材料成形基本原理（第3版）（上）课件：液态金属与气相的相互作用.pptx

液态金属与气相的相互作用;焊接或铸造熔炼过程中，液态金属会与各种气体发生相互作用，从而对焊件或铸件的性能产生影响。深入了解气体的来源及其与金属的相互作用机制，对于控制金属中气体的含量，提高铸件或焊件的质量至关重要。;第一节气体的来源与产生

第二节气体在金属中的溶解

第三节氧化性气体对金属的氧化

第四节气体的控制措施;第一节气体的来源与产生;一、焊接区内的气体来源;结构钢焊条药皮的主要成分;1．有机物的分解和燃烧

2．碳酸盐和高价氧化物的分解

3．材料的蒸发

4、气体的分解;1．有机物的分解和燃烧;（545℃～910℃）

（325℃～650℃）;表9-2碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分;3．材料的蒸发;编号;温度T/K;;二、铸造过程中的气体来源;高温下合金元素与铸型水蒸气反应产生氢气：

（水汽反应，产生很高H分压）

造型材料中的碳及有机物燃烧，产生CO和CO2气体（同时降低氧分压）：

砂型组分分解：

树脂砂中的尿素、乌洛托品[(CH2)6N4]等在高温下，首先分解生成NH3，然后继续分解：

还有烷烃的分解：;气相平衡与铸型内气体的成分;第二节气体在金属中的溶解;一、气体的溶解过程;双原子气体溶入金属液的两种方式;二、气体的溶解度;1．温度和压力的影响;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，溶解度随温度的上升而降低。;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、氢在铁中的溶解度;SH/mL.(100g)-1;温度T/℃;3、合金成分对溶解度的影响;成分对钢铁中氮的溶解度的影响：;成分对合金液中氢的溶解度的影响：;（1）电流极性的影响：

直流正接（DCSP）：熔滴处于阴极（比表面积大），电弧气氛中N＋和H＋向阴极运动，[H]、[N]↑

直流反接（DCRP）：[H]、[N]↓

（２）焊接区气氛性质的影响：

氧化性气氛中，氮的质点除了为N+、N和N2，氮还可以NO-的形式溶入液态金属，[N]↑

适当提高气相的氧化性气氛，可降低[H]，因为：

O+H=OH

O2+H2=2OH

2CO2+H2=2CO+2OH

如CO2保护焊，尽管有一定水分，但[H]很低;工艺因素的影响;第三节气体对金属的氧化;一、金属氧化还原方向的判据;金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而增加。

除了Ni和Cu外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。FeO为纯凝聚相时，其分解压为：;Po2是液态铁中FeO的分解压；[FeO]是溶解在液态铁中的FeO浓度；[FeO]max是液态铁中FeO的饱和浓度。

由上式可以看出，由于FeO溶于液态铁中，使其分解压减小，致使Fe更容易氧化。;二、氧化性气体对金属的氧化;1、自由氧对金属的氧化;纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压{Po2};CO2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K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CO2，对铁也有很大的氧化性。因此，用CO2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。

用CO2作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素;3、H2O对金属的氧化;4、混合气体对金属的氧化;表7-2碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分;第四节气体的影响与控制;一、气体对金属质量的影响;二、气体的控制措施;1．限制气体的来源;2．控制工艺参数;3．冶金处理;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。如将氯气通入铝液后，可产生下列反应：

2Al+3Cl2→2AlCl3↑+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，又可通过扩散作用进入氯化铝气泡内，促使AlCl3气体逸出。

生产中，也可采用通入混合气体（如氮-氯或氯-氮-一氧化碳）的方法除气，以减少氯对熔炼设备的腐蚀作用。;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除氢法。具体措施为：

（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物

（2）控制焊接材