气体与金属的化学作用探究

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：这种氧化对金属的抗氧化保护作用较差，镁及其合金就属于此类。而铝及其合金就不属于此类，它形成的抗氧化膜的抗氧化保护作用比较强。以上这些氧化物则更不可能对金属起保护作用。表1-4 一些常用金属的α值合金化学成分的影响凡加入合金中能使合金的氧化膜变得疏松的元素，将增加此合金的氧化程度。

熔炼浇注过程中，金属与炉气相互作用，会形成各种氧化物、氮化物、氢化物、碳化物等化合物，常见的是氧化物。

1.金属及合金的氧化

金属对氧的亲和力不同，将合金元素与氧的亲和力由大到小排列为：

Be—Li—Mg—Na—Al—Ce—Ti—Si—Mn—Cr—Zn—Fe—Ni—Cu

与氧亲和力大的元素，更容易氧化。在大多数情况下，可根据该元素氧化物的生成热来估计它对氧的亲和力。生成热的量越大，该元素对氧的亲和力也越大。但准确的方法是，而应该以发生氧化反应时，等压位（即自由能）的变化来表示。

生成氧化物时，等压位降低越多，该元素与氧的亲和力就越大。

2.影响金属氧化程度的因素

金属与氧亲和力只是影响其氧化程度的热力学因素，氧化程度还受其他很多因素的影响。

（1）生成氧化物性质的影响如金属氧化后在其表面上生成一层致密的氧化膜，即满足下列条件：氧化物的分子体积／金属的原子体积＝α＞1，则金属氧化物的质量，将与氧化反应的时间呈抛物线关系：

W²＝Kt （1-20）

式中 W——金属氧化物的质量（g）；

K——常数（g²·min^－1）；

t——氧化反应时间（min）。

从式（1-20）可知，随着氧化反应时间t的延长，即氧化速度减慢，生成的氧化膜保护未氧化的金属，铝及其他多数金属属于此类。

如果生成的氧化膜是疏松的，即使α＜1，则氧气就可通过氧化膜的空隙直接与金属再接触而继续氧化下去。这时的W与t呈直线关系W＝Kt。这种氧化对金属的抗氧化保护作用较差，镁及其合金就属于此类。而铝及其合金就不属于此类，它形成的抗氧化膜的抗氧化保护作用比较强。

如果生成的氧化物是液态的，如铁及其合金，或生成的氧化物可溶解在金属中，如铜、镍及其合金，甚至生成的氧化物是呈气态的，如钼及其合金。以上这些氧化物则更不可能对金属起保护作用。一些常用金属的α值见表1-4。

表1-4 一些常用金属的α值

（2）合金化学成分的影响凡加入合金中能使合金的氧化膜变得疏松的元素，将增加此合金的氧化程度。如铝合金中加入镁元素的量＞1.5％（质量分数）时，其氧化性就会大大增加。含稀土的镁合金比不含稀土的难以氧化，原因是近年来的研究证明，往镁合金中加入RE，能使合金的氧化膜变得非常致密，从而阻止或减少合金的氧化。

（3）温度的影响温度升高，合金更易氧化。铝合金的氧化膜比较致密，在室温下对合金有较好的保护作用，但温度升高时，合金很容易氧化；钛合金的氧化膜在低温时相当稳定，而温度升高到600～800℃时，此膜的抗氧化保护作用就消失。

（4）炉气的影响炉气中含有气体N₂、O₂、H₂ O、CO、CO₂、H₂等具有较强氧化性的气体时，这些气体会将不断升温逐步熔化的合金炉料包围，在接触界面上产生各种氧化、分解、溶解、扩散等反应，使氧化加剧。如果炉气呈中性或还原性，则可减少合金的氧化损失，但炉气呈还原性时又易使合金吸氢。

（5）熔炼操作的影响炉料未彻底烘干、吸附有人眼看不见的分子水、熔炼时间太长、加料方法不合适、过多的搅拌、扒渣不干净等不正当的操作都可能加剧氧化。

3.氧化夹杂物对合金品质的危害

非铁合金在熔炼、浇注过程中如果没有彻底排除合金液中的气体、氧化夹杂（渣），不但会浪费许多能源、材料、人工工时，还会磨损设备，而且最严重的是造成合金产品的下列缺陷，最后产生不可估量的经济损失。

1）溶于合金内的氧化物，将增加合金的含气量，在凝固时就会析出气体，造成气孔。

2）固态的氧化夹渣（杂）卷入合金时常带入气体，形成气孔。

3）固态的氧化夹渣（杂）使合金液的流动性下降，导致铸件产生缺肉、圆角等缺陷而报废，并使铸件的力学性能（特别是冲击韧性和塑性）降低。

4）降低合金的耐蚀性。

5）有些夹渣（杂）会在切削加工中损坏（伤）或快耗刀具，增加加工和磨削时间或困难。

[1]1dyn／cm²＝0.1Pa，1dyn＝10^－5N。