文档介绍：1
第八章成形过程的冶金反应原理
主要内容
成形工艺的冶金反应特点
液态金属与气体界面的反应
N2 H2 O2
液态金属与熔渣的反应
熔渣的性质脱氧 S P的控制
合金化的目的及方式
工艺条件对冶金反应的影响
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材料成形(如液态成形、焊接成形等)的高温过程中,金属液化后与其周围的接触物质(气体、熔渣、型壁等)发生不同的物理化学反应—化学冶金过程。
可能改变液态金属的化学成分。
影响凝固后金属的物理化学性能。
研究冶金反应与成形金属成分、性能之间的关系及其变化规律
控制成形的质量
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第一节成形工艺中的冶金反应特点
一、液态成形的冶金反应特点
主要的物理化学反应:金属的氧化,金属的脱氧、脱硫、脱磷和合金化等
温度较低(1600℃左右),液态金属体积较大,熔炼时间较长,反应可以达到或接近平衡状态。
化学冶金过程主要发生在熔炼阶段
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二、连接成形的冶金反应特点
焊接冶金过程是指焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程,与普通冶金过程相比具有以下特点:
(一)焊接区金属的保护
保护不如钢铁冶金过程,焊缝增氧增氮,有益元素烧损,严重影响力学性能,塑韧急剧下降。
(二)焊接冶金反应区及其条件
焊接化学冶金过程是在不同反应区连续进行的,不同的焊接方法有不同的反应区。多相反应
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最具代表性的是焊条电弧焊,分区连续进行
1-渣壳(已凝固) slag 2-液态熔渣 molten slag 3- 熔滴 droplet
4-焊芯 core wire 5-药皮 covering /coating 6- 熔池 molten pool /weld pool 7-焊缝金属WM
Ⅰ:药皮反应区
Ⅱ:熔滴反应区
Ⅲ:熔池反应区
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焊条端部被加热到100℃至药皮熔点(对钢焊条约为1200℃)的区域。主要发生水的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化反应:
1)吸附水蒸发(物理过程)
结晶水、化合水的析出(化学过程)
2)分解:CaCO3→CaO+CO2↑
有机物→H2+CO+H2O
3)铁合金的氧化:Mn+CO2→MnO+CO (先期脱氧)
Si+2FeO→2Fe+SiO2
焊接冶金反应的准备阶段:对熔化金属产生机械保护作用,改变焊接区的气氛性质,对铁合金有很大的氧化作用。
1. 药皮反应区(造渣反应区)
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2. 熔滴反应区
从熔滴形成、长大、过渡至熔池金属的阶段。
1)温度高 2100-2200℃过热300-900℃
2)比表面积大 103~104cm2/kg 是炼钢的1000倍
极大的液态金属-气体/熔渣相界面使得反应物强烈混合,可大大加速冶金反应的进行,反应很激烈,速度很高。
3)反应时间短(熔滴存在时间小于1s) -1s
不利于反应达到平衡。
熔滴反应区是焊接化学冶金的重要反应区。
冶金反应包括:气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原以及焊缝金属的合金化等。
*GTAW无此区域
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3. 熔池反应区
1)平均温度较低: 1600-1900℃
2)比表面积小,但存在时间稍长(手弧3-8s,埋弧6-25s)。
3)前后部温差大,反应方向不同
头部:升温阶段,有利于吸热反应的进行,发生金属的熔化和气体的吸收。尾部:降温阶段,有利于放热反应的进行,发生金属的凝固和气体的逸出。
4)有利于熔池成分的均匀化和冶金反应的进行
是焊接化学冶金反应的最后阶段,对焊缝的化学成分具有决定的影响。
熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池即熔池反应区,在熔池内各相进一步发生物理化学反应,直至焊缝金属凝固形成焊缝。
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一、焊接区气体的来源
(1)非气体保护焊主要来源于焊接材料:造气剂、高价氧化物和水分等。
(2)气体保护焊主要来自保护气体中的杂质:O、N、水气等
(3)热源周围的空气
有机物分解、燃烧: 淀粉、纤维素、油污等
碳酸盐和高价氧化物的分解
CaCO3、MgCO3、BaCO3, Fe2O3、MnO2
材料中低沸点物质的蒸发
H2O、Zn、Mg、KF、NaF
气体组成:H2O、N2、H2、O2、CO2、CO、金属和熔渣的蒸气,以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。
第二节液态金属与气体界面的反应
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二、液态金属与气体的反应
N2、H2、O2是对金属作用最大(有害)的三种气体。
(一)氮与金属的作用
来源:焊接区周围的空气
N与金属的作用:
不与N发生作用—Cu、Ni等,不溶解、不形成N化物,可作为保护气。
与N发生作用—Fe、Mn、Ti、Cr等,溶解N、形成N化物,应防止金属的N化。