稀土元素对焊缝组织的影响.ppt

稀土元素对焊缝组织及性能的影响,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,目录,一.简单介绍稀土元素 二.（实验）稀土氧化钇对焊缝微观组织和性能的影响及作用机理 (a).稀土氧化钇对焊缝组织的影响 (b).稀土氧化钇对焊缝金属中夹杂物形态的影响 (c).稀土氧化钇对焊缝金属中扩散氢含量的影响 (d).稀土氧化钇的脱硫、磷的作用 (e).稀土氧化物的作用机制 三.（总结）稀土元素对焊缝组织及性能的影响 (a).稀土元素对焊缝金属组织的影响 (b).稀土元素对抗磨蚀性的影响 (c).稀土元素对焊接硬度的影响 (d).稀土元素对夹杂物的作用 (e).稀土元素对焊缝气孔的影响 (f).稀土元素对抗热裂性能的影响,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,一.稀土就是化学元素周期表中镧系元素镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素钪(Sc）和钇(Y）共17种元素，称为稀土元素。稀土元素的化学性质是非常活泼的 ,几乎能与所有的非金属元素发生反应。极易与氧、氢、氮、硫作用生成相应的稳定化合物。因此在冶金工业中曾使用稀土元素脱氧、脱硫、起净化和调质作用均收到良好的效果。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,在焊接冶金过程中稀土元素有着极其重要的作用 。在焊接生产中稀土元素往往通过加入药皮中向焊缝组织过渡。 目前焊条药皮中常用的含稀土物料为 :稀土硅合金 ,稀土硅钙铁合金 ,氧化铈 ,氧化镧和氟化稀土等。适量的稀土具脱氧、脱硫, 减少夹杂, 净化焊缝组织, 细化晶粒的作用。因此焊缝中溶入稀土元素后, 其耐磨性、抗气蚀性、耐磨蚀性及焊缝冲击韧性等明显得到提高。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,二.稀土氧化钇对焊缝微观组织和性能的影响及作用机理,稀土氧化物对焊缝组织的影响 不含氧化钇的试样和添加不同含量氧化钇的试样再热晶区的组织见图,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,从上面的微观组织分析可知，药皮中加入氧化钇后对焊缝组织起到了细化晶粒、增加针状铁素体和细晶铁素体含量的作用。这是由于过渡到焊缝中的稀土元素易于聚集到晶界处，阻碍了晶粒的成长而细化了晶粒；另外细小的高熔点稀土氧化物夹杂可以成为针状铁素体的非自发形核质点，从而增加了焊缝中针状铁素体和细晶铁素体的比例。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土氧化钇对焊缝金属中夹杂物形态的影响,图2 是氧化钇对焊缝中硫化物夹杂形态和分布的影响结果,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,从图2中可以看出，不含氧化钇的试样硫化物夹杂呈现条带状分布，夹杂数量较多，粒度比较大。含氧化钇1%试样的硫化物夹杂形态得以改善，条带状已经不明显，球状夹杂物颗粒增多，夹杂物总量有一定减少，并呈现弥散状分布。,稀土氧化钇对焊缝金属中扩散氢含量的影响,表1 熔敷金属扩散氢含量试验结果（ml/100g）,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,表1给出了熔敷金属中扩散氢含量的试验结果。从表中数据可以看出，加入不同含量的氧化钇对熔敷金属中的扩散氢都有比较明显的降低作用。,实际上焊缝中含稀土夹杂物和不含稀土的夹杂物与基体的界面都可成为氢的“捕获阱”，但是含稀土的夹杂物对氢的束缚力大于不含稀土夹杂物对氢的束缚力，因而降低了氢的活动能力和扩散速度，降低了扩散氢的危害。另外，过渡到熔池中的稀土能够与氢生成化合物，从而降低了扩散氢含量。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土氧化钇的脱硫、磷的作用,表2氧化钇对焊缝化学成分影响试验结果（质量分数，%）,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,从表中数据可以看出，氧化钇能够较明显地降低焊缝中的硫含量，净化了焊缝。但是对于降低磷含量的效果不大。,稀土氧化物的作用机制,对于稀土氧化物在焊接冶金中的行为，可以从以下几方面进行分析探讨。对于重稀土氧化物在高温下存在下列反应： RE2O32RE(g)+3O(g) （1） 式（1）表明：氧化钇在高温时要分解为稀土原子和氧原子；在焊接条件下，焊接电弧的高温（ 弧柱温度可达500030000K ;）足以使上述反应充分进行，并达到平衡，使电弧气氛中含有稀土原子。这些活性稀土原子很容易吸附于金属熔滴表面而过渡到熔池中。由于稀土元素是表面活性元素，可降低熔滴表面张力，使得熔滴在焊条端部停留时间变短，减少了对氢的吸附。 另外，稀土氧化物在钢液中存在下列反应： Y2O3(s)2Y+3O （2） 式（2）和式（1）都表明，有部分稀土原子可以过渡到熔池中，这些稀土原子能够与熔池中的氢、氧以及硫发生反应，起到净化焊缝金属，去氢脱硫的作用。熔池的温度与弧柱温度比较低，进入到熔池中的 未分解的稀土氧化物不再分解，在一定条件下，发生如下反应： RE2O3(s)+S+C=RE2O2S+CO(s) （3） 该反应说明稀土氧化物具有使熔池脱硫的作用。上述各反应生成的稀土氧化物、稀土硫化物及稀土硫氧化物一部分进入熔渣，一部分残留在焊缝中成为夹杂物。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,三.稀土元素对焊缝金属组织的影响 一方面加入稀土可净化焊缝金属组织。稀土具有强烈的脱氧、脱氢、脱硫作用, 适量的稀土可以与氢形成氢化物。因此, 减少焊缝金属中扩散氢的含量。 稀土与硫化物进入渣中, 从而降低了焊缝中的含硫量。通过稀土净化焊缝, 则作为焊逢断裂过程中的夹杂物起裂源减少, 可显著改善焊缝韧性。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,另一方面稀土对焊缝金属凝固组织的影响, 它影响奥氏体初晶数量, 形态及共晶粗细。 当加入少量稀土时, 奥氏体初晶减少, 共晶增多, 树枝状晶逐渐变为等轴晶, 共晶片间距显著加大。这是由于稀土元素的脱氧作用使作为非自发晶核的氧化物数目减少的结果。 当稀土的加入量为最佳值时, 初晶增加, 树枝状晶绝大多数变为等轴晶, 共晶减少, 共晶片间距减少, 稀土的变质细化作用更明显, 进一步改善了焊缝金属组织。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土元素对抗磨蚀性的影响 当加入适量稀土, 焊缝金属抗气蚀, 抗磨蚀性分别增加。抗磨蚀性的提高首先归因于夹杂物数量和尺寸的减少, 等轴的奥氏体初晶增加, 共晶细化对抗磨蚀三指标的提高也有一定作用。过量的稀土反而使抗磨蚀性降低。夹杂物数量和尺寸增加, 夹杂物数量超过不加稀土时的数值。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering, 稀土元素对焊接硬度的影响 稀土适当的加入量使焊缝金属具有最低的硬度, 但抗磨蚀性能三指标均最高, 这说明抗气蚀,抗磨损和抗磨蚀性与硬度之间没有对应关系。 稀土元素对夹杂物的作用 稀土对焊缝金属结构和夹杂物有明显的影响。稀土加入量有一个最佳值。此时夹杂物数量最小, 尺寸最小, 奥氏体初晶最多, 共晶片最细。其结果是抗气蚀、抗磨损、抗磨蚀性能最佳。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土元素对焊缝气孔的影响 加入少量混合稀土金属可以使焊缝气孔的敏感性明显降低。但是，混合稀土金属极易氧化, 且不易破碎成粉末, 所以不能直接用于生产; 稀土镍合金可以明显降低焊缝气孔的敏感性, 是较理想的稀土添加剂。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,随稀土含量的增加, 焊缝气孔敏感性下降的原因, 主要是稀土与氧的亲和力极强, 能形成稳定的稀土氧化物 并进入渣相, 氧含量明显下降, 这不仅使焊缝产生CO 气扎的倾向减小, 而且还可以降低气相中NO 的分压。 另外, 稀土有一定的脱氧和固氮作用, 能与氮形成稳定的稀土氮化物 , 但稀土与氧、硫的亲和力远大于氮, 焊缝中稀土与氮的相互作用行为显著受焊缝中氧、硫影响。随稀土的增加, 熔敷金属的含氮量变化不明显, 因此焊缝气孔敏感性的降低主要通过氧含量的降低而实现的。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土元素对抗热裂性能的影响,稀土的适量加入能有效提高焊缝的抗热裂性能, 但加入量太大焊缝的抗裂性能恶化。 柱状晶方向性及硅、硫等促进热裂的有害元素在晶间偏析程度减弱, 特别是热裂纹面高熔点第二相粒子的存在, 是稀土加入适量时焊缝抗热裂性能提高的主要原因。 晶间液态薄膜重新形成以及热裂纹面上高熔点第二相粒子的消失是稀土过量时焊缝抗热裂性能下降的重要原因。,青海大学机械工程学院 Qinghai university institute of mechanical engineering,综上所述, 稀土元素对焊缝金属组织及性能有明显的改善作用。稀土