第四章材料成型过程化学冶金

1、第四章第四章 材料成型过程化学冶材料成型过程化学冶金金概述概述 材料成型过程化学冶金材料成型过程化学冶金过程：高温条件过程：高温条件下，液态金属与各种物质之间的的相互作下，液态金属与各种物质之间的的相互作用过程用过程4.1、材料成型过程化学冶金特点、材料成型过程化学冶金特点1：铸造化学冶金特点铸造化学冶金特点 、 金属与铸型的热作用金属与铸型的热作用 型砂传热是一个不稳定的导热过程。如书上型砂传热是一个不稳定的导热过程。如书上图图4-14-3图图? ? 湿型水分分布图湿型水分分布图 、 金属与铸型的机械作用金属与铸型的机械作用? ? 、 金属与铸型的物理化学作用金属与铸型的物理化学作用? ?4

2、.1、材料成型过程化学冶金特点、材料成型过程化学冶金特点2：焊接化学冶金特点焊接化学冶金特点 、 焊接金属应在保护环境中进行焊接金属应在保护环境中进行 如图如图 、焊接金属应在保护环境分区域连续进行、焊接金属应在保护环境分区域连续进行 ? ? 药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区；叙药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区；叙述述熔滴熔滴过渡概念过渡概念? ? 如书上图如书上图4-44-5图图4.1、材料成型过程化学冶金特点、材料成型过程化学冶金特点 钢铁熔化温度钢铁熔化温度? ?一般炼钢温度一般炼钢温度1600，焊接温度，焊接温度达达16002000，平均温度达，平均温度达 。焊焊条熔滴条熔滴? ?

3、 、焊接化学冶金反应高温特征焊接化学冶金反应高温特征? ?10017004.1、材料成型过程化学冶金特点、材料成型过程化学冶金特点 界面大，热不稳定，搅拌强烈（各种机械力、液界面大，热不稳定，搅拌强烈（各种机械力、液态金属密度差、表面张力等作用下发生强烈搅拌）；态金属密度差、表面张力等作用下发生强烈搅拌）；时间短时间短 。如书上图。如书上图4-7图与图与熔池图熔池图? ? 、焊接化学冶金反应完全有利与不利因素焊接化学冶金反应完全有利与不利因素? ?4.1、材料成型过程化学冶金特点、材料成型过程化学冶金特点 、焊接化学焊接化学冶金反应填充金属冶金反应填充金属与合金过渡与合金过渡? ?dppaaa

4、 ap焊缝焊缝母材金属面积母材金属面积ad焊缝填充金属面积焊缝填充金属面积溶合比（稀释率）溶合比（稀释率）dbwebcccccc110。或：。或： 如如表表4-1c0焊缝金属焊缝金属a元素含量元素含量cw实际焊缝金属实际焊缝金属a元素含量元素含量cb母材金属母材金属a元素含量元素含量ce焊条金属焊条金属a元素含量元素含量cd熔敷金属熔敷金属a元素含量元素含量4.1、材料成型过程化学冶金特点、材料成型过程化学冶金特点 m药药单位长度药皮质量单位长度药皮质量 m芯芯单位长度焊芯质量单位长度焊芯质量芯芯药药mmk 0 药皮重量系数药皮重量系数kb焊条剖焊条剖视图视图 渣熔率渣熔率kf ：每熔化：每熔

5、化1g焊丝所熔化渣的数量，焊焊丝所熔化渣的数量，焊接参数对渣熔率的影响（接参数对渣熔率的影响（如书上如书上4-9图图p157）。还原还原ikfukf 反接焊反接焊渣熔率渣熔率kf 大于正接焊。大于正接焊。4.2、气体对金属的作用、气体对金属的作用 1、焊接过程气体的来源、焊接过程气体的来源4.2.1、气体的来源及存在形式、气体的来源及存在形式气体气体的来源的来源焊接材料焊接材料 周围气体周围气体表面吸附表面吸附金属、金属、熔渣蒸发熔渣蒸发4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、铸造过程气体的来源、铸造过程气体的来源 3、气体的成分与存在形式气体的成分与存在形式等等、气、22222h

6、noohcoco气体气体的来源的来源炉料炉料炉气炉气炉衬炉衬氧化剂与氧化剂与还原剂等还原剂等4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氮在金属中的溶解、氮在金属中的溶解4.2.2、气体在液态金属中的溶解与对金属质量的影响、气体在液态金属中的溶解与对金属质量的影响 金属与氮作用分为两类：金属与氮作用分为两类：一类一类既不溶解氮又不既不溶解氮又不与氮反应（与氮反应（cu、ni等）；等）；另一类另一类能溶解氮且与氮反能溶解氮且与氮反应应（fe、ti 、mn 、 si 、 cn等）等） 。 氮在空气中存在形式看书上图氮在空气中存在形式看书上图4-10，p159。 一、气体氮一、气体氮4.2、

7、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 空气中存在空气中存在n、o时，一定条件下发生如下反应：时，一定条件下发生如下反应： 液态金属的氮溶解度液态金属的氮溶解度molkjnn2/4 .7112onononnono22enen22nnpksnkn2氮溶解平衡常数氮溶解平衡常数sn液态金属的氮溶解度液态金属的氮溶解度pn2气相中分子气相中分子氮分压氮分压4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 在焊接条件下，当在焊接条件下，当时：时：kpappfen1012fenp-1lgtlgs21815. 01050 如图如图 2、氮对焊接质量的影响氮对焊接质量的影响氮的氮的影响影响时效脆时效脆化化fe

8、4n气孔气孔合金化合金化4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氢在金属中的溶解、氢在金属中的溶解 金属与金属与氢氢作用分为两类：作用分为两类：一类一类与与氢氢反应形成稳反应形成稳定化合物（定化合物（ti、zr、v、ta、nb等）温度升高等）温度升高溶解溶解度下降，度下降，注意防止固态吸氢注意防止固态吸氢。 另一类另一类与氢不反应形成稳定化合物（与氢不反应形成稳定化合物（al 、fe、ni、ce、cr 、mo 等），溶解是吸热反应，温度升等），溶解是吸热反应，温度升高溶解度增大，高溶解度增大，注意防止高温熔氢注意防止高温熔氢 。 二、气体二、气体氢氢4.2、气体熔融金属的作用、气体

9、熔融金属的作用 以第二类金属为例，溶解氢的影响因素。以第二类金属为例，溶解氢的影响因素。 、液态金属的氢溶、液态金属的氢溶解度解度22hhhpks kh2氢氢溶解平衡常数溶解平衡常数 sh液态金属的氢溶解度液态金属的氢溶解度水蒸汽分解如书上图水蒸汽分解如书上图4-12？4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用fehp-1lgtlgs21252. 21720 、纯铁氢溶解度随温度变化关系、纯铁氢溶解度随温度变化关系 、熔渣的、熔渣的作用作用、焊接正反接的影响、焊接正反接的影响如图如图？ 如图如图 、合金元素的影响、合金元素的影响 ti、zr、nb使氢溶解度增高；使氢溶解度增高；mn、ni、

10、cr、mo影响不大；影响不大；c、si、al使氢溶解度下降。使氢溶解度下降。4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 如图如图？ 、焊接后存放时间的影响、焊接后存放时间的影响 扩散氢扩散氢、氢原子（离子）直径小，能在金属晶、氢原子（离子）直径小，能在金属晶格中自由扩散，此类氢称为扩散氢。格中自由扩散，此类氢称为扩散氢。 剩余氢剩余氢、分子氢直径大，不能自由扩散，称为、分子氢直径大，不能自由扩散，称为剩余剩余氢。氢。4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氢、氢对焊接质量的影响对焊接质量的影响氢的氢的影响影响氢脆氢脆白点白点冷裂纹冷裂纹气孔气孔4.2、气体熔融金属的作用、气体熔

11、融金属的作用 1、氧在金属中的溶解、氧在金属中的溶解 金属与金属与氧氧作用分为两类：作用分为两类：一类是固、液态不溶解一类是固、液态不溶解氧氧，与与氧强烈氧强烈反应形成高熔点化合物，反应形成高熔点化合物，如如（mg 、 al等），；等），；另一类是有限溶解氧，另一类是有限溶解氧，与氧高温下反应与氧高温下反应形成形成氧化物，如（氧化物，如（fe、ni、ce、 ti等）等）。 二、气体二、气体氧氧4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 、液态铁氧溶解度、液态铁氧溶解度22ooopks ko氢氢溶解平衡常数溶解平衡常数 so2液态金属的氢溶解度液态金属的氢溶解度 734. 26320maxt

12、olg 、纯铁、纯铁氧最大氧最大溶解度随温度变化关系溶解度随温度变化关系4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 、金属是否氧化判断、金属是否氧化判断金属被还原金属被还原平衡状态平衡状态金属被氧化金属被氧化222222oooooopppppp 系统氧化物分（系统氧化物分（解解）压）压 po2 金属氧化物分解压金属氧化物分解压2op 焊接工艺对焊缝氢、氮、氧含量的影响如书焊接工艺对焊缝氢、氮、氧含量的影响如书上表上表4-34.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氧、氧对焊接质量的影响对焊接质量的影响氧的氧的影响影响性能性能下降下降物化性能物化性能变差变差工艺性工艺性变差变差合金

13、合金烧损烧损4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氮、氮的控制的控制 4.2.3、气体的控制、气体的控制 减少焊缝氮含量措施：减少焊缝氮含量措施： 用渣、气保护，隔离与空气接触；减少焊用渣、气保护，隔离与空气接触；减少焊接电压；增大焊接电流；采用直流反接；利用接电压；增大焊接电流；采用直流反接；利用合金去氮；限制型砂氮含量。合金去氮；限制型砂氮含量。4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氢、氢的控制的控制 减少焊缝减少焊缝氢氢含量措施：含量措施： 烘干焊条，选用低氢碱性焊条；清理焊丝；烘干焊条，选用低氢碱性焊条；清理焊丝；冶金处理；冶金处理；增大焊接电压；减少焊接电

14、流；增大焊接电压；减少焊接电流；去去氢退火。氢退火。4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氧、氧的控制的控制 减少焊缝减少焊缝氧氧含量措施：含量措施： 纯洁焊材，隔离氧化性气体；严控焊接工纯洁焊材，隔离氧化性气体；严控焊接工艺（如短弧焊艺（如短弧焊？）；脱氧。）；脱氧。4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 一、一、熔渣作用及分类熔渣作用及分类 4.3.1、焊接熔渣、焊接熔渣 1、熔渣作用熔渣作用熔渣作用熔渣作用保护作用保护作用冶金作用冶金作用改善工艺改善工艺 2、熔渣分类熔渣分类（免讲）（免讲） 二、二、熔渣的结构理论（免讲）熔渣的结构理论（免讲）4.3、熔渣与金属的反应、

15、熔渣与金属的反应 三、三、熔渣的性质熔渣的性质 酸性酸性熔渣熔渣：等等、222zrotioso 碱性碱性熔渣熔渣：、等、等、onafeomnomgocao2 两性两性熔渣熔渣：等等、3232ofeoal 简述其特点简述其特点？还原还原4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 1、熔渣的碱度熔渣的碱度b1221roroorb r2o一价碱性氧化物一价碱性氧化物 ro二价碱性氧化物二价碱性氧化物 ro2酸性氧化物酸性氧化物322222221oalzrotio0.5siocaffeomno0.5onaokmgocaob 下式为改进式（国际焊接协会（下式为改进式（国际焊接协会（w）推荐使用）推荐使用

16、）4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 2、熔渣的粘度熔渣的粘度 、熔渣成分的影响、熔渣成分的影响促进形成粗大阴离子应力子的物质促进形成粗大阴离子应力子的物质提高提高粘度；粘度；阻碍形成粗大阴离子物质阻碍形成粗大阴离子物质降低降低粘度；粘度；酸性渣内添加碱性渣均使粘度酸性渣内添加碱性渣均使粘度下降下降。反之，提高。反之，提高粘度。粘度。4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 2、熔渣的粘度熔渣的粘度 、 温度的影响温度的影响 如书上图如书上图4-15 温度升高使粘度下降。反之，提高粘度。温度升高使粘度下降。反之，提高粘度。 长渣与短渣长渣与短渣 4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的

17、反应 3、熔渣的表面张力熔渣的表面张力 熔渣的表面张力对焊缝质量的影响熔渣的表面张力对焊缝质量的影响？ 熔渣具有熔渣具有金属键、离子键金属键、离子键的表面张力较大；具有的表面张力较大；具有极性键极性键的表面张力较的表面张力较 小。小。 添加酸性氧化物，使表面张力减添加酸性氧化物，使表面张力减 小；添加碱性氧小；添加碱性氧化物，使表面张力增大。如书上图化物，使表面张力增大。如书上图4-17 温度高，表面张力减温度高，表面张力减 小；温度低，表面张力增大小；温度低，表面张力增大4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 4、熔渣的熔点熔渣的熔点 熔渣的熔点对焊缝质量的影响熔渣的熔点对焊缝质量的影响

18、？ 熔渣的熔点影响因素熔渣的熔点影响因素？如书上图如书上图4-18 ？ 三元三元相图成分表示相图成分表示 5、熔渣的导电性熔渣的导电性 碱性氧化物、升温，增加熔渣导电率；酸性碱性氧化物、升温，增加熔渣导电率；酸性氧化物、降温，降低导电率氧化物、降温，降低导电率？4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 1、扩散氧化扩散氧化 4.3.2、活性熔渣对金属的氧化、活性熔渣对金属的氧化 以自由氧化物形式存在的活性熔渣，对液态以自由氧化物形式存在的活性熔渣，对液态金属有较强的氧化作用。金属有较强的氧化作用。 在特定渣液中，在一定温度下，在特定渣液中，在一定温度下， feo在渣、铁液中有特定的分配。在渣

19、、铁液中有特定的分配。feofeol (feo)存在于渣液中存在于渣液中feo存在于铁液中存在于铁液中 l分配系数分配系数4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 在在sio2 （酸性）饱和液中。（酸性）饱和液中。877. 14906tlgl 在在cao （碱性）饱和液中。（碱性）饱和液中。980. 15014tlgl 在酸、碱性渣中，在酸、碱性渣中， feo在渣、铁液中如何分配在渣、铁液中如何分配？feofeol 4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 2、置换氧化置换氧化 qfeosifesio222 04. 613460lg22tksiofeosiksisi qfeomnfemno

20、2216. 36600lg2tkmnofeomnkmnmn 叙述渗硅、叙述渗硅、锰反应锰反应？4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 222tiomntimno 3222343oalsialsio 同理有同理有 渗铝、钛反应渗铝、钛反应？4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 4.3.3、焊缝金属脱氧、焊缝金属脱氧ni-cu-w-mo-fe-cr-nb-mn-v-si-b-ti-mg-c-al-ce 脱氧剂应有较强氧化性、不溶于液态金属、密度小脱氧剂应有较强氧化性、不溶于液态金属、密度小与氧亲和力强与氧亲和力强脱氧脱氧先期先期脱氧脱氧沉淀沉淀脱氧脱氧扩散扩散脱氧脱氧4.3、熔渣与金属的

21、反应、熔渣与金属的反应 1、沉淀沉淀脱氧脱氧？ 如书上碳、锰、硅的脱氧。如书上碳、锰、硅的脱氧。 2、扩散扩散脱氧脱氧 从液态金属扩散到熔渣从液态金属扩散到熔渣？feofeo 4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 4.3.4、硫磷的控制、硫磷的控制 关于关于硫磷硫磷？ 1、原材料成分原材料成分？ 2、冶金法脱硫磷冶金法脱硫磷？4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 还原还原、脱硫脱硫 feomgsmgofesfeocascaofesfeomnsmnofes、脱磷脱磷feopfeopfe1152523524525235243opcaocaoopopcaocaoop qfemnsmnfe

22、s4.3、熔渣与金属的反应、熔渣与金属的反应 、熔渣碱度的影响熔渣碱度的影响 增加增加mno、cao、mgo、减少减少feo，有利有利于脱硫于脱硫；增加；增加cao 、feo，有利于脱磷有利于脱磷。如。如熔熔渣碱度渣碱度；脱硫磷化学式脱硫磷化学式 4. 4、液态金属与铸型的界面反应（免讲）、液态金属与铸型的界面反应（免讲）4.5、合金处理、合金处理 4. 5.1、合金过渡系数、合金过渡系数 关于关于铸、焊的合金化铸、焊的合金化？edcc 合金元素过渡系数合金元素过渡系数cd某元素在熔敷金属中含量某元素在熔敷金属中含量ce某元素原始加入含量某元素原始加入含量4.5、合金处理、合金处理 4. 5.

23、2、影响、影响合金元素过渡系数合金元素过渡系数的因素的因素 1、合金元素的物化性合金元素的物化性 2、合金元素的含量合金元素的含量 3、合金元素的粒度合金元素的粒度 4、药皮（焊剂）成分药皮（焊剂）成分 5、熔渣碱度熔渣碱度 6、药皮（焊剂）的相药皮（焊剂）的相对数量与焊接工艺对数量与焊接工艺 埋弧焊埋弧焊，正、反极性焊正、反极性焊，熔渣率熔渣率kf。4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化、固态金属在加热过程中的物理化学变化一、氧化一、氧化 4. 6、固态金属在加热过程中的物理化学变化固态金属在加热过程中的物理化学变化ni-cu-w-mo-fe-cr-nb-mn-v-si-b-ti-mg-

24、c-al-ce与氧亲和力强与氧亲和力强4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化、固态金属在加热过程中的物理化学变化二、脱碳二、脱碳 4. 6、固态金属在加热过程中的物理化学变化固态金属在加热过程中的物理化学变化ti、zr、v、ta、nb、w、mo、cr、mn、fe与碳亲和力弱方向与碳亲和力弱方向合金元素与碳的亲和力排序：合金元素与碳的亲和力排序：4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化、固态金属在加热过程中的物理化学变化三、炉气性质三、炉气性质 4. 6、固态金属在加热过程中的物理化学变化固态金属在加热过程中的物理化学变化温度、加热速度、气氛温度、加热速度、气氛本章结束本章结束请认真复习并

25、做完作业请认真复习并做完作业p183：1、3、11湿型浇铸后瞬间水分分布图湿型浇铸后瞬间水分分布图 还原还原离离型型壁壁距距离离0强强度度水水分分强强度度水水分分完完全全烘烘干干区区，温温度度高高于于1 10 00 0度度水水分分饱饱和和凝凝聚聚区区，温温度度高高稳稳定定于于1 10 00 0度度水水分分不不饱饱和和凝凝聚聚区区，温温度度高高低低于于1 10 00 0度度未未受受影影响响区区，温温度度为为室室温温氩弧焊示意图氩弧焊示意图(不熔电极不熔电极)焊丝工件喷嘴进气管直流电源钨电极导电嘴电弧氩气流电渣焊（丝极）示意图电渣焊（丝极）示意图 10引出板10引入板8成型铜板5焊缝6熔池4渣池3

26、焊丝2导电嘴1焊件7引弧板9埋弧焊示意图埋弧焊示意图 还原还原熔滴颗粒过渡熔滴颗粒过渡射流过渡细颗粒过渡粗颗粒过渡熔滴短路与渣壁过渡熔滴短路与渣壁过渡 还原还原短路过渡渣壁过渡i/a8 01 201 601 5 001 7 001 9 002 1 002 3 002 5 002 00涂涂 薄薄 c c a a c c o o 3 3 药药 皮皮光光 焊焊 丝丝反反 接接正正 接接焊条熔滴焊条熔滴 还原还原 击击t / 焊件接直流电源正极，焊条接负极。焊件接直流电源正极，焊条接负极。正接正接 焊件接直流电源负极，焊条接正极。焊件接直流电源负极，焊条接正极。反接反接熔池形状熔池形状 还原还原abb

27、0hxyz焊接方向焊接方向焊缝示意图焊缝示意图 还原还原母材金属母材金属填充金属填充金属熔敷金属熔敷金属还原还原 熔敷金属熔敷金属：真正过渡到焊缝中的填：真正过渡到焊缝中的填充充金属。金属。焊条剖视图焊条剖视图 还原还原药药皮皮焊焊芯芯气气体分压体分压 还原还原 气气体分压（英语：体分压（英语：partial pressure）：指的）：指的是当气体混合物中的某一种组分在相同的温度下是当气体混合物中的某一种组分在相同的温度下占据气体混合物相同的体积时，该组分所形成的占据气体混合物相同的体积时，该组分所形成的压强。压强。 14 16 1805101520252022 24 26 283035404550(n)(h)氢与氮在液态铁中的溶解度氢与氮在液态铁中的溶解