材料成型过程的化学冶金

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②碳酸盐的分解
a.空气中: 分解物
开始
剧烈
CaCO3
545 ℃ 910 ℃
MgCO3
325 ℃ 650 ℃
b.BaCO3分解温度比CaCO3高
c.白云石CaMg(CO3)2分解分两步进行：
CaMg(CO3)2 CaCO3 +MgO+CO2
CaO+CO2
d.焊条烘干温度：
含CaCO3的焊条 含MgCO3的焊条 含有机物的焊条
2.不平衡性
条件非平衡焊缝最终成分远离凝固平衡温度 下的成分
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第二节 焊接区的气体及熔渣
一、区内气体
（一）气体的来源及产生
1.来源：焊材本身（造气剂及高价氧化物、水）、锈 及油污、空气侵入（约占3%）
2.产生 ①有机物分解:纤维素约220~250℃开始分 解，与水玻璃混合时，分解温度会更低， 反应产物主要是CO2,少量CO、H2、烃类 及水气
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（二）熔滴过渡特性的影响 熔滴的过渡特性不同，意味着熔滴阶段的反应时间不
同 ：细颗粒时反应时间短，不充分；粗颗粒时反应时间长， 反应充分。
（三）熔渣有效系数（）的影响
1.概念：真正发生作用的熔渣量/金属量
①熔滴阶段： g=m1/mg ②熔池阶段： =m2/m
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2. 与kf
不同于焊剂熔化量kf ，一般≤ kf
3.焊接工艺对 的影响
I ，从熔渣过渡的元素量
故：熔渣有效系数对焊缝成分的影响
a.焊材成分：影响冶金系统及过程、合金系统 b.母材 c.焊接工艺：影响冶金过程
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四、焊接化学冶金系统及不平衡性
1.化学冶金系统
①手工焊、埋弧焊：液态金属—熔渣—气相 ②气体保护焊：气相—液态金属 ③电渣焊：渣—液态金属
-712.4 -489.9 -433.9 -1745
热电离、碰撞电离、光电离（依次要求的温度升高）
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2.复杂气体的分解
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） 分解温度
CO2CO+O2
-282.8
Baidu Nhomakorabea
H2OH2+O2
-483.2
H2OOH+ H2
-532.0
HH22OOH212 H2++OO
-977.3 -1803.3
3.气相的成分及分布（如表1-12）
（全分解） ＜4500K ＞4500K 更高温度 更高温度
主要：CO、H2、H2O、CO2 低氢：CO、CO2
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三、焊接熔渣
1.作用
①机械保护 ②改善工艺性：提高电弧的稳定性，减少飞溅，促进脱渣、
改善焊缝成型 ③冶金处理作用
2.成分与分类
①盐型：活性材料及高合金钢氧化物、氯化物 ②盐-氧化物：合金钢氧化物 ③氧化物型：低碳钢及低合金钢氧化物
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三、焊接工艺条件与冶金的关系
（一）熔合比的影响 1.熔合比的定义：焊缝金属中熔化 母材所占的比例，数值取决于焊 接工艺（方法、规范、坡口）、 母材、焊材
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2.熔合比对焊缝金属的影响
C0=θCd+(1-θ)Cd
C0——某元素在焊缝金属中的原始质量百分浓度 Cb——该元素在母材中的质量百分浓度 Cd——该元素在焊条中的质量百分浓度 θ——熔合比
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2.化学条件
①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓 度，反应速度小
②药皮重量系数Kb 大时，有部分熔渣直 接进入熔池，参与并强化熔池反应
③熔池反应物质处在连续更新过程，且 维持准稳定状态
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3.特点
①熔池反应速度小，程度小，对整个化 学冶金过程贡献小
②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但程 度和方向有可能改变
＜450 ℃ ＜300 ℃ ＜200 ℃
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③高价氧化物的分解
Fe2O3Fe3O4+O2 FeO+O2
MnO2 Mn2O3+O2 Mn3O4+O2
④材料的蒸发
沸点较低的Zn、Mn、Pb、Fe、F化物等
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二、气体的分解
1.简单气体
反应方程式
⊿H（kJ／mol）
N2N+N O2O+O H2H+H H2H+H++e （发生电离） 单原子气体三种电离方式：
焊缝成型
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一、对焊缝区的保护
1.光焊丝焊接时 [N]增加20~45倍，[O]增加7~35倍，[Mn]、[C]蒸 发、氧化损失易产生气孔，导致塑性韧性下降, 不实用
2.保护方法 药皮、焊剂、药芯、保护气体、自保护等
3.保护效率 与保护方法相关，一般惰性气体保护效果较好
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二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 手工电弧焊为例）
第二章 材料成型过程的化学冶金
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• 焊接化学冶金的概念
在熔焊过程中，焊接区内各种物 质之间在高温下相互作用的过程
• 研究目的
在于运用这些规律合理地选择焊 接材料，控制焊缝金属的成分和性能使 之符合使用要求，设计创造新的焊接材 料
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第一节 焊接化学冶金过程的特点
• 焊接化学冶金的任务
①对焊接区实施保护，免受空气侵害 ②熔化金属，冶金处理，获得所要求的
（一）药皮反应区
1.产生的气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化
a. ＜100°C b.>200~400°C
吸附水分蒸发 排除结晶水
c. >400°C
排除化合水
②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土
MgCO3):产生CO2 ④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿
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总之，熔滴反应区反应时间较短，但温度高， 相互接触面积大，反应最为激烈，对焊缝的 影响最大
2.主要冶金反应
①气体的分解和溶解 ②金属的氧化、还原 ③合金化 ④金属蒸发
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（三）熔池反应区
1.物理条件 ①与熔化的母材充分混合 ②熔池的平均温度较低 （1600~1900°C） ③比表面积小（3~130cm3/Kg） ④时间从几秒到几十秒 ⑤温度分布不均（在熔池头部的反应可 能与尾部不一样）
MnO2):产生O2
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2.产生的气体对铁合金（Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe） 的氧化作用
①在温度大于600°C的条件下：
2Mn+O2=2MnO Mn+CO2=MnO+CO Mn+H2O=MnO+H2 ②结果使气氛氧化性降低，达到先期脱氧 的作用
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（二）熔滴反应区
1.特点 ①熔滴温度高：1800~2400°C，过热度大 ②熔滴比表面积大，故接触面积大：一般 比炼钢时大1000倍 ③反应接触时间短：熔滴存在时间短，内 部又存在流动 ④熔滴金属与熔渣发生强烈混合：熔渣质点 尺寸可达50μm,相互接触面积大，反应物 与产物充分交流，反应速度加快