[毕业设计精品]稀土在焊接中的应用.doc
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1、毕业综合技能训练(论文)题目:稀土在焊接中的应用系别: 材料工程系 专业: 焊接自动化 姓名: XXX 班级: 学号: 指导教师: 二一一年十二月摘要通过在焊条药皮中加入稀土硅铁、稀土氧化物向焊缝金属过渡稀土元素的方法 ,深入研究了稀土对焊缝组织和性能的影响。研究结果表明 ,稀土对焊缝金属起着变质和净化的作用 ,能够显著改善焊缝金属组织、细化晶粒、增加针状铁素数量 ,减少M -A组元 ,改变夹杂物的形态、大小和分布 ,大大提高了焊缝金属的低温冲击韧性。以稀土氧化物作为添加剂,可以将稀土元素过渡到焊缝中去,过渡到焊缝金属中的稀土元素可以有效细化焊缝微观组织,降低熔敷金属中扩散氢的含量,降低硫的含
2、量以及提高焊缝金属的低温冲击性能。稀土氧化物的添加量有一个最佳值,少于或多于此最佳值,稀土氧化物的有效作用都变差。稀土元素作为一种活性剂可以在钢中微量固溶、净化晶界、变质夹杂物 、细化结晶组织,从而改善钢的机械性能。借鉴稀土元素在钢中的作用,人们将它应用于焊接材料中。研究结果表明:焊接材料中加入稀土元素可以缩小焊缝金属的柱状晶区、扩大等轴晶区、缩小树枝晶的一次与二次分枝间距离、减小树枝晶的长度和厚度、细化奥氏体晶粒。在低合金焊缝金属中,稀土对焊缝金属起着净化和变质的作用 ;在高碳焊缝金属中,稀土强烈影响碳化物的数量、形态和分布 ;在双相不锈钢焊条药皮中加入适量氟化稀土能提高低温韧性。关键词:
3、稀土,焊接材料,焊缝组织 前言中国对稀土的运用始于20世纪60年代中期在铸铁中的应用,不久,在钢中也得到应用。迄今为止的半个世纪里,稀土的应用范围越来越广,扩展到有色冶金、石油化工、玻璃陶瓷、磁性材料和各种功能材料、轻工纺织、农林医药等各个行业。我国在钢铁焊接工艺中应用稀土始于60 年代,近年来有较大的进展, 已在钢铁的焊接材料中成功地应用了稀土, 改善了焊接工艺性能和提高了焊缝金属机械性能; 在堆焊、喷涂和喷焊材料中加入稀土能显著提高其表面的抗开裂性、耐蚀性、耐磨和耐高温性能; 稀土在铜、铝等有色金属的钎焊中也进行了探索, 在钎料中加入稀土, 能明显改善钎料的润湿性, 较大幅度提高钎料与基体
4、的结合强度, 改善焊接工艺性。焊缝的性能可以通过向焊缝中过渡不同的合金元素得到不同程度的提高, 从而更好地满足技术条件规定的使用要求, 这样焊接结构不仅可以使用可靠, 而且还可以延长寿命, 所以, 通过焊缝合金化的深入研究, 不断研制出各种新型焊接材料, 对焊接技术的发展以及推广必将起到积极而深远的作用。目录摘要1前言2第一部分 稀土的概述一、什么是稀土5二、稀土的分类5三、稀土的主要物理化学性质5四、稀土的应用范围6五、稀土在焊接材料中的应用进展7第二部分 稀土在焊接中的应用一、稀土元素对焊缝组织及性能的影响91.1、稀土对焊缝金属组织的影响91.2、稀土对抗磨蚀性的影响91.3、稀土对焊接
5、硬度的影响91.4、稀土对夹杂物的作用91.5、稀土对焊缝气孔的影响101.6、钼( Mo) 对焊缝性能的影响101.7、铌( Nb) 对焊缝性能的影响10二、稀土在钢铁焊接材料中的应用112.1、稀土加在焊条药皮中的影响112.2、稀土加在焊丝药芯中122.3、小结14三、稀土氧化物对焊缝微观组织和性能的影响及作用机理14 3.1、稀土氧化物对焊缝组织的影响143.2、稀土氧化物对焊缝金属中夹杂物形态的影响153.3、稀土氧化物对焊缝金属中扩散氢含量的影响163.4、稀土氧化物对焊缝金属低温冲击性能的影响173.5、稀土氧化物的脱硫、磷的作用183.6、稀土氧化物的作用机制18四、稀土对低合
6、金耐磨钢焊条熔敷金属组织和力学性能的影响194.1、熔敷金属化学成分分析194.2、磨损试验结果及分析204.3、熔敷金属冲击断口分析214.4、硬度和冲击韧性224.5、小结23五、稀土元素对铬镍奥氏体焊缝金属抗热裂性能的影响235.1、氟化稀土对铬镍奥氏体焊缝抗热裂性能的影响235.2、氟化稀土的作用机理245.3、小结28第三部分 总结29参考文献30致谢31第一部分 稀土的概述一、什么是稀土?稀土是稀土元素(或称稀土金属)的简称,是17种元索组成的一个金属大家族,第三副族中的镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕 、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等等15个镧系元素(拥有独特的4f电子轨道)以及性质
7、与它们相近的钪和钇。 稀土是由18世纪末被发现时而得名,当时认为它们很稀贵,其氧化 物又有难溶于水的“土性”,故称为稀土。现在看来,稀土在地壳中的重量百分含量(克拉克值)比铜、铅、锌、银等常见金属元索还要高,性质也不像土,而是一组性质十分活泼的金属,但“稀土”这个奇特的名称却被沿用至今。二、稀土的分类根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质,以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征,十七种稀土元素通常分为二组。轻稀土(又称铈组)包括:镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。重稀土(又称钇组)包括:铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。称铈组或钇组,是因为矿物经分离得到的稀土混合物中,
8、常以铈或钇占优势而得名。三、稀土的主要物理化学性质稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素,而比其他金属元素活泼。在17个稀土元素当中,按金属的活泼次序排列,由钪,钇、镧递增,由镧到镥递减,即镧元素最活泼。稀土元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氢、碳、磷发生反应,易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物,因此在钢水中加入稀土,可以起到净化钢的效果。由于稀土元素的金属原子半径比铁的原子半径大,很容易填补在其晶粒及缺陷中,并生成能阻碍晶粒继续生长的膜,从而使晶粒细化而提高钢的性能。稀土元素具有未充满的4f电子层
9、结构,并由此而产生多种多样的电子能级。因此,稀土可以作为优良的荧光,激光和电光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成结合物,使稀土广泛用于印染行业。而某些稀土元素具有中子俘获截面积大的特性,如钐、铕、钆、镝和铒,可用作原子能反应堆的控制材料和减速剂。而铈、钇的中子俘获截面积小,则可作为反应堆燃料的稀释剂。稀土具有类似微量元素的性质,可以促进农作物的种子萌发,促进根系生长,促进植物的光合作用。表1 稀土金属的某些物理特性原子序数元素原子量离子半径(埃)密度(克/厘3)熔度()沸点()氧化物熔点()比电阻欧姆 厘米106R3+离子磁矩(波尔磁子)热中子俘获截面(靶)
10、57La138.921.226.1992054230231556.8 0.008.958Ce140.131.186.76880452930195075.32.560.759Pr140.921.166.76993553020250068.03.6211.260Nd144.271.157.007102453180227064.33.684661Pm147.001.142.8362 SM150.351.137.504105251630235088.01.551.65550063Eu152.001.135.166826101490205081.33.403.50460064Gd157.261.117.
11、86813502027302350140.57.944600065Tb158.931.098.2531336253023879.74466Dy162.511.078.5651485202330234056.010.6110067Ho164.941.058.79914902330待添加的隐藏文字内容3236087.010.66468Er167.271.049.0581500155026302355107.09.616669Tm168.941.049.318150016002130240079.07.611870Yb173.041.006.95982451530234627.04.53671Lu1
12、74.990.999.849165017501930240079.00.0010821Sc44.970.832.9951550160027501339Y88.921.064.4721552303026801.27四、稀土的应用范围稀土金属已广泛应用于电子、石油化工、冶金、焊接、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。五、稀土在焊接材料中的应用进展国内外在70年代后期, 开始重视重稀土元素在低合金钢及其焊接材料中的应用
13、研究表明, 重稀土忆除能提高熔敷金属的抗热裂纹和耐腐蚀稳定性以外, 还可提高焊缝金属的机械性能但是, 由于对这一领域的研究只有近十年历史, 加之测定微量固溶忆、化合忆等试验技术的困难, 故在忆的韧化机制及其作用规律等方面的研究进展不大从80年代, 开始探索重稀土对于低合金焊缝金属性能的影响, 并先后研制了几种添加重稀土的超低氢高韧性焊条, 发现重稀土忆对焊缝金属有明显的韧性化效果王世亮采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和射线能谱研究了重稀土元素对低合金钢焊缝金属韧性的影响结果发现, 采用适当的焊条药皮配方和焊接工艺可使微量重稀土元素过渡到焊缝金属中,减少了夹杂物的面密度和面积百分数, 显著提高
14、了焊缝金属的低温韧性夹杂物的减少和低温韧性的提高有很好的对应关系, 因此可以认为, 重稀土元素对焊缝金属的净化和变质作用是提高焊缝低温韧性的主要原因但是, 通过焊条药皮和母材向焊缝过渡忆的方式, 由于烧损严重或耗量过大、使进入到焊缝中的忆量难以保证张文钻, 研究了以药芯焊丝为载体、通过熔池向焊缝直接过渡微量忆、探讨了它对钦钙型焊条和碱性焊条焊缝韧性的影响规律, 揭示了忆在焊缝中的韧化机理由于重稀土忆粉极易氧化, 且加工难、价格贵, 而轻稀土及其合金易获取和价廉, 因此, 张小诚, 采用射线能谱仪、扫描电镜、电子探针以及微粒分析仪等实验手段和热力学分析方法, 研究了轻稀土合金对焊缝金属夹杂物的冶
15、金作用结果表明, 轻稀土合金过渡到焊缝后, 起着净化和变质作用, 而且, 它的脱氧作用比脱硫作用要强另外, 轻稀土合金还可以降低焊缝金属中的扩散氢含量孙威研究了氟化稀土元素对一型双相不锈钢焊条熔敷金属韧性的影响, 探讨了作用机理结果表明, 氟化稀土元素对熔敷金属的低温韧性有明显的影响, 并且存在一个最佳稀土元素加人量在最佳稀土加人量时, 低温韧性好稀土元素对双相组织形态和铁素体含量无明显影响稀土元素对熔敷金属的净化作用和夹杂物形态、数量的控制作用是低温韧性改善的主要原因稀土元素由于其特有的优异性能而受到人们的重视, 因此, 在堆焊冷、热模具、热剪刃等中高碳钢中的应用也日益广泛龚守臣探讨了用添加
16、稀土忆、硼等元素的堆焊焊条堆焊冷冲模具对焊缝抗开裂性能的影响, 试验表明, 焊缝组织为下贝氏体与板条马氏体双相组织, 稀土忆能有效提高焊条的抗开裂性能宇永福在堆焊焊条中添加稀土钵并控制堆焊金属中碳和碳化物形成元素的比例, 可在含碳量不高的条件下获得足够的淬硬性、耐磨性控制堆焊金属中残余奥氏体量和分布又可获得高韧性, 能有效地抑制堆焊裂纹的产生褚毅队对含有微量稀土的堆焊焊条进行了研究, 当其堆焊层组织为细小的针状马氏体、残余奥氏体和碳化物时, 则能有效地提高焊条的抗开裂性能稀土元素由于其化学性质活泼, 在焊接时极易烧损于是,人们试图用添加稀土氧化物代替添加纯稀土元素林文光研究了堆焊焊条中分别添加
17、氟化稀土、氧化斓和硅铁稀土对堆焊金属的耐磨性的影响, 试验结果表明, 随着稀土加入量的增加, 氟化稀土、氧化斓和硅铁稀土都能提高堆焊金属的耐磨性, 其中氧化斓效果最明显而当加入量高于后、稀土硅铁反而降低了堆焊金属的耐磨性徐润生对稀土氧化饰、氧化忆、氧化斓对巴氏合金与钢钎焊焊接性能进行了研究, 研究结果表明、稀土氧化钵、氧化忆在钎焊中具有良好的焊接性能文献,“ 在研究稀土氧化物对堆焊金属组织、夹杂物及塑、韧性影响的同时, 研制了高抗开裂的堆焊焊条, 成功地用于连铸热剪刃以及热模具等的免预热、免热处理堆焊修复稀土金属以及稀土氧化物在表面涂层中的应用也越来越多。第二部分 稀土在焊接中的应用一、稀土元
18、素对焊缝组织及性能的影响稀土元素化学性质是非常活泼的, 几乎能与所有的非金属元素发生反应。极易与氧、氢、氮硫作用生成相应的稳定化合物。在冶金工业中曾使用稀土元素脱氧、脱硫、起净化和调质作用均收到良好的效果。在焊接生产中稀土元素往往通过加入药皮中向焊缝组织过渡。目前焊条药皮中常用的含稀土物料为: 稀土硅合金, 稀土硅钙铁合金, 氧化铈, 氧化镧和氟化稀土等。使用中彼此效果不尽相同, 有时同一物料不同含量的效果也不相同, 适量的稀土具脱氧、脱硫, 减少夹杂, 净化焊缝组织, 细化晶粒的作用。因此焊缝中溶入稀土元素后, 其耐磨性、抗气性、耐磨蚀性及焊缝冲击韧性等明显得到提高。1.1、稀土对焊缝金属组
19、织的影响一方面加入稀土可净化焊缝金属组织。稀土具有强烈的脱氧、脱氢、脱硫作用, 适量的稀土可以与氢形成氢化物。因此, 减少焊缝金属中扩散氢的含量。稀土与硫化物进入渣中, 从而降低了焊缝中的含硫量。通过稀土净化焊缝, 则作为焊逢断裂过程中的夹杂物起裂源减少, 可显著改善焊缝韧性。另一方面稀土对焊缝金属凝固组织的影响, 它影响奥氏体初晶数量, 形态及共晶粗细。当加入少量稀土时, 奥氏体初晶减少, 共晶增多, 树枝状晶逐渐变为等轴晶, 共晶片间距显著加大。这是由于稀土元素的脱氧作用使作为非自发晶核的氧化物数目减少的结果。当稀土的加入量为最佳值时, 初晶增加, 树枝状晶绝大多数变为等轴晶, 共晶减少,
20、 共晶片间距减少, 稀土的变质细化作用更明显, 进一步改善了焊缝金属组织。1.2稀土对抗磨蚀性的影响当加入适量稀土, 焊缝金属抗气蚀, 抗磨蚀性分别增加。抗磨蚀性的提高首先归因于夹杂物数量和尺寸的减少, 等轴的奥氏体初晶增加, 共晶细化对抗磨蚀三指标的提高也有一定作用。过量的稀土反而使抗磨蚀性降低。夹杂物数量和尺寸增加, 夹杂物数量超过不加稀土时的数值。1.3、稀土对焊接硬度的影响稀土适当的加入量使焊缝金属具有最低的硬度, 但抗磨蚀性能三指标均最高, 这说明抗气蚀,抗磨损和抗磨蚀性与硬度之间没有对应关系。1.4、稀土对夹杂物的作用稀土对焊缝金属结构和夹杂物有明显的影响。稀土加入量有一个最佳值。
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