有害杂质的控制

二、有害杂质的控制

杂质对焊缝金属的性能和金属焊接性能有十分重要的影响，影响较大的有害元素主要有S、P、N、H、O等。

①硫（S）。是由生铁及燃料带入钢中的杂质。S在钢中几乎不能溶解，能与铁形成化合物，在钢中以FeS形式存在，FeS与Fe形成熔点较低的共晶体（熔点为985℃）。当钢在1200℃左右进行热加工时，分布于晶界的低熔点的共晶体将因熔化而导致开裂，这种现象称为热脆性。

为了消除S的有害作用，必须增加钢中的Mn含量。Mn与S可优先形成高熔点的MnS（熔点为1620℃），而且MnS呈粒状分布于晶粒内，比钢材的热加工温度高，从而避免了热脆性的发生。另外，S还有改善钢材切削加工性能的有利作用。在易切削钢中，特意提高钢中的S含量至0.15％～0.3％，同时加入0.6％～1.55％Mn，从而在钢中形成大量的MnS夹杂。轧钢时，MnS沿轧钢方向伸长，在切割时MnS夹杂起断屑作用，大大提高了钢的切削性能。

②磷（P）。是由生铁中带入钢中的。P比其他元素具有更强的固溶强化能力，室温时，P在α－Fe中的溶解度大约小于0.1％。在一般情况下，钢中的P能全部溶于铁素体中，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性则显著降低，尤其是在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。

P在结晶过程中有严重的偏析倾向，从而在局部发生冷脆，并使钢材在热轧后出现带状组织。而且P在γ－Fe及α－Fe中的扩散速度很小，很难用热处理方法消除P的偏析。P也具有断屑性，在易切削钢中，把P含量提高到0.08％～0.15％，使铁素体适当脆化，可以提高钢的切削加工性。

③氮（N）。是由炉气进入钢中的。N在奥氏体中的溶解度较大，而在铁素体中的溶解度很小，且随着温度的下降而减小。在590℃时溶解度为0.1％，室温时则降至0.001％以下。当钢材由高温较快冷却时，过剩的N由于来不及析出，便过饱和地溶解在铁素体中。随后在200～250℃加热（或者钢材在室温下静置，随着时间的延长），将会发生氮化物Fe₄N的析出，使钢的强度、硬度上升，而塑性、韧性大大降低，这种现象称为蓝脆（时效脆性）。

在钢液中加入Al、Ti进行脱N处理，使N固定在AlN及TiN中，可以消除钢的时效倾向。钢中含N，还易于形成气泡和疏松。

④氢（H）。炼钢炉料和浇注系统带有水分或由于空气潮湿，都会使钢中的H含量增加。H是钢中的有害元素，钢中含H将使钢材变脆，称为氢脆。H还会使钢中出现白点等缺陷，这种现象在合金钢中尤为严重。

焊接时，H主要来源于焊接材料中的水分、电弧周围空气中的水蒸气、母材坡口表面的铁锈和油污等。

⑤氧（O）。在钢中部分融入铁素体，另一部分以金属氧化物夹杂形式存在于钢中。O以金属氧化物形式存在于非金属夹杂物中时，对钢的性能有不良的影响。O含量增加，会使钢的强度、塑性降低。氧化物夹杂对钢的力学性能（尤其是疲劳强度）有严重的影响，钢中的FeO与其他夹杂物形成低熔点的复合化合物聚集在晶界上时，会造成钢的热脆性。

焊缝金属和钢中所含的O几乎全部以氧化物（FeO、SiO₂、MnO、Al₂O₃等）和硅酸盐夹杂物的形式存在。焊缝含O量一般是指总含O量，它既包括溶解的O，也包括非金属夹杂物中的O。焊接低碳钢及低合金钢时，尽管母材和焊丝的含O量很低，但是，由于金属与气相和熔渣作用的结果，焊缝金属的含O量总是增加的。

N、H、O元素对焊缝金属的主要影响是导致脆化、产生气孔和裂纹，降低了焊缝金属的塑性和韧性。常用焊材熔敷金属中N、H、O的含量列于表1－2中。

对于有害杂质（O、N、H、S、P）的控制，主要从工艺措施（限制来源）和冶金措施（转化为不溶状态或转移至熔渣中）两方面入手。对于N和H的控制，需消除焊接材料附着的油、锈、氧化膜及水分，烘干焊接材料（焊条、焊剂）并应加强保护，防止空气侵入焊接区域。对于O的控制，可在药皮、药芯或焊剂中添加脱O铁合金，限制气氛的氧化性（即减少CO₂或O₂），还应尽可能创造条件，实现Mn－Si联合脱O。

S、P杂质是在焊缝中极易造成偏析的元素，可形成低熔点共晶，促使焊缝中形成热裂纹或脆化。焊缝金属中S、P含量的控制，主要从限制焊接材料中的S、P杂质含量入手，一般应分别控制在0.03％以下。

表1－2　常用焊材熔敷金属中N、H、O的含量

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