金屬成型 3.液態(tài)金屬凈化與合金過渡課件

1、材料成形原理（焊接部分）3液態(tài)金屬凈化與合金過渡3.1焊縫金屬的脫氧一、脫氧的目的和要求脫氧在藥皮或焊絲中加入某些元素，使它在焊接中被氧化，以降低焊接區(qū)的氧化性，保護(hù)被焊金屬及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金屬從它們的氧化物中還原出來的反應(yīng)。脫氧劑用于脫氧的元素或鐵合金。脫氧的目的和要求目的：盡量減少焊縫中的含氧量。 要求： 防止被焊金屬的氧化，減少液態(tài)金屬中的溶解氧； 排除脫氧后的產(chǎn)物，防止在焊接中形成非金屬夾雜物。選擇脫氧劑的原則： 1、 在焊接溫度下，脫氧劑對氧的親和力比被焊金屬 對氧的親和力大； 1600 時，各種元素對氧親和力從小到大的次序排列為： Cu、 Ni、Co、 Fe、

2、W、 Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al。焊接鐵合金時，Al、Ti 、Si、Mn可作為脫氧劑，生產(chǎn)上常用它們的鐵合金如錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁粉等。二、選擇脫氧劑的原則2、脫氧物不應(yīng)溶于液態(tài)金屬而應(yīng)溶于熔渣，且熔點低、密度小，上浮至熔渣中，以減少夾雜物的數(shù)量。3、 必須考慮脫氧劑對焊縫成分、性能以及焊接工藝性的影響，同時考慮成本。2、沉淀脫氧 沉淀脫氧：指溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應(yīng)，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬的一 種脫氧方式。 特 點：在熔滴和熔池內(nèi)進(jìn)行，脫氧反應(yīng)速度快。 脫氧效果：脫氧徹底，是減少焊縫含氧量的重要環(huán)節(jié)。但脫氧產(chǎn)物不能清除時將增加金屬液中雜質(zhì)的含量。其脫

3、氧反應(yīng)為： x Me y O （ MexOy ）或： x Me y FeO （ MexOy ） y Fe 常用的沉淀脫氧反應(yīng)： 1）錳的脫氧反應(yīng) 2）硅的脫氧反應(yīng) 3）硅錳聯(lián)合脫氧三、脫氧的方式1）錳的脫氧反應(yīng)式中：MnO 渣中MnO的活度系數(shù)；MnO 渣中MnO的活度； Mn 金屬中Mn的活度； FeO 金屬中Fe的活度。當(dāng)金屬中Mn和FeO的含量少時，其活度系數(shù)1，即MnMn%， FeO FeO %，于是：影響因素： 增加Mn、減少（ MnO ）脫氧效果提高； 減小MnO 脫氧效果提高。 酸性渣，生成復(fù)合物MnOSiO2 、 MnO TiO2 、 使MnO減小，脫氧效果比堿性好。三、脫氧的

4、方式3）硅錳聯(lián)合脫氧當(dāng)Mn /Si=37時，脫氧產(chǎn)物形成硅酸鹽MnOSiO2 ，密度小、熔點低、容易聚合、便于上浮。應(yīng)用：CO2保護(hù)焊時，焊絲中Mn /Si=1.53堿性焊條，加錳鐵和硅鐵聯(lián)合脫氧化 合 物FeOMnOSiO2TiO2Al2O3(FeO)2SiO2MnOSiO2(MnO)2SiO2熔 點 / 13691580172318252050120512701326密度/(103kg/m3)5.805.112.264.073.954.303.604.10Mn/Si1.251.982.783.604.188.7015.90最大質(zhì)點半徑（cm）0.000750.001450.01260.01

5、2850.018350.001950.0006金屬中Mn/Si對脫氧產(chǎn)物質(zhì)點半徑的影響幾種化合物的熔點和密度三、脫氧的方式 3、擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧：以分配定律為理論基礎(chǔ)，在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的脫氧分配定律：影響因素：1）溫度 L，發(fā)生如下擴(kuò)散過程：FeO（FeO）。 即在熔池后部低溫區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散脫氧。2）降低渣中（FeO）的活度，有利于擴(kuò)散脫氧。酸性渣中（FeO）活度小、堿性渣中活度大。脫氧效果：不充分焊接時冷卻速度大、擴(kuò)散時間短、氧的擴(kuò)散又慢三、脫氧的方式3.2焊縫金屬中硫和磷的控制一、硫的危害及控制硫的危害及控制 1、硫的危害 FeS在液態(tài)鐵中無限互溶，室溫時溶解度僅為0.015%0.0

6、2%，在熔池凝固時發(fā)生偏析。 以低熔點共晶Fe+FeS（熔點985）或FeS+FeO（熔點940）的形式呈片狀或鏈狀分布于晶界。 因此： 增加產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向。 降低沖擊韌性、抗腐蝕性。 2、控制硫的措施 限制焊材的含硫量低碳鋼、低合金鋼焊絲：S0.03% 0.04%；合金鋼焊絲：S0.025% 0.03% ；不銹鋼焊絲：S0.02%；限制藥皮、焊劑、藥芯中的含硫量。用冶金方法脫硫選擇對硫親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫，如錳、鎂、鈣等。錳的脫硫產(chǎn)物為MnS不溶于鋼液，其脫硫反應(yīng)為：熔渣中的堿性氧化物，如MnO 、 CaO 、 MgO 等，也能脫硫：材 料原含硫量/%處理方法處理后含硫量、%TiO

7、2CaF20.140.32100焙燒2530min焙 燒0.070.13原材料的焙燒處理一、硫的危害及控制與鐵、鎳形成低熔點共晶如：Fe3PFe（1050）Ni3PFe （880） Fe2P 或 Fe3P 硬而脆增加材料的冷脆性 沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高 促使含碳量較高的低合金鋼和奧氏體鋼產(chǎn)生結(jié)晶裂紋 磷在大多數(shù)鐵基合金中，都認(rèn)為是有害元素： 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脫磷脫磷反應(yīng)分為兩步：第一步，F(xiàn)eO將磷氧化生成P2O5 ；第二步，P2O5與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽。反應(yīng)式為：增加熔渣的堿度有利于脫磷堿性渣中不允許有較多FeO，否則，增氧、不利脫

8、硫、產(chǎn)生氣孔。堿度 R = CaO/SiO2熔渣堿度和FeO含量對磷在渣及鋼液中分配比的影響w(FeO) (%)二、磷的危害及控制3.3合金過渡（二） 合金過渡的方式 常用的合金過度的方式有以下幾種： 1、應(yīng)用合金焊絲或帶極方法：合金焊絲、帶極或板極+堿性藥皮或低氧、無氧焊劑。優(yōu)點：可靠、焊縫成分均勻、合金元素?fù)p失少。缺點：焊絲制造工藝復(fù)雜，成本高。應(yīng)用：氣保護(hù)焊、埋弧焊 2、應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條方法：將所需的合金粉料填入藥芯中。優(yōu)點：藥芯中合金成分的配比可任意調(diào)整缺點：藥芯焊絲制造工藝復(fù)雜，成本高應(yīng)用：埋弧焊、氣保護(hù)焊、自保護(hù)焊 一、合金過渡的目的及方式帶極堆焊3、應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)焊劑方

9、法：合金加入藥皮或粘結(jié)焊劑+普通焊絲。優(yōu)點：簡單方便、制造容易、成本低。缺點：合金利用率低、合金成分不夠穩(wěn)定、均勻。應(yīng)用：堿性焊條，非燒結(jié)焊劑。4、應(yīng)用合金粉末或預(yù)涂層方法：所需合金制成粉末，輸送到焊接區(qū)，隨母材熔化。優(yōu)點：成分比例調(diào)配方便，無需軋制、拉拔，合金損失少。缺點：合金成分均勻性差，制粉工藝復(fù)雜。應(yīng)用：氣保護(hù)焊、堆焊。5、應(yīng)用置換反應(yīng)方法：藥皮和焊劑中加入金屬氧化物，通過熔渣與金屬的還原反應(yīng)，使合金元素進(jìn)入焊縫中。如：如：高硅高錳焊劑+低合金鋼焊絲埋弧焊。合金化程度有限，伴有焊縫含氧量增加。一、合金過渡的目的及方式激光表面合金化1激光束惰性氣體 2-預(yù)涂層 3基體4熱影響區(qū) 5熔區(qū)

10、6工件移動方向熔合比二、合金元素的過渡系數(shù)式中， 合金元素的原始含量；合金元素在焊縫金屬中的含量；熔合比，即焊縫中局部熔化的母材所占的比例；合金元素在母材中的含量；合金元素在熔敷金屬中的含量；合金元素在焊絲中的含量；合金元素在焊條藥皮中的含量；焊條藥皮質(zhì)量系數(shù)，即單位長度焊條中藥皮質(zhì)量與焊芯質(zhì)量之比。用途： 預(yù)先計算合金元素在焊縫中的含量；對設(shè)計和選擇焊接材料有實用價值。合金過渡系數(shù)：某元素在熔敷金屬中的實際含量與它在焊接材料中的原始含量之比。當(dāng)=0時，各種合金化元素的過渡系數(shù) 二、合金元素的過渡系數(shù)焊接方法焊絲或焊芯焊劑、藥皮或藥芯過渡系數(shù)CSiMnCrWVNbMoNiTi氬弧焊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焊條電弧焊H18CrMnSi赤鐵礦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鈦鈣型0.710.380.770.520.800.600.960.13氧化鐵型0.14-0.270.08-0.120.64

12、0.71低氫型0.44-0.550.14-0.270.45-0.550.72-0.820.59-0.640.83-0.86低氫型（堆焊）0.32-0.650.76-0.860.40-0.500.86-0.900.84-0.910.78-0.88三、影響合金過渡系數(shù)的因素1、合金元素的性質(zhì) 合金元素沸點蒸發(fā)損失過渡系數(shù)例如：錳的沸點遠(yuǎn)低于其他金屬，焊接高溫下很容易蒸發(fā)，在同樣條件下，錳的過渡系數(shù)比其它合金元素低很多 合金元素錳銅鉻釩鉬沸 點/20272595267233805560 合金元素對氧親和力氧化損失過渡系數(shù) 1600 時，各種元素對氧親和力從小到大的次序排列為： CuNiCoFeWMo

13、CrMnVSiTiZrAl焊鋼時： 鐵左面元素幾乎無氧化損失，過渡系數(shù)大； 鐵右面靠近鐵的元素氧化損失較小，過渡系數(shù)較大； 鐵右面遠(yuǎn)離鐵的元素氧化損失較大，過渡系數(shù)較小。 若過渡Ti、Zr、Al ，需創(chuàng)造低氧或無氧焊接條件。W焊條/%MnMo VSiCr合金元素在熔敷金屬中的含量與在焊條中含量的關(guān)系 W熔敷金屬/%三、影響合金過渡系數(shù)的因素2、合金元素的含量隨著藥皮或焊劑中合金元素含量增加，過渡系數(shù)逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定。一方面：某元素濃度 其他成分(包括氧化劑) 氧化性過渡系數(shù); 另一方面：合金元素的殘留損失、藥皮和焊劑的保護(hù)效果過渡系數(shù)。4、藥皮、焊劑及氣體的成分藥皮或焊劑的氧化勢過渡系數(shù)；合金元素及其氧化物在藥皮中共存過渡系數(shù)；合