第七章材料成形基本原理课件

1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节第一节 气体的来源与产生气体的来源与产生第二节第二节 气体在金属中的溶解气体在金属中的溶解第三节第三节 氧化性气体对金属的氧化氧化性气体对金属的氧化第四节第四节 气体的控制措施气体的控制措施合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节第一节 气体的来源与产生气体的来源与产生一、焊接区内的气体

2、来源一、焊接区内的气体来源二、铸造过程中的气体来源二、铸造过程中的气体来源合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、焊接区内的气体来源一、焊接区内的气体来源N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊接区的气体焊接区的气体焊条药皮、焊剂、焊芯焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂的造气剂高价氧化物及有机物的分解气体高价氧化物及有机物的分解气体母材坡口的油污、油漆、铁锈、母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分水分空气中的气体、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体保护气体及其杂质气体直接进入直接进入间接分解间接分解

3、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1 1有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧2 2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解3 3材料的蒸发材料的蒸发 4 4、气体的分解、气体的分解合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧 焊条药皮中的淀粉、焊条药皮中的淀粉、 纤维素、糊精等有机物纤维素、糊精等有机物（造气、粘接、增塑剂）（造气、粘接、增塑剂） 热氧化分解

4、反应热氧化分解反应 220250以上发生，以上发生， 800左右完全分解左右完全分解 CO2、CO、H2、烃和水气、烃和水气 如纤维素的热氧化分解反应：如纤维素的热氧化分解反应：（C6H10O5）m7/2m O2（气）（气）6m CO2（气）（气）5m H2（气）（气）酸性焊条药皮中有机物的含量较高。酸性焊条药皮中有机物的含量较高。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（545 910）（325 650） 2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解 碳酸盐（碳酸盐（CaCO3、MgCO3

5、及及 BaCO3 等）的分解等）的分解 CaCO3 = CaO + CO2 MgCO3 = MgO + CO2碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。高价氧化物（高价氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高）（在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本

6、原理材料成形基本原理表表7-2 7-2 碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分低氢型焊条低氢型焊条焊接时，气相中焊接时，气相中H2和和H2O的含量很少，故称的含量很少，故称“低氢型低氢型”；酸性焊条酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条纤维素型焊条的最大。的最大。药药 皮皮 类类 型型气相成分（体积分数）气相成分（体积分数） /%备备 注注COCO2H2H2O高钛型（高钛型（J421）46.75.334.513.5焊条在焊条在110烘干烘干2h钛钙型（钛钙型（J422）50.75.937.55.7钛铁矿型（钛铁矿型（J423）48

7、.14.836.610.5氧化铁型（氧化铁型（J424）55.67.324.013.1纤维素型（纤维素型（J425）42.32.941.212.6低氢型（低氢型（J427）79.816.91.81.5合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3材料的蒸发材料的蒸发焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气

8、。气。 金属材料中金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn 氟化物中氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF 后果：后果： 合金元素的损失；合金元素的损失； 产生焊接缺陷；产生焊接缺陷； 增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。极易蒸发极易蒸发 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理编编 号号反反 应应 式式 /kJ.mol编编 号号反反 应应 式式 /kJ.mol1F2FF2706CO2CO1/2O2282.82H2HH433.97H2OH21/2O2483.2

9、3H2HH+e17458H2OOH1/2H2532.84O2OO489.99H2OH2O977.35N2NN711.410H2O2HO1808.34、气体的分解、气体的分解简单气体（指简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体）的分解等双原子气体）的分解 ；复杂气体（指复杂气体（指CO2和和H2O等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。 298H298H合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理分分解解度度温度温度 T / KCO2分解时

10、气相的平衡成分分解时气相的平衡成分与温度的关系与温度的关系气气相相体体积积分分数数/% 温度温度 T / K 双原子气体分解度双原子气体分解度与温度与温度的关系（的关系（P00.1MPa）合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图7-3 H2O分解形成的气相成分与温度的关系（分解形成的气相成分与温度的关系（P00.1MPa）温度温度 T /103K气相体积分数气相体积分数 %合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料

11、成形基本原理二、铸造过程中的气体来源二、铸造过程中的气体来源1气体的来源气体的来源 铸造时的气体主要来源于熔炼过程、浇注过程和铸型。铸造时的气体主要来源于熔炼过程、浇注过程和铸型。熔炼过程熔炼过程 气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。p浇注过程浇注过程 浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时型透气性差，浇注速度控制

12、不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。排除等，都会使气体进入液态金属。p铸型铸型 来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。即使烘来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。即使烘干的铸型在浇注前也会吸收水分，并且粘土在液态金属的干的铸型在浇注前也会吸收水分，并且粘土在液态金属的热作用下其热作用下其结晶水还会分解结晶水还会分解。此外，有机物（粘结剂等）。此外，有机物（粘结剂等）的燃烧也会产生大量气体。的燃烧也会产生大量气体。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理高温下合金元素与铸型水蒸气反

13、应产生氢气高温下合金元素与铸型水蒸气反应产生氢气 ：造型材料中的碳及有机物燃烧，产生造型材料中的碳及有机物燃烧，产生CO和和CO2气体：气体：砂型组分分解：砂型组分分解：树脂砂中的尿素、乌洛托品树脂砂中的尿素、乌洛托品(CH2)6N4等在高温下，首先分解生成等在高温下，首先分解生成NH3，然后继续分解：，然后继续分解：还有烷烃的分解还有烷烃的分解 ：24H2CCH222H) 1(CHCnnnn22HOMeOHMennmnm2COOC2222COO21CO 23COCaOCaCO2233HN2NH合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划

14、教材材料成形基本原理材料成形基本原理OHCOHCO222气相平衡与铸型内气体的成分气相平衡与铸型内气体的成分 TfppppKHCOOHCO2222）铸型内气体的成分随造型材料、温度、浇注后的时间而变）铸型内气体的成分随造型材料、温度、浇注后的时间而变化。化。一般铸型内气体的成分为一般铸型内气体的成分为H2、CO、CO2 、O2 ，在含氮的树，在含氮的树脂砂铸型中还有少量的脂砂铸型中还有少量的N2。粘结剂为粘结剂为有机物有机物的铸型，浇注后型内的铸型，浇注后型内O2迅速降低迅速降低，H2的相对的相对含量增加含量增加；浇注温度高浇注温度高，铸型内，铸型内自由碳含量高自由碳含量高，有助于形成，有助于

15、形成还原性气氛还原性气氛；反之，反之， N2和氧化性气体和氧化性气体O2、CO2含量较高含量较高。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二节第二节 气体在金属中的溶解气体在金属中的溶解 在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体和复杂气体两大类。前者如单气体和复杂气体两大类。前者如H2、N2、O2等，后等，后者如者如CO2、H2O、CO等。本节主要讨论等。本节主要讨论 H2、N2 和和 O2 在金属中的溶解规律。在金属中的溶解规律。 一

16、、气体的溶解过程一、气体的溶解过程 二、气体的溶解度二、气体的溶解度合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、气体的溶解过程一、气体的溶解过程 原子或离子状态原子或离子状态 直接溶入直接溶入液态金属；液态金属； 分子状态分子状态的气体的气体 先分解先分解为原子或离子之后为原子或离子之后再溶解到液态金属中。再溶解到液态金属中。 双原子气体溶入金属液的两种方式：双原子气体溶入金属液的两种方式： 吸附吸附 分解分解 溶入溶入 分解分解 吸附吸附 溶入溶入 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材

17、料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理双原子气体溶入金属液的两种方式双原子气体溶入金属液的两种方式 温度不够高或气体难以分解时温度不够高或气体难以分解时 焊接温度下氢、氧等气体的溶解焊接温度下氢、氧等气体的溶解合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、气体的溶解度二、气体的溶解度 溶解度溶解度 在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。饱和浓度。溶解度溶解度S的的影响因素影响因素 气体种类气体种类合金成分

18、合金成分温度温度与压力与压力合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1温度和压力的影响温度和压力的影响理想气体溶解度的平方根定律：理想气体溶解度的平方根定律： Px 为为气体分压气体分压， Px 溶解度溶解度 Kx 为常数，取决于为常数，取决于温度温度和和金属金属的种类。的种类。xxPkS 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 金属吸收气体为吸热反应，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应，

19、溶解度随温度的上升而降低。气体溶解度与热效应和温度的关系气体溶解度与热效应和温度的关系1吸热溶解吸热溶解 2放热溶解放热溶解溶溶解解度度温度温度12 金属发生相变时，金属发生相变时，由于金属组织结构的由于金属组织结构的变化，气体的溶解度变化，气体的溶解度将发生突变。液相比将发生突变。液相比固相更有利于气体的固相更有利于气体的溶解。溶解。 当金属由液相转变当金属由液相转变为固相时，溶解度的为固相时，溶解度的突然下降将对铸件和突然下降将对铸件和焊件中气孔的形成产焊件中气孔的形成产生直接的影响。生直接的影响。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国

20、家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向 气体气体金金 属属 与与 合合 金金溶解反应类型溶解反应类型形成化合物倾向形成化合物倾向氮氮铁和铁基合金铁和铁基合金吸热反应吸热反应能形成稳定氮化物能形成稳定氮化物Al、Ti、V、Zr等金属及合金等金属及合金放热反应放热反应氢氢Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co 等金属及合金等金属及合金吸热反应吸热反应能形成稳定氢化物能形成稳定氢化物Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金属及合金等金属及合金放热反应放热反应不能形成稳定氢化物不能形成稳定氢化物2、

21、氮、氢、氧在金属中的溶解度、氮、氢、氧在金属中的溶解度合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理氮、氢在铁中的溶解度氮、氢在铁中的溶解度（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）氮、氢在金属凝固时溶解氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。度陡降。氮、氢在奥氏体中的溶解氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。度大于铁素体。氮、氢在液态铁中的溶解度氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。随温度升高而增大。在铁的气化温度附近，气体在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。溶解度陡降。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业

22、大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理SH/mL.(100g)-1T/图图7-9 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）a）SH/mL.(100g)-1T/b）第第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，度的升高，氢的溶解度减小， T/a）I类金属类金属 b）II类金属类金属合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理温度温度 T/溶

23、解度溶解度SO/%与温度的关系与温度的关系氧在液态铁中的溶解度氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大随温度升高而增大合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、合金成分对溶解度的影响、合金成分对溶解度的影响 氢在二元系铁合金中的溶解度（氢在二元系铁合金中的溶解度（1600）氢氢溶溶解解度度合金元素含量合金元素含量wMe /% 氮在二元系铁合金中的溶解度（氮在二元系铁合金中的溶解度（1600）合金元素含量合金元素含量wMe /%氮氮溶溶解解度度SN/液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶

24、解度；若加液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。低气体的溶解度。 SH/Ml.(100g)-1合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三节第三节 气体对金属的氧化气体对金属的氧化 主要讨论主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的等气体对金属的 氧化氧化 一、金属氧化还原方向的判据一、金属氧化还原方向的判据 二、氧化性气体对金属的

25、氧化二、氧化性气体对金属的氧化合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、金属氧化还原方向的判据一、金属氧化还原方向的判据 在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用中，采用金属氧化物的分解压金属氧化物的分解压 Po2作为金属是否被氧化的作为金属是否被氧化的判据。判据。 2 MeO 2Me + O2若氧在金属氧氧化物系统中的实际分压为若氧在金属氧氧化物系统中的实际分压为Po2，则则: Po2 Po2 时，金属被氧化；时，金属被氧化； Po2

26、= Po2 时，处于平衡状态；时，处于平衡状态； Po2 Po2 时，金属被还原。时，金属被还原。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理金属氧化物的分解压是温度金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而的函数，它随温度的升高而增加。增加。除了除了 Ni 和和 Cu 外，在同样外，在同样温度下，温度下，FeO的分解压最大，的分解压最大，即最不稳定。即最不稳定。FeO为为纯凝聚纯凝聚相相时，其分解压为：时，其分解压为：43.626730lg2OTp图图7-14 自由氧化物分解压与温度的关系自由氧

27、化物分解压与温度的关系T/Lg pO2/101.3kPa合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理P o2 是液态铁中是液态铁中FeO的分解压；的分解压；FeO 是溶解在液态铁中的是溶解在液态铁中的 FeO 浓浓度；度；FeOmax是液态铁中是液态铁中 FeO 的饱和浓度。的饱和浓度。由由上上式可以看出，由于式可以看出，由于 FeO 溶于液态铁中，使其分解压减小，致使溶于液态铁中，使其分解压减小，致使 Fe 更容易氧化。更容易氧化。p 计算得知，在高于铁熔点的温度下计算得知，在高于铁熔点的温度下 Po

28、2 很小，例如温度为很小，例如温度为1800， FeO 的质量分数为的质量分数为1时，时， Po2 = 1.510 -8 MPa，说明气相中只要存在微，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。量的氧，即可使铁氧化。p 通常情况下通常情况下FeO溶于液态溶于液态 铁中，这铁中，这时其分解压为：时其分解压为： 2max2OOFeOFeO22pp合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、氧化性气体对金属的氧化二、氧化性气体对金属的氧化1 1、 自由氧对金属的氧化自由氧对金属的氧化2 2、 COCO2

29、2 对金属的氧化对金属的氧化3 3、 H H2 2O O 对金属的氧化对金属的氧化4 4、 混合气体对金属的氧化混合气体对金属的氧化合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、自由氧对金属的氧化、自由氧对金属的氧化气相中气相中 O2 的分压超过的分压超过 Po2 时，将使时，将使 Fe 氧化：氧化： Fe + O2 = FeO + 26.97 kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76 kJ/mol由反应的热效应看，由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈原子氧对铁的氧化比分子

30、氧更激烈。除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如： C + O2 = CO Si + O2 =（SiO2） Mn + O2 =（MnO）合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理纯纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压 Po2 2、CO2对金属的氧化对金属的氧化温度温度/K1800200022002500300035004000气相成分气相成分( 体积分体积分数数

31、) /CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36气相中氧的分压气相中氧的分压pO2/101.325kPa2.210-37.610-32.0210-26.310-218.5810-227.7710-231.3610-2PO2 FeOmax/101.325kPa3.8110-91.0810-71.3510-65.310-5高温下高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。合肥工业

32、大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理CO2与液态铁的反应式和平衡常数为：与液态铁的反应式和平衡常数为： CO2 Fe CO FeO 温度升高时，平衡常数温度升高时，平衡常数K增大，反应向右进行，促使铁氧化。增大，反应向右进行，促使铁氧化。计算表明，即使气相中只有少量的计算表明，即使气相中只有少量的 CO2 ，对铁也有很大的，对铁也有很大的氧化性。因此，用氧化性。因此，用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入，作保护气体只能防止空气中氮的侵入，不能避免金属的氧化。不能避免金属的氧化。 用用CO2 作为保护

33、气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素855.611576lgTK合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、H2O对金属的氧化对金属的氧化H2O 气与气与 Fe 的反应式和平衡常数为：的反应式和平衡常数为： H2O气气 Fe FeO H2 可见，可见，温度越高，温度越高，H2O 的氧化性越强的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比气的氧化性比 CO2 小小。但应注意，但应注意，H2O气除了使金属氧化外，气除了使金属氧化外

34、，还会提高气相中还会提高气相中 H2 的分压，导致金属增氢的分压，导致金属增氢。5.510200lgTK合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理4、混合气体对金属的氧化、混合气体对金属的氧化焊接电弧空间的气相是由焊接电弧空间的气相是由多种气相成分混和而成。多种气相成分混和而成。对于不同的焊接方法与焊对于不同的焊接方法与焊材情况下，焊接区气相会材情况下，焊接区气相会有不同的组成。有不同的组成。O/g.(100g)-1，wO/%ArCO2CO2，O2/%O2/%不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见

35、下图。不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。 熔敷金属中熔敷金属中O与保护气体成分的关系与保护气体成分的关系 实线实线O 虚线虚线wO (焊丝焊丝H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳钢母材低碳钢)合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理表表7-2 7-2 碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分低氢型焊条低氢型焊条焊接时，气相中焊接时，气相中H2和和H2O的含量很少，故称的含量很少，故称“低氢型低氢型”；酸性焊条酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中焊接时氢含量

36、均较高，其中纤维素型焊条纤维素型焊条的最大。的最大。药药 皮皮 类类 型型气相成分（体积分数）气相成分（体积分数） /%备备 注注COCO2H2H2O高钛型（高钛型（J421）46.75.334.513.5焊条在焊条在110烘干烘干2h钛钙型（钛钙型（J422）50.75.937.55.7钛铁矿型（钛铁矿型（J423）48.14.836.610.5氧化铁型（氧化铁型（J424）55.67.324.013.1纤维素型（纤维素型（J425）42.32.941.212.6低氢型（低氢型（J427）79.816.91.81.5酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大

37、于碱性。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四节第四节 气体的影响与控制气体的影响与控制一、气体对金属质量的影响一、气体对金属质量的影响二、气体的控制措施二、气体的控制措施合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、气体对金属质量的影响一、气体对金属质量的影响 残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在气体元素在金属中的存在状态金属中的存在

38、状态。 室温下室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低，在金属中的溶解度极低， 残留在接头中的残留在接头中的 HR易导致延迟裂纹和氢脆。易导致延迟裂纹和氢脆。固溶态固溶态化合物化合物独立气相独立气相弥散状（氮化物）弥散状（氮化物）块状（氧化物、氮化物）块状（氧化物、氮化物）强化、脆化强化、脆化 夹杂夹杂气孔（氢气孔，氮气孔，气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）气孔）合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、气体的控制措施二、气体的控制措施 1 1限制气体的来源限制气体的来源 2 2控制工艺参数控制工艺

39、参数3 3冶金处理冶金处理合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1限制气体的来源限制气体的来源氮主要来源于空气氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。 熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；焊接时，惰性气体或气渣联合保护。焊接时，惰性气体或气渣联合保护。p 氢主要来源于水分氢主要来源于水分

40、，包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等），包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的水等。材料内的碳氢化合物碳氢化合物和材料表面的和材料表面的油污油污等也是氢的重要来源。等也是氢的重要来源。 限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。p 氧主要来源于焊材或矿石，氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应应尽量选用不含氧或氧含量少的

41、焊接材料尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2控制工艺参数控制工艺参数增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊短弧焊。p 焊接电流增加时，焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加熔滴过渡

42、频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。等也有一定的影响。p 铸造过程中控制铸造过程中控制液态金属的液态金属的保温时间保温时间、浇注方式和冷却速度浇注方式和冷却速度，可在一定程度上减少可在一定程度上减少金属中氮、氢、氧的金属中氮、氢、氧的含量。含量。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3冶金处理冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行采用冶金方法

43、对液态金属进行脱氮脱氮、脱氧、脱氧、脱氢脱氢等除等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。 冶金法脱氮冶金法脱氮 液态金属中加入液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。但在炼钢时，要严格控制加铝量。化倾向。但在炼钢时，要严格控制加铝量。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”

44、国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理金属冶炼过程中的除氢金属冶炼过程中的除氢 常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。如将氯气通入铝常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。如将氯气通入铝液后，可产生下列反应：液后，可产生下列反应： 2 Al + 3 Cl2 2 AlCl3 + Q H2 + Cl2 2HCl + Q 铝液中的氢既能与氯化合成氯化氢气体而逸出铝液表面，又铝液中的氢既能与氯化合成氯化氢气体而逸出铝液表面，又可通过扩散作用进入氯化铝气泡内，促使可通过扩散作用进入氯化铝气泡内，促使AlCl3气体逸出。气体逸出。生产中，也可采用通入混合气体（如氮生产中，也可采用通入混合气体（如氮-

45、氯或氯氯或氯-氮氮-一氧化碳）一氧化碳）的方法除气，以减少氯对熔炼设备的腐蚀作用。的方法除气，以减少氯对熔炼设备的腐蚀作用。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 焊接过程中的脱氢焊接过程中的脱氢 熔池存在时间短暂，因此不能采用熔炼过程时的冶金熔池存在时间短暂，因此不能采用熔炼过程时的冶金除氢法。除氢法。具体措施为：具体措施为： （1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物 （2）控制焊接材料的氧化势）控制焊接材料的氧化势 （3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素）在药皮或焊芯中加

46、入微量稀土元素 （4）焊后消氢处理）焊后消氢处理 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物主要是主要是CaF2，焊条药皮中加入，焊条药皮中加入78，即可急剧减少焊，即可急剧减少焊缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种： 在酸性渣中在酸性渣中， CaF2和和SiO2共存时能发生如下化学反应：共存时能发生如下化学反应： 2 CaF2 + 3 SiO2 = 2 CaSiO3 + SiF4 生成的气体生成的气体 SiF4 沸点很低（沸点很低（90），它以气态形式存在，），它以气态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应： SiF4 + 3 H = SiF + 3 HF SiF4 + 2 H2O = SiO2 + 4 HF反应生成的反应生成的 FH 在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料