金属成型 3.液态金属净化与合金过渡课件

1、材料成形原理（焊接部分）3液态金属净化与合金过渡3.1焊缝金属的脱氧一、脱氧的目的和要求脱氧在药皮或焊丝中加入某些元素，使它在焊接中被氧化，以降低焊接区的氧化性，保护被焊金属及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的反应。脱氧剂用于脱氧的元素或铁合金。脱氧的目的和要求目的：尽量减少焊缝中的含氧量。 要求： 防止被焊金属的氧化，减少液态金属中的溶解氧； 排除脱氧后的产物，防止在焊接中形成非金属夹杂物。选择脱氧剂的原则： 1、 在焊接温度下，脱氧剂对氧的亲和力比被焊金属 对氧的亲和力大； 1600 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为： Cu、 Ni、Co、 Fe、

2、W、 Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al。焊接铁合金时，Al、Ti 、Si、Mn可作为脱氧剂，生产上常用它们的铁合金如锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等。二、选择脱氧剂的原则2、脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。3、 必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性的影响，同时考虑成本。2、沉淀脱氧 沉淀脱氧：指溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属的一 种脱氧方式。 特 点：在熔滴和熔池内进行，脱氧反应速度快。 脱氧效果：脱氧彻底，是减少焊缝含氧量的重要环节。但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量。其脱

3、氧反应为： x Me y O （ MexOy ）或： x Me y FeO （ MexOy ） y Fe 常用的沉淀脱氧反应： 1）锰的脱氧反应 2）硅的脱氧反应 3）硅锰联合脱氧三、脱氧的方式1）锰的脱氧反应式中：MnO 渣中MnO的活度系数；MnO 渣中MnO的活度； Mn 金属中Mn的活度； FeO 金属中Fe的活度。当金属中Mn和FeO的含量少时，其活度系数1，即MnMn%， FeO FeO %，于是：影响因素： 增加Mn、减少（ MnO ）脱氧效果提高； 减小MnO 脱氧效果提高。 酸性渣，生成复合物MnOSiO2 、 MnO TiO2 、 使MnO减小，脱氧效果比碱性好。三、脱氧的

4、方式3）硅锰联合脱氧当Mn /Si=37时，脱氧产物形成硅酸盐MnOSiO2 ，密度小、熔点低、容易聚合、便于上浮。应用：CO2保护焊时，焊丝中Mn /Si=1.53碱性焊条，加锰铁和硅铁联合脱氧化 合 物FeOMnOSiO2TiO2Al2O3(FeO)2SiO2MnOSiO2(MnO)2SiO2熔 点 / 13691580172318252050120512701326密度/(103kg/m3)5.805.112.264.073.954.303.604.10Mn/Si1.251.982.783.604.188.7015.90最大质点半径（cm）0.000750.001450.01260.01

5、2850.018350.001950.0006金属中Mn/Si对脱氧产物质点半径的影响几种化合物的熔点和密度三、脱氧的方式 3、扩散脱氧扩散脱氧：以分配定律为理论基础，在液态金属与熔渣界面上进行的脱氧分配定律：影响因素：1）温度 L，发生如下扩散过程：FeO（FeO）。 即在熔池后部低温区进行扩散脱氧。2）降低渣中（FeO）的活度，有利于扩散脱氧。酸性渣中（FeO）活度小、碱性渣中活度大。脱氧效果：不充分焊接时冷却速度大、扩散时间短、氧的扩散又慢三、脱氧的方式3.2焊缝金属中硫和磷的控制一、硫的危害及控制硫的危害及控制 1、硫的危害 FeS在液态铁中无限互溶，室温时溶解度仅为0.015%0.0

6、2%，在熔池凝固时发生偏析。 以低熔点共晶Fe+FeS（熔点985）或FeS+FeO（熔点940）的形式呈片状或链状分布于晶界。 因此： 增加产生结晶裂纹的倾向。 降低冲击韧性、抗腐蚀性。 2、控制硫的措施 限制焊材的含硫量低碳钢、低合金钢焊丝：S0.03% 0.04%；合金钢焊丝：S0.025% 0.03% ；不锈钢焊丝：S0.02%；限制药皮、焊剂、药芯中的含硫量。用冶金方法脱硫选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等。锰的脱硫产物为MnS不溶于钢液，其脱硫反应为：熔渣中的碱性氧化物，如MnO 、 CaO 、 MgO 等，也能脱硫：材 料原含硫量/%处理方法处理后含硫量、%TiO

7、2CaF20.140.32100焙烧2530min焙 烧0.070.13原材料的焙烧处理一、硫的危害及控制与铁、镍形成低熔点共晶如：Fe3PFe（1050）Ni3PFe （880） Fe2P 或 Fe3P 硬而脆增加材料的冷脆性 冲击韧性降低，脆性转变温度升高 促使含碳量较高的低合金钢和奥氏体钢产生结晶裂纹 磷在大多数铁基合金中，都认为是有害元素： 磷的危害及控制 1、磷的危害二、磷的危害及控制用冶金方法脱磷脱磷反应分为两步：第一步，FeO将磷氧化生成P2O5 ；第二步，P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐。反应式为：增加熔渣的碱度有利于脱磷碱性渣中不允许有较多FeO，否则，增氧、不利脱

8、硫、产生气孔。碱度 R = CaO/SiO2熔渣碱度和FeO含量对磷在渣及钢液中分配比的影响w(FeO) (%)二、磷的危害及控制3.3合金过渡（二） 合金过渡的方式 常用的合金过度的方式有以下几种： 1、应用合金焊丝或带极方法：合金焊丝、带极或板极+碱性药皮或低氧、无氧焊剂。优点：可靠、焊缝成分均匀、合金元素损失少。缺点：焊丝制造工艺复杂，成本高。应用：气保护焊、埋弧焊 2、应用药芯焊丝或药芯焊条方法：将所需的合金粉料填入药芯中。优点：药芯中合金成分的配比可任意调整缺点：药芯焊丝制造工艺复杂，成本高应用：埋弧焊、气保护焊、自保护焊 一、合金过渡的目的及方式带极堆焊3、应用合金药皮或粘结焊剂方

9、法：合金加入药皮或粘结焊剂+普通焊丝。优点：简单方便、制造容易、成本低。缺点：合金利用率低、合金成分不够稳定、均匀。应用：碱性焊条，非烧结焊剂。4、应用合金粉末或预涂层方法：所需合金制成粉末，输送到焊接区，随母材熔化。优点：成分比例调配方便，无需轧制、拉拔，合金损失少。缺点：合金成分均匀性差，制粉工艺复杂。应用：气保护焊、堆焊。5、应用置换反应方法：药皮和焊剂中加入金属氧化物，通过熔渣与金属的还原反应，使合金元素进入焊缝中。如：如：高硅高锰焊剂+低合金钢焊丝埋弧焊。合金化程度有限，伴有焊缝含氧量增加。一、合金过渡的目的及方式激光表面合金化1激光束惰性气体 2-预涂层 3基体4热影响区 5熔区

10、6工件移动方向熔合比二、合金元素的过渡系数式中， 合金元素的原始含量；合金元素在焊缝金属中的含量；熔合比，即焊缝中局部熔化的母材所占的比例；合金元素在母材中的含量；合金元素在熔敷金属中的含量；合金元素在焊丝中的含量；合金元素在焊条药皮中的含量；焊条药皮质量系数，即单位长度焊条中药皮质量与焊芯质量之比。用途： 预先计算合金元素在焊缝中的含量；对设计和选择焊接材料有实用价值。合金过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比。当=0时，各种合金化元素的过渡系数 二、合金元素的过渡系数焊接方法焊丝或焊芯焊剂、药皮或药芯过渡系数CSiMnCrWVNbMoNiTi氩弧焊H70W10

11、Cr3Mn2V0.800.790.880.990.940.85埋弧焊HJ2510.532.030.590.830.830.78HJ4310.332.251.130.700.890.77CO2焊0.290.720.600.940.960.68H08AMnCrCNi0.780.830.900.99焊条电弧焊H18CrMnSi赤铁矿0.220.020.050.25大理石0.280.100.140.43石英0.200.750.180.80氟石0.670.880.380.89H08A钛钙型0.710.380.770.520.800.600.960.13氧化铁型0.14-0.270.08-0.120.64

12、0.71低氢型0.44-0.550.14-0.270.45-0.550.72-0.820.59-0.640.83-0.86低氢型（堆焊）0.32-0.650.76-0.860.40-0.500.86-0.900.84-0.910.78-0.88三、影响合金过渡系数的因素1、合金元素的性质 合金元素沸点蒸发损失过渡系数例如：锰的沸点远低于其他金属，焊接高温下很容易蒸发，在同样条件下，锰的过渡系数比其它合金元素低很多 合金元素锰铜铬钒钼沸 点/20272595267233805560 合金元素对氧亲和力氧化损失过渡系数 1600 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为： CuNiCoFeWMo

13、CrMnVSiTiZrAl焊钢时： 铁左面元素几乎无氧化损失，过渡系数大； 铁右面靠近铁的元素氧化损失较小，过渡系数较大； 铁右面远离铁的元素氧化损失较大，过渡系数较小。 若过渡Ti、Zr、Al ，需创造低氧或无氧焊接条件。W焊条/%MnMo VSiCr合金元素在熔敷金属中的含量与在焊条中含量的关系 W熔敷金属/%三、影响合金过渡系数的因素2、合金元素的含量随着药皮或焊剂中合金元素含量增加，过渡系数逐渐增加，最后趋于稳定。一方面：某元素浓度 其他成分(包括氧化剂) 氧化性过渡系数; 另一方面：合金元素的残留损失、药皮和焊剂的保护效果过渡系数。4、药皮、焊剂及气体的成分药皮或焊剂的氧化势过渡系数；合金元素及其氧化物在药皮中共存过渡系数；合