配常数的分配常数L与温度和熔渣的性质有关。与温度和熔渣的性质有关。 在在SiO2饱和的酸性渣中有：饱和的酸性渣中有： 在在CaO饱和的碱性渣中

49、有：饱和的碱性渣中有：877.14906lgTL980.15014lgTL 比较两式中比较两式中 L 值大小可以发现，在熔渣中含值大小可以发现，在熔渣中含 FeO 相同的相同的情况下，碱性渣时金属中的情况下，碱性渣时金属中的FeO含量比酸性渣时大。含量比酸性渣时大。 即即: FeO 在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配。FeOFeOL熔渣类型熔渣类型1000K2000K2500KlgL 酸性渣酸性渣3.0290.5760.083lgL 碱性渣碱性渣3.0340.5270.0256 而：而：合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级

50、规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作不应当认为碱性焊条的焊缝含不应当认为碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的高。事实上氧量比酸性焊条的高。事实上多数情况下碱性焊条的焊缝含多数情况下碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低。这是由于氧量比酸性焊条低。这是由于尽管碱性渣中尽管碱性渣中FeO的活度系的活度系数大，但碱性渣中数大，但碱性渣中FeO的含的含量并不高（量并不高（见表见表81），因），因此此碱性渣对液态金属的氧化性碱性渣对液态金属的氧化性比酸性渣要小。比酸性渣要小。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理

51、合肥工业大学材料科学与工程学院制作 实际扩散氧化反应进行的程度取决于界面附近实际扩散氧化反应进行的程度取决于界面附近FeO的的扩散速度扩散速度、接触界面面积大小接触界面面积大小与与扩散反应扩散反应时间时间。熔焊时由于熔渣在高温液态下的存在时间。熔焊时由于熔渣在高温液态下的存在时间短暂，因此短暂，因此扩散氧化程度一般远不能达到平衡状扩散氧化程度一般远不能达到平衡状态态。图中酸性渣所对应的焊缝含氧量高，不仅仅。图中酸性渣所对应的焊缝含氧量高，不仅仅是渣中是渣中FeO扩散氧化的影响。扩散氧化的影响。 炼钢过程中的扩散氧化可以进行得较为充分炼钢过程中的扩散氧化可以进行得较为充分。合肥工业大学材料科学与

52、工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作三、置换氧化三、置换氧化 如果熔渣中含有比较多的如果熔渣中含有比较多的易分解的氧化物易分解的氧化物，便可以与，便可以与液态铁发生置换反应，使金属氧化，同时发生原氧化物中液态铁发生置换反应，使金属氧化，同时发生原氧化物中金属元素的还原。例如，用低碳钢焊丝配合高硅高锰焊剂金属元素的还原。例如，用低碳钢焊丝配合高硅高锰焊剂(如如HJ431)埋弧焊时，易发生如下埋弧焊时，易发生如下置换氧化反应置换氧化反应: （FeO） （SiO2）+ 2 Fe = Si + 2 FeO FeO或 : （M

53、nO） Mn 置换氧化反应与渣中置换氧化反应与渣中MnO、SiO2、FeO的浓度和液态金属中的浓度和液态金属中Si、Mn的原始含量有关。的原始含量有关。酸性渣对金属的置换氧化性高于碱性渣酸性渣对金属的置换氧化性高于碱性渣。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 反应平衡常数与温度的关系为：反应平衡常数与温度的关系为： （FeO）2Si 13460 lgKSi = = +6.04 （SiO2） T （FeO）Mn 6600 lgKMn = = + 3.16 （MnO） T温度升高，平衡常数增大，反

54、应向右进行；温度升高，平衡常数增大，反应向右进行；置换氧化反应主要发生在熔滴阶段与熔池前部的高温区；置换氧化反应主要发生在熔滴阶段与熔池前部的高温区；液态金属的过热度较低时，液态金属的过热度较低时，KSi明显小于明显小于KMn，即（，即（MnO）的氧化性）的氧化性高于（高于（SiO2），），2180以上温度时，以上温度时，KSiKMn，显然对于过热度很高的熔滴，显然对于过热度很高的熔滴，（SiO2）的氧化性可以超过（）的氧化性可以超过（MnO）。）。 0 2180 T / lgKlgKSilgKMn合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基

55、本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作钢铁氧化熔炼阶段的间接氧化钢铁氧化熔炼阶段的间接氧化钢铁氧化熔炼阶段，加入的氧化剂（气体氧或矿石）除了钢铁氧化熔炼阶段，加入的氧化剂（气体氧或矿石）除了进行脱碳、脱磷反应之外，还会与溶解在钢液中的锰、硅进行脱碳、脱磷反应之外，还会与溶解在钢液中的锰、硅等合金元素发生氧化反应。等合金元素发生氧化反应。溶入到液态金属中的氧化性气体元素可以直接与合金元素溶入到液态金属中的氧化性气体元素可以直接与合金元素反应，生成相应合金元素的氧化物并进入渣相，称之为直反应，生成相应合金元素的氧化物并进入渣相，称之为直接氧化。但由于液态金属中铁原子数远比其它合金元素多，接氧化。

56、但由于液态金属中铁原子数远比其它合金元素多，因此多数情况下是间接氧化。因此多数情况下是间接氧化。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作反应方程式为：反应方程式为： O + Fe = ( FeO ) ( FeO ) + Mn = ( MnO ) + Fe 或或: 2 ( FeO ) + 2 Si = ( SiO2 ) + 2 Fe 间接氧化过程是铁元素先被氧化生成氧化亚铁，而后氧间接氧化过程是铁元素先被氧化生成氧化亚铁，而后氧化亚铁再将合金元素氧化：化亚铁再将合金元素氧化： 间接氧化实质上是置换氧化

57、的逆反应间接氧化实质上是置换氧化的逆反应， 反应实际进行反应实际进行的方向与平衡时各相的含量主要取决于温度。和熔焊过程的方向与平衡时各相的含量主要取决于温度。和熔焊过程相比，钢铁熔炼时液态金属的过热度不高，间接氧化可以相比，钢铁熔炼时液态金属的过热度不高，间接氧化可以进行得比较充分。进行得比较充分。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作表表8-2 几种常见钢铁熔炼炉中所形成的熔渣成分几种常见钢铁熔炼炉中所形成的熔渣成分熔炼炉种类熔炼炉种类化化 学学 成成 分分 （%）SiO2CaOAl2O3MgO

58、FeOMnO高炉高炉304035505205103碱性平炉碱性平炉102030501030520酸性平炉酸性平炉55600101540520氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉714445423TFe142058碱性电弧炉碱性电弧炉3262530.60.2合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作图图8-1 8-1 硅氧离子团结构图硅氧离子团结构图合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制

59、作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作酸性渣酸性渣 碱性渣碱性渣 酸性渣中酸性渣中 SiO2 、TiO2 等酸性氧化物较多，等酸性氧化物较多，FeO 的活度低，的活度低，不容易向金属中扩散，因此分配率不容易向金属中扩散，因此分配率 L 值较大。值较大。 碱性渣中酸性氧化物较少，碱性渣中酸性氧化物较少，FeO 大部分以自由状态存在，大部分以自由状态存在，即即 FeO 在渣中的活度系数大，所以更容易向金属中扩散。在渣中的活度系数大，所以更容易向金属中扩散。 正是由于这个原因，在碱性焊条药皮中一般不加入含正是由于这个原因，在碱性焊条药

60、皮中一般不加入含 FeO 的物质。并要求的物质。并要求焊接时严格清除焊件表面上的氧化皮和铁锈。焊接时严格清除焊件表面上的氧化皮和铁锈。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作置置 换换 氧氧 化化合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊缝的空间位置有：平焊、横焊、立焊、和仰焊焊缝的空间位置有：平焊、横焊、立焊、和仰焊平焊平焊横焊横焊立焊立焊仰焊仰焊合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五