1、1第八章第八章 材料成形過程中的化學冶金學材料成形過程中的化學冶金學the chemical metallurgy 材料成形材料成形(鑄造、焊接時鑄造、焊接時)的高溫過程中，金屬液化。的高溫過程中，金屬液化。與其周圍的接觸物質（氣體、熔渣、形壁等）發生與其周圍的接觸物質（氣體、熔渣、形壁等）發生不同的物理化學反應不同的物理化學反應化學冶金過程。化學冶金過程。 可能改變液態金屬的化學成分。可能改變液態金屬的化學成分。 影響固化后金屬的物理化學性能。影響固化后金屬的物理化學性能。21.1 導論導論一、液態成形的化學冶金特點一、液態成形的化學冶金特點主要發生在熔煉過程，包括煉鋼、煉鐵主要發生在熔煉過

2、程，包括煉鋼、煉鐵一般的化學反應：氧化、脫氧、脫硫、脫磷和合金一般的化學反應：氧化、脫氧、脫硫、脫磷和合金化等化等溫度較低溫度較低(1600左右左右),),液態金屬體積較大液態金屬體積較大, ,熔煉時熔煉時間較長間較長, ,反應可以達到或接近平衡狀態。反應可以達到或接近平衡狀態。3二、焊接過程的化學冶金特點二、焊接過程的化學冶金特點以典型的手工焊條焊接為例以典型的手工焊條焊接為例:1.焊芯焊芯core wire 2. 藥皮藥皮covering /coating 3. 熔滴熔滴droplet 4. 熔池熔池molten pool /weld pool 5. 焊縫金屬焊縫金屬wm 7. 液態熔渣液

3、態熔渣molten slag 8. 熔渣熔渣(已凝已凝固固)slag4藥皮反應區藥皮反應區熔滴反應區熔滴反應區熔池反應區熔池反應區（1）藥皮反應區）藥皮反應區造渣反應區。造渣反應區。焊條端部加熱到焊條端部加熱到200-1200（熔點）的區域。（熔點）的區域。主要發生水的蒸發、固態藥皮成分主要發生水的蒸發、固態藥皮成分中的相互作用及分解反應：中的相互作用及分解反應：1)1)分解：分解：cacocaco3 3cao+cocao+co2 2 有機物有機物hh2 2+co+h+co+h2 2o o2)2)除水：除水：a.a.水分蒸發（物理過程）水分蒸發（物理過程） b.b.結晶水，水化合物分解結晶水，

4、水化合物分解 （化學過程）（化學過程）3)氧化：氧化：mn+co2 2mno+comno+co si+2feo2fe+sio si+2feo2fe+sio2 2 *gtaw、gmaw無此區域無此區域5(2)熔滴反應區特點：特點：1）溫度高）溫度高 1800-24002）比表面積大）比表面積大 極大的液態金屬極大的液態金屬-氣體氣體/熔渣熔渣 相界面大相界面大大加速了冶金反應大加速了冶金反應3）反應時間短）反應時間短(熔滴存在時間小于熔滴存在時間小于1s）4）熔滴金屬與熔渣發生強烈的混合：）熔滴金屬與熔渣發生強烈的混合：化學反應激烈、充分進行化學反應激烈、充分進行*gtaw無此區域6(3)熔池反

5、應區熔池反應區焊接化學冶金反應的最后階段。焊接化學冶金反應的最后階段。特點：特點：1）平均溫度較低：）平均溫度較低： 1600-1900前后部溫差大，反應方向不同。前后部溫差大，反應方向不同。2 2）比表面積小，但存在（反應）時間較長。）比表面積小，但存在（反應）時間較長。3 3）熔池中金屬、熔渣不斷更新）熔池中金屬、熔渣不斷更新(renewing)(renewing)。72.2 液態金屬與氣體界面的反應一、氣體來源一、氣體來源1、液態成形過程中氣體來源、液態成形過程中氣體來源 （1）熔煉：爐和環境氣氛）熔煉：爐和環境氣氛 h2o、n2、h2、o2、co2、co （2）鑄造：水氣、有機物、空氣

6、、型砂、）鑄造：水氣、有機物、空氣、型砂、粘結劑粘結劑82、焊接成形過程中氣體來源、焊接成形過程中氣體來源（1）空氣、保護氣）空氣、保護氣（2）來自藥皮成分的氣體）來自藥皮成分的氣體1）有機物分解、燃燒）有機物分解、燃燒淀粉、纖維素、油污等淀粉、纖維素、油污等2）碳酸鹽和高價氧化物的分解）碳酸鹽和高價氧化物的分解cacocaco3 3cao+cocao+co2 2fe2 2o3 3oo2 2+fe+fe3 3o o4 4oo2 2+feo+feo3)材料中低佛點物質的蒸發材料中低佛點物質的蒸發h2 2o、zn、mg、kf、naf4）化學反應）化學反應feofe+coofe+co9二、液態金屬與

7、氣體的反應二、液態金屬與氣體的反應n2 2、h2 2、o2 2是對金屬作用是對金屬作用最大（有害）的三種氣體。最大（有害）的三種氣體。1、氮、氮 nitrogen(1)氮在金屬中的溶解氮在金屬中的溶解n2 22n 即即: 1/2n2 2n 平衡時深解度與氮溶平衡時深解度與氮溶解反應平衡常數及氣解反應平衡常數及氣相中分子氮的分壓之相中分子氮的分壓之間的關系間的關系:平方根定律平方根定律/西華特定律西華特定律siverts law2nn=kpnsg10n2離解度低離解度低（t5000k）henrys11 在氣氛含氧時（在空氣中），盡管在氣氛含氧時（在空氣中），盡管pn2 4000），），且不溶于鋼

8、。且不溶于鋼。3 3）加稀土或稀有分散元素）加稀土或稀有分散元素稀土金屬稀土金屬rare earths: rare earths: 鈰鈰ce ce 鑭鑭la la 鐿鐿ybyb稀有分散元素稀有分散元素rare elementsrare elements：碲：碲te te 硒硒sese4 4）焊接工藝規范：）焊接工藝規范： dcrpdcrp5 5）焊后脫氫處理）焊后脫氫處理 250-350250-350保溫保溫213、氧（oxygen）與金屬的作用兩類兩類:一類是不溶解氧的金屬如一類是不溶解氧的金屬如al, mg等；等； 另一類是能有限溶解氧的金屬如：另一類是能有限溶解氧的金屬如： fe、ni、

9、cu、ti等。生成的氧化物等。生成的氧化物能溶解于相應的金屬中。能溶解于相應的金屬中。221）氧在金屬中的溶解）氧在金屬中的溶解以以fe為例為例:2feo2fe+o2反應方向反應方向氧在鐵液中以原子氧和氧在鐵液中以原子氧和feo兩種形式存在。兩種形式存在。t ，溶解度溶解度232）氧化反應）氧化反應po2po2 金屬被氧化；金屬被氧化； 金屬被還原；金屬被還原； = 平衡。平衡。（氣相中氧的實際分壓（氣相中氧的實際分壓 金屬氧化物的分解壓）金屬氧化物的分解壓）243）氧的影響）氧的影響(1)強度、韌性、塑性下降強度、韌性、塑性下降(2)co氣孔氣孔(3)合金元素氧化合金元素氧化但但o并非越低越

10、好，為防止氫的作用，形并非越低越好，為防止氫的作用，形成針狀鐵素體組織等，都需要一定的成針狀鐵素體組織等，都需要一定的o。254）氧的控制）氧的控制與與n2不同，不同，o主要來源于焊接材料中的氧化物主要來源于焊接材料中的氧化物及分解氧化性氣體。及分解氧化性氣體。（1）控制藥皮、焊劑、保護氣體中的含氧量；）控制藥皮、焊劑、保護氣體中的含氧量；（2）冶金脫氧）冶金脫氧(deoxidation, deoxidixation) （3）控制焊接工藝參數：電弧電壓增大，空）控制焊接工藝參數：電弧電壓增大，空氣與熔渣接觸機會增多，可能導致焊縫增氧氣與熔渣接觸機會增多，可能導致焊縫增氧262.3 液態金屬與熔

11、渣的反應液態金屬與熔渣的反應271、熔渣、熔渣作用：作用：（1）機械隔離保護）機械隔離保護（2）冶金處理：脫氧、脫硫、合金化）冶金處理：脫氧、脫硫、合金化（3）改善焊接工藝性能：引弧）改善焊接工藝性能：引弧(arc-striking)、穩弧（穩弧（ arc-stabilizing）等）等282、熔渣的成分和分類熔渣的成分和分類熔煉金屬時，常用的熔渣可以分為酸性和堿性兩大類。熔煉金屬時，常用的熔渣可以分為酸性和堿性兩大類。主要成分：主要成分：sio2、cao、al2o3cao多，堿性；多，堿性； sio2多，酸性。多，酸性。熔渣的堿度：熔渣的堿度：r1.2為堿性渣；為堿性渣；r=0.81.2為中

12、性渣為中性渣29焊接時根據熔渣的成分和性能可分為三類焊接時根據熔渣的成分和性能可分為三類（1）氧化物型：應用得最多的一種焊接渣系，）氧化物型：應用得最多的一種焊接渣系，有一定的氧化性有一定的氧化性 mno-sio2-feo-cao-tio2（2）鹽型熔渣：無氧化性）鹽型熔渣：無氧化性 caf2, naf, bacl2（3）鹽）鹽-氧化物型：上述兩種類型的復合型氧化物型：上述兩種類型的復合型 cao-sio2-caf230焊接熔渣的堿度(basicity)根據分子理論(b1時為堿性渣,0為堿性渣,0為酸性渣,=0為中性渣):mi為熔渣中第i種氧化物的摩爾分數；ai為第i種氧化物的堿度系數。22(

13、+ro)=r obroni= 1=iiba m313、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（viscosity）液體內部相對運動的摩擦力。液體內部相對運動的摩擦力。 長渣（長渣（long slag）凝固溫度范圍大；）凝固溫度范圍大； 短渣（短渣（short slag）凝固溫度范圍小。）凝固溫度范圍小。 短渣有利于全位置焊接。短渣有利于全位置焊接。（2）熔渣的熔點）熔渣的熔點（3）熔渣的表面張力）熔渣的表面張力324、活性熔渣對金屬的氧化、活性熔渣對金屬的氧化（1）擴散氧化）擴散氧化 feo既溶于渣，又溶于鋼液，既溶于渣，又溶于鋼液，因此能在熔渣與鋼液之間因此能在熔渣與鋼

14、液之間進行擴散分配，在一定溫進行擴散分配，在一定溫度下平衡時，它在兩相中度下平衡時，它在兩相中的濃度符合分配定律：的濃度符合分配定律：（2）置換氧化）置換氧化 鐵或其它金屬置換出其它鐵或其它金屬置換出其它氧化物中元素而自身氧化氧化物中元素而自身氧化的過程。的過程。 fe+(xo) (feo)+xf eo =(f eo )l335、脫氧處理、脫氧處理前述氧化反應的逆反應即為脫氧處理。前述氧化反應的逆反應即為脫氧處理。常用脫氧劑（常用脫氧劑（deoxidizer, deoxidant, desoxidizer, desoxidant)mn，si，ti34（1）先期脫氧）先期脫氧焊條藥皮反應區發生的

15、脫氧過程：（fe2o3)+(mn)(mno)+2(feo) +(mn)(mno)+(fe)35（2）沉淀脫氧）沉淀脫氧又稱析出脫氧(precipitation deoxidation)36（3）擴散脫氧）擴散脫氧即分配脫氧:控制l and/or (feo)就可使feo減少,即擴散氧化逆過程t高,l小, fe多(擴散氧化)反之,擴散脫氧feo=(feo)l376、金屬中的硫和磷的控制（1）金屬中硫的危害及控制）金屬中硫的危害及控制主要是形成低熔點共晶主要是形成低熔點共晶(low melting point eutectic)fes-fe和和fe3p-fe38（2）金屬中磷的危害及控制）金屬中磷的

16、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 限制磷的來源；限制磷的來源； 冶金方法脫磷冶金方法脫磷395、合金化、合金化合金化：將所需的合金元素加入到金屬中去的過程合金化：將所需的合金元素加入到金屬中去的過程（1）合金化的目的）合金化的目的對于液態成形：主要是改善金屬的組織性能。對于液態成形：主要是改善金屬的組織性能。對于焊接成形：補償在高溫下金屬由于蒸發或氧化等造成的損對于焊接成形：補償在高溫下金屬由于蒸發或氧化等造成的損失；消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織與性能，或獲得失；消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織與性能，或獲得特殊性能的堆焊金屬層。特殊性能的堆焊金屬層。40（2）合金化的方式）合金化的方式1)通過合金焊絲或帶極通過合金焊絲或帶極2）通過藥芯焊絲或藥皮（或焊劑）通過藥芯焊絲或藥皮（或焊劑）3）通過合金粉末）通過合金粉末41（3）合金化的效果）合金化的效果合金元素的過渡系數：熔敷金屬中的實際含量與它原始含量合金元素的過渡系數：熔敷金屬中的實際含量與它原始含量之比。之比。ddecwbcocc=cc +k ccd為合金元素在熔敷金屬中的含量；為合金元素在熔敷金屬中的含量；ce