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焊接知识:合金元素对材料焊接的影响
添加时间:2014-12-13 浏览次数: 2709

  合金元素对材料焊接的影响

  碳(C):钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

  硅(Si):硅是焊丝中最常用的脱氧元素,它可以防止铁与氧化合,并可在熔池中还原FeO。但是单独用硅脱氧,生成的SiO2熔点高(约1710℃),且生成物的颗粒小,难以从熔池中浮出,易造成焊缝金属夹渣。

  锰(Mn):锰的作用与硅相似,但脱氧能力比硅稍差一些。单独用锰脱氧,生成的MnO密度较大(15.11g/cm3),也不易从溶池中浮出。在焊丝中含锰,除了脱氧作用外,还能和硫化合生成了硫化锰(MnS),并被除去(脱硫),故可降低由硫引起的热裂纹的倾向。

  由于单独用硅和锰脱氧,都难以除去脱氧的生成物。故目前多采用硅锰联合脱氧,使生成的SiO2和MnO复合成硅酸盐(MnO•SiO2)。MnO•SiO2的熔点低(约1270℃)且密度小(约3.6g / cm3),在熔池中能凝聚成大块熔渣而浮出,达到良好的脱氧效果。

  锰也是钢材中的重要合金元素,也是重要的淬透性元素,它对焊缝金属的韧性有很大影响。当Mn含量<0.05%时焊缝金属的韧性很高;当Mn含量>3%后又很脆;当Mn含量 = 0.6~1.8%时,焊缝金属有较高的强度和韧性。

  硫(S):硫在钢中常以硫化铁的形式存在,并呈网状分布在晶粒边界,因而显著地降低钢的韧性。铁加硫化铁的共晶温度较低(985℃),因此,在进行热加工时,由于加工开始温度一般为1150~1200℃,而铁和硫化铁共晶已经熔化,从而导致加工时开裂,这种现象就是所谓“硫的热脆性”。硫的这种性质使钢在焊接时产生热裂纹。因此,一般在钢中对硫的含量都严格加以控制。普通碳素钢、优质碳素钢以及高级优质钢的主要区别就在于硫、磷含量的多少。

  前面提到,锰有脱硫作用,这是因为锰可与硫形成高熔点(1600℃)的硫化锰(MnS),它呈粒状分布于晶粒内。在热加工时,硫化锰有足够的塑性,因而消除了硫的有害作用。因此钢中保持一定的含锰量是有益的。

  磷(P):磷在钢中能全部溶于铁素体内。它对钢的强化作用仅次于碳,使钢的强度和硬度增加,磷能提高钢的抗腐蚀性能,而塑性和韧性则显著降低。特别在低温时影响更为严重,这称为磷的冷跪倾向。故它对焊接不利,增加钢的裂缝敏感性。作为杂质,磷在钢中的含量也要加以限制。

  铬(Cr):铬能提高钢的强度和硬度而塑性和韧性降低不大。铬具有很强的耐蚀、耐酸的能力,所以奥氏体不锈钢中一般都含有较多的铬(13%以上)。铬还具有很强的抗氧化能力和耐热性。因此,铬在耐热钢中应用也很广,如12CrMo、15CrMo 5CrMo 等钢中都含有一定量的铬。

  铬是奥氏体钢的重要组成元素和铁素体化的元素,它在合金钢中能提高在高温时的抗氧化能力和机械性能。在奥氏体不锈钢中,当铬镍的总量为40%,Cr/Ni = 1时,有热裂缝倾向;当Cr/Ni = 2.7时,就没有热裂缝倾向。所以一般18-8型钢中Cr/Ni = 2.2~2.3左右时,铬在合金钢中就容易产生碳化物,使合金钢导热变差,容易产生氧化铬,使焊接造成困难。

  铝(AI):铝是强烈的脱氧元素之一,故用铝作脱氧剂,不仅可少产生FeO,且易于使FeO还原,有效地抑制在熔池中产生的CO气体的化学反应,提高抗CO气孔的能力。另外,铝还能和氮化合而起固氮作用,故也能减少氮气孔。但是用铝脱氧,生成的AI2O3熔点很高(约2050℃),以固态存在熔池中,容易引起焊缝夹渣。同时,含铝的焊丝容易引起飞溅,铝的含量过高还会降低焊缝金属抗热裂能力, 因而焊丝中含铝量必须严格控制,不宜过多。若在焊丝中含铝量控制适当,则在焊缝金属的硬度、屈服点、抗拉强度均稍有提高。

  钛(Ti):钛也是一种强烈的脱氧元素,且也能和氮化合成TiN而起固氮作用,提高焊缝金属抗氮气孔的能力。若Ti和B(硼)在焊缝组织中含量适当,可以使焊缝组织得到细化。

  钼(Mo):钼在合金钢中能提高钢的强度、硬度,细化晶粒,防止回火脆性和过热倾向,提高高温强度、蠕变强度及持久强度、含钼小于0.6%时,可以提高塑性,减少产生裂纹的倾向,提高冲击韧性。钼有促进石墨化的倾向。故一般含钼的耐热钢如16Mo、12CrMo、15CrMo等含钼量约在0.5%左右。钼在合金钢中的含量在0.6 ~1.0%时,钼会使合金钢的塑性和韧性下降,增加合金钢的淬火倾向。

  钒(V):钒可提高钢的强度,细化晶粒,降低晶粒长大倾向,提高淬硬性。钒是较强烈的碳化物形成元素,所形成的碳化物在650℃以下都是稳定的。有时效硬化作用。钒的碳化物具有高温稳定性,因而能提高钢的高温硬度。钒能够改变碳化物在钢中的分布状况,但是钒容易生成难熔的氧化物,增加了气焊和气割的困难。一般焊缝中含钒量在0.11%左右时,可以起到固氮作用,变不利为有利。

  铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止 晶间腐蚀现象。适量的V和Nb可以提高焊缝的冲击韧性。V=0.05%~0.1%,Nb=0.03%~0.04%可使焊缝金属具有良好的韧性。但采用V、Nb来韧化焊缝,当焊后不在进行正火处理时,V和Nb的氮化物以微细共格沉淀相存在,焊缝的强度大幅度提高,致使焊缝的韧性下降。

  镍(Ni):在钢中加入镍,可以提高钢的强度和冲击韧度,Ni与Cr配合加入效果更佳。一般增加低合金钢中的Ni含量会提高钢的屈服强度,但钢中Ni含量较高时热裂纹(主要是液化裂纹)倾向明显增加。

  钨(W):钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工 具及锻模具用。

  钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和 磁性材料。

  铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5% 塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。

  硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。

  氮(N):氮能提高钢的强度,低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。

  稀土(XT):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。

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