气体对金属的作用

第4章材料成型过程中的化学冶金

4.2气体对金属的作用

一.气体的来源及存在（依成形方法不同而不同）

1.焊接过程中的气体来源

（1）来源于焊接材料：一般焊条药皮·粘结焊剂和焊丝药芯都含有造气剂，这些造气剂加热时发生分解或燃烧，析出大量气体；

（2）焊接区周围的气体：如空气·保护气体中的水分·保护气体；

（3）材料表面吸附蹬气体：焊丝和母材表面上的油·锈等杂志，焊条表面吸附水等；

（4）金属和熔渣的蒸发产生的金属气体，主要包括的冶金反应为：

①有机物的分解和燃烧：主要形成CO2及H2。

②除水反应生成的气体

③碳酸盐的分解：主要产生CO2起到保护作用

2.铸造过程中的气体来源

主要来源于炉料中的水分·有机物·氢氧化物·氮等；炉气及出炉时周围气氛中的水分·氧·氮等；炉衬及熔炼用具表面吸附的水分；熔炼时使用的氧化剂等。主要成分为CO·CO2·H2·H2O（气），O2，N2，金属及熔渣蒸汽，这些气体中，对质量影响较大的主要是氮气，氢气和氧气。

二、气体在液态金属中的溶解

气体对金属的作用是通过富集在液态金属周围，向液态金属表面运动，吸附在表面后分解成原子、离子、氧化物等形式，溶解在液态金属中，并通过扩散进入液态金属内部

1、氮在金属中的溶解（氮主要来源于焊接区周围的空气）

金属与氮作用有两种情况：

①既不能溶解氮又不能形成氮化物的金属（Cu、Ni等），氮作为保护气存

在。

②与氮发生作用的金属（Fe、Ti、Mn、Si、Cr等），能溶解氮又能形成氮

化物，此时要防止焊缝金属的氮化。

1）在焊接高温情况下，氮的溶解方式分为以下几种（以氮原子形式融入液态金属为主）：

氮分子在高温下发生分解：N2=2N-711.4kJ/mol

氮的溶解度大小遵循平方根定律

式中K N2为氮溶解反应的平衡常

数，取决于温度和金属种类；p N2为气相中分子氮的分压。

2）在焊接条件下，金属（Fe）发生强烈的蒸发，当p N2+pFe=101kPa时

由上式做出下图

（温度升高，氮的溶解度增加；当温度超过铁的熔点时，氮的溶解度急剧增大。）

3）当气相中存在氮和氧气时，会发生如下反应：O+N2→NO+O O2+N→NO+O 生成的NO会溶入金属。

4)、当电离度高时氮原子在阴极压降区由于受到高速电离碰撞，可发生电离，氮原子在电场作用下奔向阴极并溶入金属中。

2、氢的溶解（氢主要来源于焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中的水分，以及焊件表面杂质、空气中水分）

1）、依据氢与金属的作用，可把金属分为两大类

①能形成稳定氢化物的金属（如Zr，Ti，V，Ta，Nb等），这类金属温度升高时氢的溶解度下降，因此这类金属焊接时要防止固态吸收大量氢。

②不形成稳定氢化物的金属（如Al，Fe，Ni，Ce，Cr，Mo等），氢在这类金属中溶解是吸热反应温度升高时，氢的溶解度增大，在焊接时防止高温下溶氢。

2）、氢以气相向金属过渡时，其溶解度取决于气相中氢与水蒸汽的分压，

溶解度符合平方根定律：

对于液态纯铁，氢的溶解度与温度的关系为

由图4-11看出氢的溶解度与温度成正比。

3）、对于电渣焊和电渣熔炼时，氢是通过熔渣与液态金属界面进入液态金属中的焊条电弧焊和埋弧焊时，氢会通过气相与熔渣及液态金属界面进入。氢和水蒸气能溶解于熔渣，且大部分以OH﹣离子状态存在。

在含自由氧离子的渣中存在着如下反应：

在不含自由氧离子的渣中

4）、氢在铁液中的溶解度，还受合金元素的影响（如Ti、Zr、Nb、的加入会使氢的溶解度增加；Mn、Ni、Cr、Mo的影响不大；C、Si、Al会使氢的溶解度下降。）

5）、扩散氢：氢在焊缝中以H、H+形式存在，由于其原子和离子半径很小，可以在金属晶格中自有扩散，这种氢称为扩散氢。

剩余氢：有一部分扩散氢聚集到金属晶格缺陷、显微裂纹、夹杂物的边缘的空隙中，由原子氢结合成分子氢，不能自由扩散，称之为剩余氢。

焊后，随着时间的增长，焊缝中的扩散氢含量下降剩余氢有所增加，总的氢量是下降的，如图4-14

2、氧在金属中的溶解

分为两类：

1）固态和液态都不溶解氧的金属（如Mg和Al焊接时发生激烈氧化，形成高熔点的氧化物颗粒，浮在熔池上以造成夹杂和未熔透等缺

陷）。

2）有限溶解氧的金属，（如Fe、Ni、Ce、Ti等，高温下与氧发生反应，生成的氧化物溶解于相应的金属中）。

氧在钢中的溶解

氧在焊接电弧下分解O2=2O-569.6kJ/mol（氧在电弧中主要以原子存在）

溶解符合平方根定律

其最大溶解度与温度的关系为

氧还会以FeO和其他氧化物形成存在于液态金属中造成夹杂。

金属氧化与否用氧化物的分解压判断。若金属氧化物的分解压为p O2，系统中的氧的分解压为{ p O2}，则：

在焊接过程中，自由氧，CO2、水蒸气以及他们的混合气体都会氧化金属

推断：焊缝中各种气体的含量与焊接方法和被焊材料有关。

三、气体对焊接质量的影响

1、氮对质量的影响

①时效脆化：钢中溶解的过饱和氮随时间的延长，以针状氮化物Fe4N的形式析出，分布于晶界或晶内，使钢的塑性和韧性尤其是低温韧性急剧下降，导致钢变脆。

②气孔：液态金属高温时溶解大量的氮，凝固时溶解度突然下降当氮的析出速度小于金属结晶速度时产生气孔。

2、氢对质量的影响

①氢脆：在室温附近，氢溶解在金属晶格中引起钢的塑性严重下降的现象。

②白点：钢中含氢量较高在快冷时来不及析出易聚集在钢内显微缺陷处形成氢分子产生局部高压与组织中的应力或热应力作用下产生微裂纹。

③气孔：液态金属在高温下吸收溶解了大量的氢，冷却时氢的溶解度突然下降，金属结晶速度大于氢的外溢速度就会产生气孔。

④冷裂纹：金属焊后或低温情况下产生的裂纹。

3、氧对金属质量的影响