金属成型2.液态金属与熔渣的相互作用

材料成形原理（焊接部分）,2液态金属与熔渣的相互作用,2.1熔渣的作用与形成,药皮焊条电弧焊过程,埋弧焊过程示意图,一、熔渣的作用,1、机械保护作用液态覆盖在熔滴和熔池表面，把液态金属与空气隔开，防止氧化和氮化；凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，防止高温的焊缝受空气的有害作用2、冶金处理作用去除焊缝中的有害物质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢；吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物；添加合金元素，使焊缝金属合金化3、改善焊接工艺性能加入适当的物质，使电弧易引燃，稳定燃烧，减少飞溅，使脱渣性和焊缝成形良好,二、熔渣的来源,1、焊条药皮和焊丝药芯造渣剂：如钛铁矿（TiO2FeO）、金红石（TiO2）、大理石（CaCO3）、白云石（CaCO3MgCO3）、石英砂（SiO2）、长石、白泥和云母（SiO2Al2O3）等。焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面,药芯焊丝结构图,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，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理作用。焊剂是与焊丝(或焊带)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。,熔炼焊剂由一些氧化物和氟化物组成；非熔炼焊剂（烧结焊剂、粘结焊剂）易于实现焊缝金属的合金化。,二、熔渣的来源,熔渣的成分和分类第一类：盐型熔渣主要有金属氟化物、氯酸盐和不含氧的化合物组成。渣系：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF等。氧化性很小，用于焊接铝、钛和活性金属及合金及其高合金钢。第二类：盐氧化物型熔渣主要由氟化物和强金属氧化物组成。渣系：CaF2CaOAl2O3、CaF2CaO-SiO2等。氧化性较小，焊接合金钢及合金。第三类：氧化物型熔渣主要由金属氧化物组成。渣系：MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。氧化性较强，焊接低碳钢和低合金钢。,三、熔渣的成分和分类,典型焊接熔渣的成分,低氢型焊条（又称碱性焊条）：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CaF2。碳酸盐在加热分解过程中形成熔渣（CaO或MgO）并放出CO2气体。CaF除了造渣作用之外，还能减少液态金属中的氢含量。酸性焊条：以硅酸盐或以钛酸盐为主，一般不含CaF2，含少量碳酸盐和有机物。,三、熔渣的成分和分类,2.2熔渣的结构,分子理论依据：对凝固熔渣的相分析和化学成分分析结果作为依据要点：液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成。自由氧化物：SiO2、TiO2、CaO、MnO、FeO等复合物：硅酸盐（如FeOSiO2、MnOSiO2等）、钛酸盐、铝酸盐等氧化物及其复合物处于平衡状态例如：CaO+SiO2=CaOSiO2（放热反应）升温时，反应向左进行，降温时则相反，生成热效应越大，复合物越稳定只有自由氧化物才能参与和金属的反应例如：自由（FeO）+C=Fe+CO而硅酸盐（FeO）2SiO2中的FeO不能参与上述反应要点渣的结构、渣的活性、渣的作用机理,一、分子理论,离子理论依据：研究熔渣的电化学性质的基础上提出要点：液态熔渣是由简单和复杂的离子组成的电中性溶液。负电性大的元素以阴离子形式存在，如F-、O2-、S2-负电性小的元素以阳离子形式存在，如K+、Na+、Fe2+、负电性较大的元素如Si、Al、B其阴离子往往不能独立存在，与氧离子结合成复杂离子如SiO44-、Al3O75-等。离子的分布和相互作用取决于它的综合距综合距E/rE离子的电荷（静电单位）r离子半径（10-1nm）综合距越大，静电场越强，与异号离子的引力越大。影响离子分布熔渣与金属的作用过程，是原子与离子交换电荷的过程。如：Si4+2Fe=2(Fe2+)+Si,二、离子理论,正、负离子的综合矩,阳离子中Si4的综合矩最大，而阴离子中O2-的综合矩最大，所以二者最易结合为复杂的硅氧阴离子SiO44-。,二、离子理论,分子离子共存理论依据：综合了分子理论和离子理论的优点，提出了分子离子共存理论要点：熔渣由简单阳离子和阴离子（Na+、Ca2+、Mg2+、Ca2+、FeCa2+，O2、S2、F等）及SiO2、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等分子组成。熔渣中分子、离子是理想溶液离子和分子之间存在着动态平衡关系，其反应遵守质量作用定律。分子离子共存理论得到了越来越多的认可和支持。比如，SiO2或A12O3的熔体几乎不导电，SiO2-A12O3熔体的电导非常低，所以不能将全部熔渣当作电解质。,三、分子离子共存理论,2.3熔渣的物理化学性质,熔渣的碱度分子理论认为：氧化物按其性质可分为三类：1）酸性氧化物按酸性由强到弱为：SiO2、TiO2、P2O5等。2）碱性氧化物按碱性由强到弱为：K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等。3）中性氧化物主要有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。在强酸性渣中呈弱碱性，在强碱性渣中呈弱酸性。按分子理论碱度定义为：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B11为碱性渣，B11为酸性渣，B1=1为中性渣,一、熔渣的碱度,离子理论定义的碱度：把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。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：式中，Mi是渣中第I种氧化物的摩尔分数，ai是该氧化物的碱度系数。当B20时为碱性渣，B20为酸性渣，B2=0为中性渣。,渣中常见氧化物的ai值,一、熔渣的碱度,熔渣的黏度熔渣的黏度是指熔渣内部相对运动时内摩擦力的大小。黏度对保护效果、工艺性能、化学冶金有显著影响。影响黏度的因素：温度温度黏度。焊条电弧焊时，按熔渣黏度随温度变化的情况分：短渣黏度随温度下降增加迅速，凝固温度区间较窄。T/较小，凝固时间短，适用于全位置焊长渣黏度随温度下降增加缓慢，凝固温度区间较宽。T/较大，凝固时间长，不适应于仰焊。熔渣的成分一般酸性渣的黏度比碱性渣大,二、熔渣的黏度,1、熔渣的熔点熔渣的熔点固态渣完全转化为均匀液态时的温度称为熔渣的熔点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，而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。熔焊中，要求熔渣的熔点略低于母材金属。过高（或过低），都会影响对液态金属的保护效果和焊缝外观成形。钢的焊接时，熔渣的熔点以1150-1350较为适宜熔点过高，就会形成过长的套管，容易引起电弧拉断使焊接过程中断，并且熔渣不易浮出熔池，引起焊缝夹渣；熔点太低则熔渣熔化过早，熔渣的流动性过大，以至流淌到焊缝两侧，失去对于液态熔渣的覆盖保护作用。实际焊接过程中，熔渣的熔点以能保持焊条端部的套管深度12mm为宜。,三、熔渣的熔点和密度,2、熔渣的密度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。密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。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。,几种常见化合物的熔点和密度,三、熔渣的熔点和密度,1、熔渣的表面张力熔渣的表面张力是气相与熔渣之间的界面张力。熔渣的表面张力及熔渣与液态金属间的界面张力对于对熔滴过渡，焊缝成形、脱渣性、冶金反应有影响。影响表面张力的因素：温度T张力成分物质的表面张力与其中质点之间的作用力大小有关，即与化学键的键能有关。键能越大，表面张力越大碱性氧化物（如MgO、CaO、Al2O3、MnO、FeO等）一般为离子键化合物，表面张力较大。酸性氧化物（如SiO2、TiO2等）一般为极性键化合物，表面张力较小。碱度高的渣表面张力大。在碱性渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B2O3等能降低碱性渣的表面张力。CaF2对降低熔渣表面张力也有显著作用。,四、熔渣的表面张力及界面张力,2、熔渣与液态金属间的界面张力碱性焊条施焊时，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。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。,四、熔渣的表面张力及界面张力,2.4活性熔渣对金属的氧化,一、熔渣的氧化性,高温熔渣：保护作用和促进化学冶金反应的作用对液态金属污染的副作用（如氧化）熔渣的氧化性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。活性熔渣氧化性较强的熔渣又称为活性熔渣。FeO的活度参加氧化反应时的有效浓度。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有效浓度，氧化反应是否进行与FeO在熔渣中的实际活度FeO有关。,图8-4多元渣系中FeO的等活度曲线（1600）,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的含量比（即熔渣碱度）为2时所对应的熔渣氧化性最强。,FeO在碱性渣中的活度系数比在酸性渣中大,二、活性熔渣对金属的氧化,有扩散氧化和置换氧化两种形式：1、扩散氧化焊接钢时，FeO既溶于渣，又溶于液态钢，它在两相中浓度符合分配定律：L分配常数，与温度和渣的性质有关。如：在SiO2饱和的酸性渣中:在CaO饱和的碱性渣中:,二、活性熔渣对金属的氧化,影响因素：1）渣中FeO焊缝含氧量。2）TLFeO向液态钢中分配量；3）在熔渣含FeO量相同情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多。,FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配,二、活性熔渣对金属的氧化,碱性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物少，FeO的活度大；酸性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物多，与FeO形成复合物（如：FeOSiO2），使FeO的活度减少。正是由于这个原因，在碱性焊条药皮中一般不加入含FeO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。,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。这是由于尽管碱性渣中FeO的活度系数大，但碱性渣中FeO的含量并不高（见表），因此碱性渣对液态金属的氧化性比酸性渣要小。,二、活性熔渣对金属的氧化,2、置换氧化置换氧化是指某一金属与其它金属或非金属的氧化物发生置换反应而引起的氧化如低碳钢焊丝配高硅高锰焊剂（HJ431）埋弧焊，反应如下：反应结果：铁被氧化，使焊缝增加硅、锰、氧,二、活性熔渣对金属的氧化,影响因素：1）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；液态金属的过热度较低时，KSi明显小于KMn，即（MnO）的氧化性高于（SiO2），2100以上温度时，KSiKMn，显然对于过热度很高的熔滴，（SiO2）的氧化性可以超过（MnO）。,二、活性熔渣对金属的氧化,2）渣中MnO、SiO2、FeO的活度和金属中Si、Mn的浓度；3）对氧亲和力大的合金元素