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1、稀土元素對焊縫組織及性能的影響,,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,目錄,一.簡單介紹稀土元素 二.（實驗）稀土氧化釔對焊縫微觀組織和性能的影響及作用機理 (a).稀土氧化釔對焊縫組織的影響 (b).稀土氧化釔對焊縫金屬中夾雜物形態(tài)的影響 (c).稀土氧化釔對焊縫金屬中擴散氫含量的影響 (d).稀土氧化釔的脫硫、磷的作用 (e).稀土氧化物的作用機制 三.（總結(jié)）稀土元素對焊縫組織及性能的影響 (a).稀土元素對焊縫金屬組織的影響 (b).稀土元素對抗磨蝕性的影響 (c).稀土元
2、素對焊接硬度的影響 (d).稀土元素對夾雜物的作用 (e).稀土元素對焊縫氣孔的影響 (f).稀土元素對抗熱裂性能的影響,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,,一.稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素鑭(La）、鈰(Ce）、鐠(Pr）、釹(Nd）、钷(Pm）、釤(Sm）、銪(Eu）、釓(Gd）、鋱(Tb）、鏑(Dy）、鈥(Ho）、鉺(Er）、銩(Tm）、鐿(Yb）、镥(Lu），以及與鑭系的15個元素密切相關(guān)的兩個元素鈧(Sc）和釔(Y）共17種元素，稱為稀土元素。稀土元素的化學(xué)性質(zhì)是非?；顫姷?,
3、幾乎能與所有的非金屬元素發(fā)生反應(yīng)。極易與氧、氫、氮、硫作用生成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物。因此在冶金工業(yè)中曾使用稀土元素脫氧、脫硫、起凈化和調(diào)質(zhì)作用均收到良好的效果。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,,在焊接冶金過程中稀土元素有著極其重要的作用 。在焊接生產(chǎn)中稀土元素往往通過加入藥皮中向焊縫組織過渡。 目前焊條藥皮中常用的含稀土物料為 :稀土硅合金 ,稀土硅鈣鐵合金 ,氧化鈰 ,氧化鑭和氟化稀土等。適量的稀土具脫氧、脫硫, 減少夾雜, 凈化焊縫組織, 細化晶粒的作用。因此焊縫中溶入稀土元素后, 其耐磨性、
4、抗氣蝕性、耐磨蝕性及焊縫沖擊韌性等明顯得到提高。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,二.稀土氧化釔對焊縫微觀組織和性能的影響及作用機理,稀土氧化物對焊縫組織的影響 不含氧化釔的試樣和添加不同含量氧化釔的試樣再熱晶區(qū)的組織見圖,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,從上面的微觀組織分析可知，藥皮中加入氧化釔后對焊縫組織起到了細化晶粒、增加針狀鐵素體和細晶鐵素體含量的作用。這是由于過渡到焊縫中的稀土元素易
5、于聚集到晶界處，阻礙了晶粒的成長而細化了晶粒；另外細小的高熔點稀土氧化物夾雜可以成為針狀鐵素體的非自發(fā)形核質(zhì)點，從而增加了焊縫中針狀鐵素體和細晶鐵素體的比例。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土氧化釔對焊縫金屬中夾雜物形態(tài)的影響,,圖2 是氧化釔對焊縫中硫化物夾雜形態(tài)和分布的影響結(jié)果,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,從圖2中可以看出，不含氧化釔的試樣硫化物夾雜呈現(xiàn)條帶狀分布，夾雜數(shù)量較多，粒度比
6、較大。含氧化釔1%試樣的硫化物夾雜形態(tài)得以改善，條帶狀已經(jīng)不明顯，球狀夾雜物顆粒增多，夾雜物總量有一定減少，并呈現(xiàn)彌散狀分布。,稀土氧化釔對焊縫金屬中擴散氫含量的影響,表1 熔敷金屬擴散氫含量試驗結(jié)果（ml/100g）,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,表1給出了熔敷金屬中擴散氫含量的試驗結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，加入不同含量的氧化釔對熔敷金屬中的擴散氫都有比較明顯的降低作用。,實際上焊縫中含稀土夾雜物和不含稀土的夾雜物與基體的界面都可成為氫的“捕獲阱”，但是含稀土的夾雜物對氫的束縛力大于不含稀土
7、夾雜物對氫的束縛力，因而降低了氫的活動能力和擴散速度，降低了擴散氫的危害。另外，過渡到熔池中的稀土能夠與氫生成化合物，從而降低了擴散氫含量。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土氧化釔的脫硫、磷的作用,表2氧化釔對焊縫化學(xué)成分影響試驗結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%）,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,從表中數(shù)據(jù)可以看出，氧化釔能夠較明顯地降低焊縫中的硫含量，凈化了焊縫。但是對于降低磷含量的效果不大。,稀土氧化物
8、的作用機制,對于稀土氧化物在焊接冶金中的行為，可以從以下幾方面進行分析探討。對于重稀土氧化物在高溫下存在下列反應(yīng)： RE2O32RE(g)+3O(g) （1） 式（1）表明：氧化釔在高溫時要分解為稀土原子和氧原子；在焊接條件下，焊接電弧的高溫（ 弧柱溫度可達500030000K ;）足以使上述反應(yīng)充分進行，并達到平衡，使電弧氣氛中含有稀土原子。這些活性稀土原子很容易吸附于金屬熔滴表面而過渡到熔池中。由于稀土元素是表面活性元素，可降低熔滴表面張力，使得熔滴在焊條端部停留時間變短，減少了對氫的吸附。 另外，稀土氧化物在鋼液中存在下列反應(yīng)： Y2O3
9、(s)2Y+3O （2） 式（2）和式（1）都表明，有部分稀土原子可以過渡到熔池中，這些稀土原子能夠與熔池中的氫、氧以及硫發(fā)生反應(yīng)，起到凈化焊縫金屬，去氫脫硫的作用。熔池的溫度與弧柱溫度比較低，進入到熔池中的 未分解的稀土氧化物不再分解，在一定條件下，發(fā)生如下反應(yīng)： RE2O3(s)+S+C=RE2O2S+CO(s) （3） 該反應(yīng)說明稀土氧化物具有使熔池脫硫的作用。上述各反應(yīng)生成的稀土氧化物、稀土硫化物及稀土硫氧化物一部分進入熔渣，一部分殘留在焊縫中成為夾雜物。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanica
10、l engineering,,三.稀土元素對焊縫金屬組織的影響 一方面加入稀土可凈化焊縫金屬組織。稀土具有強烈的脫氧、脫氫、脫硫作用, 適量的稀土可以與氫形成氫化物。因此, 減少焊縫金屬中擴散氫的含量。 稀土與硫化物進入渣中, 從而降低了焊縫中的含硫量。通過稀土凈化焊縫, 則作為焊逢斷裂過程中的夾雜物起裂源減少, 可顯著改善焊縫韌性。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,,另一方面稀土對焊縫金屬凝固組織的影響, 它影響奧氏體初晶數(shù)量, 形態(tài)及共晶粗細。 當(dāng)加入少量稀土?xí)r, 奧氏體初晶減少, 共晶增多
11、, 樹枝狀晶逐漸變?yōu)榈容S晶, 共晶片間距顯著加大。這是由于稀土元素的脫氧作用使作為非自發(fā)晶核的氧化物數(shù)目減少的結(jié)果。 當(dāng)稀土的加入量為最佳值時, 初晶增加, 樹枝狀晶絕大多數(shù)變?yōu)榈容S晶, 共晶減少, 共晶片間距減少, 稀土的變質(zhì)細化作用更明顯, 進一步改善了焊縫金屬組織。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,,稀土元素對抗磨蝕性的影響 當(dāng)加入適量稀土, 焊縫金屬抗氣蝕, 抗磨蝕性分別增加?？鼓ノg性的提高首先歸因于夾雜物數(shù)量和尺寸的減少, 等軸的奧氏體初晶增加, 共晶細化對抗磨蝕三指標(biāo)的提高也有一定作
12、用。過量的稀土反而使抗磨蝕性降低。夾雜物數(shù)量和尺寸增加, 夾雜物數(shù)量超過不加稀土?xí)r的數(shù)值。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,, 稀土元素對焊接硬度的影響 稀土適當(dāng)?shù)募尤肓渴购缚p金屬具有最低的硬度, 但抗磨蝕性能三指標(biāo)均最高, 這說明抗氣蝕,抗磨損和抗磨蝕性與硬度之間沒有對應(yīng)關(guān)系。 稀土元素對夾雜物的作用 稀土對焊縫金屬結(jié)構(gòu)和夾雜物有明顯的影響。稀土加入量有一個最佳值。此時夾雜物數(shù)量最小, 尺寸最小, 奧氏體初晶最多, 共晶片最細。其結(jié)果是抗氣蝕、抗磨損、抗磨蝕性能最佳。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院
13、Qinghai university institute of mechanical engineering,,稀土元素對焊縫氣孔的影響 加入少量混合稀土金屬可以使焊縫氣孔的敏感性明顯降低。但是，混合稀土金屬極易氧化, 且不易破碎成粉末, 所以不能直接用于生產(chǎn); 稀土鎳合金可以明顯降低焊縫氣孔的敏感性, 是較理想的稀土添加劑。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,,隨稀土含量的增加, 焊縫氣孔敏感性下降的原因, 主要是稀土與氧的親和力極強, 能形成穩(wěn)定的稀土氧化物 并進入渣相, 氧含量明顯下降, 這
14、不僅使焊縫產(chǎn)生CO 氣扎的傾向減小, 而且還可以降低氣相中NO 的分壓。 另外, 稀土有一定的脫氧和固氮作用, 能與氮形成穩(wěn)定的稀土氮化物 , 但稀土與氧、硫的親和力遠大于氮, 焊縫中稀土與氮的相互作用行為顯著受焊縫中氧、硫影響。隨稀土的增加, 熔敷金屬的含氮量變化不明顯, 因此焊縫氣孔敏感性的降低主要通過氧含量的降低而實現(xiàn)的。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,稀土元素對抗熱裂性能的影響,稀土的適量加入能有效提高焊縫的抗熱裂性能, 但加入量太大焊縫的抗裂性能惡化。 柱狀晶方向性及硅、硫等促進熱
15、裂的有害元素在晶間偏析程度減弱, 特別是熱裂紋面高熔點第二相粒子的存在, 是稀土加入適量時焊縫抗熱裂性能提高的主要原因。 晶間液態(tài)薄膜重新形成以及熱裂紋面上高熔點第二相粒子的消失是稀土過量時焊縫抗熱裂性能下降的重要原因。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,綜上所述, 稀土元素對焊縫金屬組織及性能有明顯的改善作用。稀土元素已被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中并具有深遠的開發(fā)前景。,目前稀土元素的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，已擴展到科學(xué)技術(shù)的各個方面，尤其現(xiàn)代一些新型功能性材料的研制和應(yīng)用，稀土元素已成為不可缺少的原料。,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,,,謝謝大家,青海大學(xué)機械工程學(xué)院 Qinghai university institute of mechanical engineering,
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