焊缝金属脱硫和脱磷的方法

1.硫的危害及控制措施

硫是焊缝金属中的有害元素。通常硫以MnS、FeS两种形式存在于钢中，其中MnS对金属的性能影响不大，因为MnS不溶于液态铁而浮到熔渣中。即使有少量的MnS以夹杂物的形式存在于焊缝中，也是以弥散质点形式分布的。当硫以FeS的形式存在时，危害性最大，因为FeS与Fe在液态可以无限互溶，在室温时FeS在固态铁中的溶解度仅为0.015％～0.02％。在熔池凝固时FeS容易发生偏析，以低熔点共晶Fe＋FeS（熔点为985℃）或FeS＋FeO（熔点为940℃）的形式呈片状或链状分布于晶界。因此使焊缝金属增加了结晶裂纹的倾向，同时还会降低焊缝的韧性和耐蚀性。

在焊接合金钢（尤其是高镍合金钢）时，硫更为有害。因为此时形成的NiS又与Ni形成熔点为644℃的低熔点共晶NiS＋Ni，使焊缝产生结晶裂纹的倾向更大。在合金钢焊缝中，增加含碳量会促使硫发生偏析而加剧它的危害性，因此应尽量减少焊缝中的含硫量。一般在低碳钢焊缝中，硫的质量分数应小于0.035％，合金钢焊缝中硫的质量分数应小于0.025％。

控制焊缝中硫的措施有以下方法。

（1）限制焊条、焊剂原材料中的含硫量 焊缝金属中硫的主要来源为母材、焊丝、焊剂或焊条药皮三个方面。但是母材及焊丝中的含硫量一般是比较少的，所以严格控制焊条药皮、焊剂的含硫量是非常重要的。

制造焊条、焊剂时，应严格按照有关标准选择药皮、焊丝的原材料。低碳钢、低合金钢焊丝的硫的质量分数应小于0.03％；合金钢焊丝的硫的质量分数应小于0.025％；不锈钢焊丝的硫的质量分数应小于0.02％。药皮、焊剂、焊丝的原材料都含有硫，均应严格控制其含量。当某些原材料含硫量过高时，应预先进行焙烧处理，使之达到技术要求。

（2）用冶金方法脱硫选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫反应，例如：

反应的产物MnS实际上不溶于熔池，大部分进入熔渣。由式（3-19）可以看出，降低温度使平衡常数K增大，有利于脱硫。然而，熔池后部温度低、冷却快、反应时间短，不利于脱硫反应，所以必须增加熔池中的含锰量（w_Mn＞1％），才可获得较好的脱硫效果。

在熔渣中，碱性氧化物MnO、CaO、MgO进行脱硫的反应如下：

［FeS］＋（MnO）==（MnS）＋（FeO）

［FeS］＋（CaO）==（CaS）＋（FeO）

［FeS］＋（MgO）==（MgS）＋（FeO）上述反应的产物MnS、CaS、MgS不溶于熔池而进入熔渣。显然，增加渣中MnO、CaO的含量，减少渣中FeO的含量有利于脱硫。

常用的焊条药皮和焊剂的碱度都不高，通常B＜2，脱硫的能力有限；而且实际的焊接材料由于碱度不能随意增加、冶金反应的时间短暂等，使焊接时的脱硫效果受到限制。所以，严格限制焊接材料的含硫量是主要的措施。研究结果表明，稀土元素不仅可以脱硫和改善硫化物的形态、尺寸及分布状况，而且可以提高焊缝的韧性。因此，加强这方面的研究，对于解决新型洁净钢、精炼钢焊接时脱硫是有帮助的。(www.xing528.com)

2.磷的危害及控制措施

磷在多数钢中是有害的杂质。磷在钢中主要以Fe₂P、Fe₃P的形式存在。在液态铁中可溶解较多的磷，而在固态铁中磷的溶解度只有千分之几。磷与铁、镍可以形成低熔点共晶，如Fe₃P＋Fe（熔点为1050℃），Ni₃P＋Ni（熔点为880℃）。因此，当熔池凝固时，磷易造成偏析。磷化铁常分布于晶界，减弱了晶间结合力，这样就增加了焊缝金属的冷脆性，使得韧性降低，韧脆转变温度升高。此外，焊接奥氏体钢或低合金钢焊缝含碳量较高时，磷还能促使形成结晶裂纹。所以应当采取技术措施限制焊缝中的含磷量。

控制焊缝中磷的措施有以下方法。

（1）限制焊条、焊剂原材料的含磷量焊条药皮和焊剂中的锰矿是焊缝增磷的主要来源，锰矿中通常磷的质量分数约为0.22％，其存在形式为（MnO）3·P₂O₅，因此高锰熔炼焊剂含磷的质量分数约为0.15％，而不含锰矿的焊剂一般磷的质量分数小于0.05％。

（2）用冶金方法脱磷为将进入液态金属中的磷脱除，可采用以下脱磷方法：第一步将磷氧化为P₂O₅；第二步使P₂O₅与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐，其反应式如下：

第一步：2［Fe₃P］＋5（FeO）==P₂O₅＋11［Fe］

第二步：P₂O₅＋3（CaO）==（（CaO）3·P₂O₅）

P₂O₅＋4（CaO）==（（CaO）4·P₂O₅）

将上述反应合并得

2［Fe₃P］＋5（FeO）＋3（CaO）==（（CaO）3·P₂O₅）＋11［Fe］

2［Fe₃P］＋5（FeO）＋4（CaO）==（（CaO）4·P₂O₅）＋11［Fe］这些反应说明，增加熔渣的碱度可以减少焊缝的含磷量，这已被焊接试验所证明。

总之，焊接熔渣的碱度受焊接工艺性能的限制不可过分增大。同时，在碱性渣中也不允许含有较多的FeO，否则会使焊缝增氧，不利于脱硫，甚至产生气孔。所以，碱性渣的脱磷效果很不理想。酸性渣中虽然含有较多的FeO，有利于磷的氧化，但由于碱度很低，其脱磷能力比碱性渣更低。所以，焊接时脱磷比脱硫更加困难，控制焊缝含磷量的主要措施是严格限制焊接材料中的含磷量。