有色金屬熔煉與鑄造

關(guān)于有色金屬熔煉與鑄造第1頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有色金屬熔煉與鑄錠一、有色金屬熔煉的基本原理二、有色金屬鑄錠凝固的基本原理三、有色金屬熔鑄技術(shù)第2頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有色金屬熔煉與鑄錠主要內(nèi)容●

有色金屬在熔煉和鑄錠形成過(guò)程中與爐氣、爐襯、溶劑、空氣和水蒸氣等環(huán)境因素相互作用的基本規(guī)律。●有色金屬凝固的基本原理，包括液體金屬流動(dòng)和傳熱、結(jié)晶組織、溶質(zhì)再分布及偏析等基本規(guī)律、和常見(jiàn)的鑄錠缺陷的產(chǎn)生原因。第3頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章金屬熔煉特性金屬熔煉的主要目的是為鑄錠提供高質(zhì)量的金屬熔體。因此必須研究和確定各種純金屬及其合金熔煉過(guò)程共同遵循的規(guī)律，為制定合理的熔煉工藝提供理論依據(jù)。本章主要討論有色金屬在熔煉過(guò)程中的氧化、吸氣、揮發(fā)、吸雜等特性，具體分析這些過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，以及熔煉過(guò)程中金屬熔損的具體方法。第4頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1金屬的氧化性1.2金屬的吸氣性1.3金屬的揮發(fā)性1.4金屬的吸雜性第一章金屬熔煉特性第5頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

金屬氧化的熱力學(xué)條件金屬氧化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制

影響氧化燒損的因素及降低氧化燒損的方法

1.1金屬的氧化性第6頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固體純金屬或熔融合金與爐氣、爐襯和爐渣發(fā)生一系列物理化學(xué)作用。熔煉過(guò)程中，金屬與氧反應(yīng)生成金屬氧化物造成不可回收的金屬損失——熔損。同時(shí)，金屬氧化物的生成又是導(dǎo)致鑄錠產(chǎn)生雜質(zhì)的主要原因。爐渣雜質(zhì)O2金屬的氧化第7頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

金屬氧化的熱力學(xué)趨勢(shì)問(wèn)題

▲金屬氧化的趨勢(shì)

▲各合金元素的氧化順序

▲氧化程度Ca>Mg>Al>Ti>Mn>Zn>Fe>Cu△G=G產(chǎn)-G反

若△G＜0，即G產(chǎn)＜G反，則反應(yīng)按方程式所給定的方向自動(dòng)進(jìn)行；若△G＞0，即G產(chǎn)＞

G反，則反應(yīng)將逆向自動(dòng)進(jìn)行；若△G=0，即G產(chǎn)=

G反，則反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)判定依據(jù)：反應(yīng)前后自由能變化決定因素：金屬與氧的親和力大小，也與合金成分、溫度和壓力有關(guān)第8頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，金屬與一摩爾氧作用生成金屬氧化物的自由焓變量稱為氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓變量：

ΔG是衡量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下金屬氧化趨勢(shì)的判據(jù)，某一金屬氧化物的ΔG值越小(越負(fù))，則該元素與氧的親和力越大，氧化反應(yīng)的趨勢(shì)亦越大，氧化物就越穩(wěn)定。氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)第9頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月舉例說(shuō)明溫度在1000K時(shí)：比較兩式，氧化鋁的生成自由能具有較大的負(fù)值，因此它的穩(wěn)定性比氧化亞銅大，將兩式相減得到：即：Cu2O能夠被Al還原。氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)

ΔG還是衡量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧化物穩(wěn)定性的一種判據(jù)，某一金屬氧化物的ΔG值越小(越負(fù))，則該元素可還原ΔG值較大的氧化物。第10頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)金屬的氧化趨勢(shì)可用氧化物生成自由焓變量表示。由于生成自由焓、分解壓、生成熱和反應(yīng)的平衡常數(shù)相互關(guān)聯(lián)，常用它們的大小來(lái)判斷金屬氧化反應(yīng)的趨勢(shì)、方向和限度。自由焓不僅可以衡量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下金屬氧化的趨勢(shì)，還可以衡量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧化物的穩(wěn)定性。第11頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

氧勢(shì)圖（Ellingham圖）第12頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月利用氧勢(shì)圖可以分析：

可分析溫度對(duì)氧化物穩(wěn)定性的影響并比較各氧化物的穩(wěn)定性大小。

可定性分析元素的氧化還原規(guī)律。氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)從各直線之間的相互位置比較來(lái)看，直線的位置越低，ΔG值越負(fù)，金屬的氧化趨勢(shì)越大，氧化程度越高，如鋁、鎂、鈣等的氧化。反之，直線位置越高，Δ

G值越大，氧化趨勢(shì)和程度越小，如銅、鉛、鎳等金屬的氧化。據(jù)直線之間的位置關(guān)系可以知道元素的氧化順序。從圖1-1可見(jiàn)，在熔煉溫度范圍內(nèi)，各元素氧化先后的大致順序是：鈣、鎂、鋁、鈦、硅、釩、錳、鉻、鐵、鈷、鎳、鉛、銅。例如，凡在銅線以下的元素，其對(duì)氧的親和力都大于銅對(duì)氧的親和力，故在熔煉銅時(shí)它們會(huì)被氧化而進(jìn)入爐渣。第13頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖中處在越下部的金屬與氧的結(jié)合能力越強(qiáng)，由此產(chǎn)生金屬冶煉中的金屬熱還原法。為還原劑，為金屬氧化物，作氧化劑。例如：第14頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

金屬M(fèi)e可被爐氣中的氧氣直接氧化，也可被其他氧化劑（以MO表示）間接氧化。

研究表明，上式反應(yīng)的熱力學(xué)條件為ΔGMeO<ΔGMO，即Me對(duì)氧的親和力大于M對(duì)氧的親和力。所以位于ΔG-T圖下方的金屬可被位于上方的氧化物所氧化。它們相距的垂直距離越遠(yuǎn)，反應(yīng)的趨勢(shì)越大。例如：

在熔煉鋁及鋁合金、鎂及鎂合金時(shí)，應(yīng)設(shè)法避免與上述氣體接觸。如果用SiO2作爐襯，則熔體將與耐火材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，結(jié)果爐襯被侵蝕，金屬受污染。氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)第15頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

氧化物的分解壓pO2是衡量金屬與氧親和力大小的另一量度。pO2小，金屬與氧的親和力大，金屬的氧化趨勢(shì)大，氧化程度高。同樣可以得出反應(yīng)(1)正向進(jìn)行的熱力學(xué)條件為pO2(MeO)<pO2(MO)。(1)(2)分解壓與溫度的關(guān)系可以由ΔG-T關(guān)系導(dǎo)出。由ΔG=A+BT及公式（1-2）可得：A<0氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)第16頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)第17頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，金屬的氧化趨勢(shì)、氧化順序和可能的氧化燒損程度，一般可用氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓變量ΔG，分解壓pO2或氧化物的生成熱ΔH作判據(jù)。通常ΔG、pO2或ΔH越小，元素氧化趨勢(shì)越大，可能的氧化程度越高。Qp為壓力熵氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)第18頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氧化熱力學(xué)條件及判據(jù)第20頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由式(1．11)可以看出，氣相氧的分壓P02高，組元含量[i%]多及活度系數(shù)大，則氧化反應(yīng)趨勢(shì)大。因此，在實(shí)際熔煉條件下，元素的氧化反應(yīng)不僅與ΔG有關(guān)，而且反應(yīng)物的活度和分壓也起很大作用。改變反應(yīng)物或生成物的活度與爐氣中反應(yīng)物的分壓，可影響氧化反應(yīng)進(jìn)行的順序、趨勢(shì)和限度，甚至改變反應(yīng)進(jìn)行的方向。第21頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

研究氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的主要目的之一，是要弄清在熔煉條件下氧化反應(yīng)機(jī)制、限制環(huán)節(jié)及影響氧化速度的諸因素(溫度、濃度、氧化膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)等)，以便針對(duì)具體情況，改善熔煉條件，控制氧化速度，盡量減少金屬的氧化燒損。氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第22頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面MeO2（1）氧氣向界面擴(kuò)散金屬氧化的步驟第23頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MeO2（2）氧氣在界面吸附金屬氧化的步驟第24頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MeO2（3）界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)金屬氧化的步驟第25頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MeMexOy（4）界面氧化物的生成（5）氧化層脫落金屬氧化的步驟第26頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

金屬氧化的動(dòng)力學(xué)速度問(wèn)題金屬氧化機(jī)理和氧化膜結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)了解三個(gè)環(huán)節(jié)）1.氧由氣相通過(guò)邊界層向氧-氧化膜界面擴(kuò)散（即外擴(kuò)散）

D—氧在邊界層中的擴(kuò)散系數(shù)，A、δ—邊界層面積和厚度

C0O2、CO2—邊界層外和相界面上氧的濃度氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第27頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬氧化機(jī)理示意圖邊界層（擴(kuò)散層）氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第28頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.氧通過(guò)固體氧化膜向氧化膜-金屬界面擴(kuò)散（即內(nèi)擴(kuò)散）

D—氧在氧化膜中的擴(kuò)散系數(shù)，δ—氧化膜的厚度

C′O2—反應(yīng)界面上的濃度氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第29頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬氧化機(jī)理示意圖內(nèi)擴(kuò)散氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第30頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.在金屬-氧化膜界面上，氧和金屬發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，與此同時(shí)金屬晶格轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸铮ńY(jié)晶化）

K—反應(yīng)速度常數(shù)，C′O2—金屬-氧化膜界面上氧的濃度

金屬的氧化由上述三個(gè)環(huán)節(jié)共同完成，總反應(yīng)速度取決于最慢的一個(gè)環(huán)節(jié)（短板理論）。氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第31頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Pilling-Bedworth比氧化膜的性質(zhì)決定以上哪一個(gè)環(huán)節(jié)是限制性環(huán)節(jié)，而氧化膜的主要性質(zhì)是其致密度:定義為氧化物的分子體積VM與形成該氧化物的金屬原子體積VA之比，即：氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第32頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)α＞l時(shí)，生成的氧化膜是致密的，連續(xù)的，有保護(hù)性的。在這種情況下結(jié)晶化學(xué)反應(yīng)速度快，而內(nèi)擴(kuò)散速度慢，因而內(nèi)擴(kuò)散成為限制性環(huán)節(jié)。氧化膜逐漸增厚，擴(kuò)散阻力愈來(lái)愈大，氧化速度將隨時(shí)間的延續(xù)而降低。Al、Be、Si等大多數(shù)金屬生成的氧化膜具有這種特性。當(dāng)α＜1時(shí)，氧化膜是疏松多孔的，無(wú)保護(hù)性的。氧在這種氧化膜內(nèi)擴(kuò)散阻力將比前者小。限制環(huán)節(jié)由擴(kuò)散變?yōu)榻Y(jié)晶化學(xué)反應(yīng)。堿金屬及堿土金屬(如Li、Mg、Ca)的氧化膜具有這種特性。α＞＞1。這是一種極端情況，大量過(guò)渡族金屬如鐵的氧化膜就是如此。這種十分致密但內(nèi)應(yīng)力很大的氧化膜增長(zhǎng)到一定厚度后即行破裂，這種現(xiàn)象周期性出現(xiàn)，故氧化膜也是非保護(hù)性的。氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制Pilling-Bedworth比第33頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Pilling-Bedworth比氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第34頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬氧化的動(dòng)力學(xué)方程金屬的氧化速度可用氧化膜厚度隨時(shí)間的變化來(lái)表示：1.溫度、面積一定，內(nèi)擴(kuò)散速度：

2.結(jié)晶化學(xué)反應(yīng)速度：

兩階段速度相等可求得：

t為時(shí)間因此，膜厚x與時(shí)間t呈曲線關(guān)系：

α<1，D>>K,x=KCO2t------受結(jié)晶化學(xué)變化控制

α>1，D<<K，x2=2DCO2t----內(nèi)擴(kuò)散速度控制氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第35頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬氧化的動(dòng)力學(xué)方程氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制增厚或增重第36頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬氧化的動(dòng)力學(xué)方程固體純金屬的氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律也適用于液態(tài)金屬。金屬的氧化可分為兩類：第一類金屬氧化遵守拋物線規(guī)律，其氧化速度隨時(shí)間遞減，如470-626℃鉛的氧化和600-700℃鋅的氧化。氧在這些金屬液中的溶解度很小，而在金屬液表面形成致密固態(tài)氧化膜。第二類金屬氧化服從直線規(guī)律，氧或氧化物在金屬液中有較大的溶解度或者生成的固態(tài)氧化膜呈疏松多孔狀。氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制第37頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

影響氧化燒損的因素及降低氧化燒損的方法一、金屬及氧化物的性質(zhì)純金屬氧化燒損取決于金屬與氧的親和力和金屬表面氧化膜的性質(zhì)

Mg、Li與氧親和力大，而且α<1，氧化燒損大

Al、Be與氧親和力大，但α>1，氧化燒損小

Au、Ag、Pt與氧親和力小，α>1，故很難氧化

例外情況：α>1，但線膨脹系數(shù)與基體金屬不相適應(yīng)則易產(chǎn)生分層，斷裂而脫落—顯然也屬于易氧化燒損金屬。例如CuO。

影響金屬氧化燒損的因素：第38頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、熔煉溫度

溫度升高，氧化速度加快。低溫時(shí)，按拋物線規(guī)律氧化，高溫時(shí)按直線規(guī)律氧化。如，400℃以下，氧化鋁膜強(qiáng)度高，線膨脹系數(shù)與鋁接近，膜保護(hù)良好（拋物線規(guī)律），但高于500℃則按直線氧化規(guī)律，750℃時(shí)易于斷裂；鎂氧化時(shí)放出大量熱量，氧化鎂疏松多孔，強(qiáng)度低，導(dǎo)熱性差，使反應(yīng)區(qū)域局部過(guò)熱，加速鎂的氧化，甚至引起鎂的燃燒。

三、爐氣性質(zhì)存在諸如O2、H2O、CO2、CO、H2、SO2、N2等氣體體系對(duì)金屬是氧化性還是還原性或中性應(yīng)視具體情況而定。金屬的親和力大于C、H與氧的親和力則含有CO2、CO或H2O的爐氣就會(huì)使其氧化。

影響金屬氧化燒損的因素第39頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

影響金屬氧化燒損的因素四、其它因素熔爐類型不同，其熔池形狀、面積和加熱方式不同，燒損程度不同；爐料狀態(tài)：爐料塊越小，表面積越大，其燒損也越嚴(yán)重。熔煉時(shí)間：熔煉時(shí)間越長(zhǎng)，氧化燒損也越大。攪拌和扒渣等操作方法：不合理時(shí)，易把熔體表面的保護(hù)性氧化膜攪破而增加氧化燒損。第40頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月選擇合理爐型采用合理的加料順序和爐料處理工藝采用覆蓋劑或通入保護(hù)性氣氛正確控制爐溫正確控制爐氣合理的操作方法加入少量α>1的表面活性元素降低氧化燒損的方法第41頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固溶體：原子半徑小，溶解于晶格內(nèi)，形成間隙式固溶體1.2金屬的吸氣性氣體在金屬中存在的形式與種類

氣體分子：超過(guò)溶解度的氣體，或不溶解的氣體，以氣體分子吸附于固體夾渣上，或以氣孔形式存在

化合物：氣體與金屬中某元素的化學(xué)親和力大于氣體原子間親和力，可與該元素形成固態(tài)化合物常見(jiàn)的單質(zhì)氣體中，氫的原子半徑最小，幾乎能溶解于所有金屬及合金中，通常所說(shuō)的吸氣，其實(shí)就是吸氫。溶解于金屬熔體中的氣體，在鑄錠凝固時(shí)析出來(lái)最易形成氣孔。第42頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

爐料氣體的來(lái)源新金屬、回爐廢料、中間合金、熔劑、變質(zhì)劑等。低于250℃2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2高于400℃2Al+3H2O=Al2O3+6[H]高溫下2Al(OH)3=2Al2O3+6H2OH2O與Al再反應(yīng)水蒸氣：機(jī)加工殘留油脂：烘干吹砂第43頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

爐氣氣體的來(lái)源

非真空熔煉時(shí)，金屬與爐氣的作用復(fù)雜而強(qiáng)烈，是金屬吸氣的主要階段。

耐火材料及工具

耐火材料表面吸附水分，停爐后殘留爐渣及熔劑也能吸附水分。

澆注過(guò)程

熔體流放及轉(zhuǎn)注過(guò)程中吸收的氣體，同時(shí)也從鑄模揮發(fā)性涂料中吸收氣體。第44頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體的溶解度及影響因素氣體的溶解度

在一定的溫度和壓力條件下，金屬吸收氣體的飽和濃度。

常用每100g金屬中在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積cm3/100g來(lái)表示。也常以溶解氣體重量百萬(wàn)分之一的濃度即ppm表示。1cm3H2（標(biāo)準(zhǔn)）/100g=0.9ppmH2密度：0.09g/L例如：第45頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體的溶解度影響因素

壓力

在一定的溫度條件下，金屬中氣體的溶解度與金屬和氣相接觸處該氣體分壓力的平方根成正比。氫分壓（mmHg）101196313436585672751溶解度（cm3/100g）2.623.664.625.526.407.017.46氫在銅液中的溶解度與其分壓的關(guān)系第46頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體的溶解度影響因素

溫度

當(dāng)氣體分壓一定時(shí)，氣體在金屬中的溶解度公式為：K2為與壓力有關(guān)的常數(shù)。

溶解度隨溫度的增長(zhǎng)趨勢(shì)取決于溶解熱△H.△H

>0，則氣體溶解度隨溫度的升高而增大；△H

＜0，則氣體溶解度隨溫度的升高而降低。Al、Cu、Mg：溫度↑，溶解度↑Ti、Zr、V：溫度↑，溶解度↓第47頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體的溶解度影響因素

合金元素

合金元素的加入是否增加熔體的吸氣量，取決于所加入的合金元素與氣體的親和力及對(duì)合金熔體表面氧化膜的影響規(guī)律，親和力大，則含氣量升高；親和力小則相反。（1）鋁熔體中加入Mg、Li等活性元素形成疏松氧化膜，增加吸氣（2）鎂合金熔體中加入Gd、Nd、Be等可使氧化膜致密化，減少吸氣例如：第48頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熔體吸氣過(guò)程

吸附階段（物理吸附）

氣體分子碰撞到金屬表面時(shí)，就會(huì)被粘附在金屬表面上，物理吸附最多只能覆蓋單分子層厚度。氣體能否穩(wěn)定吸附在金屬表面，取決于金屬表面力場(chǎng)的強(qiáng)弱、溫度的高低及氣壓的大小。力場(chǎng)較大，則易吸附；溫度升高，吸附減弱。金屬與氣體分子的作用力為范德華力。物理吸附的氣體仍處于穩(wěn)定分子狀態(tài)，不能被金屬所吸收，但能為化學(xué)吸附創(chuàng)造條件。物理吸附只在低溫時(shí)考慮，高溫時(shí)可忽略不計(jì)。第49頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熔體吸氣過(guò)程

離解階段（化學(xué)吸附）

又稱之為活性吸附，是氣體與金屬原子之間的化學(xué)結(jié)合，具有一定的親和力，這時(shí)氣體分子與金屬質(zhì)點(diǎn)間的作用力與化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)親和力一樣，有電子交互作用，不產(chǎn)生新相，但能促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，溫度越高，吸附越快。

擴(kuò)散階段（溶解階段）

被吸附在金屬表面的氣體原子，只有向內(nèi)部擴(kuò)散，才能溶解于金屬中。實(shí)質(zhì)是氣體原子從濃度較高的金屬表面向氣體濃度較低的金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。濃度越大、氣體壓力越大、溫度越高，擴(kuò)散速度越快。第50頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體在金屬內(nèi)擴(kuò)散氣體原子在金屬內(nèi)部擴(kuò)散速度，直接影響金屬吸收氣體的能力。

擴(kuò)散系數(shù)：?jiǎn)挝粷舛忍荻认拢瑔挝粫r(shí)間內(nèi)物質(zhì)通過(guò)單位面積的擴(kuò)散量。D0:和溫度有關(guān)的常數(shù)Q:活化能

擴(kuò)散速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物質(zhì)通過(guò)單位面積遷移的物質(zhì)的量。C:氣體的物質(zhì)的量濃度，mol/cm3.擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度變化利用氣體在致密氧化膜中擴(kuò)散速度慢，主要“以防為主”第51頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體從熔體中析出

氣體在金屬中溶解是一個(gè)可逆的過(guò)程，高溫時(shí)，溶解度高，溶于熔體中，凝固過(guò)程中，溫度降低，溶解度下降，氣體從熔體中析出。（與通常的想象相反）

金屬溫度從T1降至T2，出現(xiàn)氣體析出分壓力，T2愈低，此分壓力越大，氣體自動(dòng)向外擴(kuò)散

減少外部氣體壓力，即使溫度變化不大，氣體也處于過(guò)飽和狀態(tài)，如真空脫氣。第52頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體從熔體中析出形成氣泡兩大條件：

處于過(guò)飽和狀態(tài)，具有析出分壓力△p；析出分壓力大于外在壓力總和。外壓力(ΣpE)包括：外部氣體壓力pa、金屬液的壓力pM、表面張力psur式中：h:產(chǎn)生氣泡處的金屬液面高度ρ：金屬液的密度σ：金屬液的表面張力

r:形成氣泡半徑第53頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體從熔體中析出形成氣泡過(guò)程：形核→長(zhǎng)大非均勻形核：微小晶體非金屬夾雜物氣泡（利用其除氣）容器壁擾動(dòng)第54頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為揮發(fā)某組元或多組元在液體或固體內(nèi)向表面擴(kuò)散在邊界上組元蒸發(fā)在氣相中擴(kuò)散1.3金屬的揮發(fā)（蒸發(fā)）蒸發(fā)的利弊：精煉提純。蒸發(fā)損失、合金成分控制困難、污染環(huán)境、危害健康。原子向表面擴(kuò)散界面上原子蒸發(fā)氣相中的擴(kuò)散金屬熔體坩堝金屬原子第55頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響因素-金屬蒸氣壓金屬的蒸發(fā)相變反應(yīng)式：Me(L,S)=Me(g)飽和蒸氣壓：在某一溫度達(dá)到平衡時(shí)，氣相中金屬的蒸氣分壓。金屬的蒸發(fā)能力的表征：

蒸氣壓蒸發(fā)熱沸點(diǎn)蒸氣壓越大，蒸發(fā)熱越小、沸點(diǎn)越低的金屬易蒸發(fā)揮發(fā)熱力學(xué)第56頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一些元素的沸點(diǎn)及蒸發(fā)熱蒸發(fā)熱小，沸點(diǎn)低的金屬較易蒸發(fā)。第57頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在外壓一定時(shí)，純金屬的蒸氣壓只取決于該金屬的溫度。蒸氣壓可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可由相變反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。利用克勞休斯－克拉佩龍方程，可得到溫度與金屬升華或蒸發(fā)時(shí)蒸氣壓的關(guān)系式：式中，ΔH0(S,V)表示一摩爾金屬在溫度T時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)升華熱或蒸發(fā)熱。影響因素—溫度第58頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系溫度升高，金屬的蒸氣壓增大，即蒸發(fā)趨勢(shì)增強(qiáng)。第59頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合金熔體的蒸氣總壓為各組元蒸氣分壓之和。

合金元素的活度越大，其蒸氣壓也越大。一般合金中沸點(diǎn)低，蒸氣壓高的組元容易揮發(fā)，而易揮發(fā)元素在合金中含量越高，合金的蒸氣壓就越高，合金的揮發(fā)損失也越大。合金元素的活度合金元素的摩爾濃度合金元素的活度系數(shù)影響因素—合金元素例如：

超硬鋁合金中的鋅和鎂揮發(fā)大黃銅中的鋅元素?fù)]發(fā)大鋁合金中銅損失小隔青銅鑄錠頭、尾部分含鎘量極不均勻

第60頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

爐內(nèi)壓力對(duì)金屬的蒸發(fā)有很大的影響。一般情況下，壓力愈低，蒸發(fā)愈大。在低壓下或在真空狀態(tài)下熔煉，蒸氣壓較大的金屬，其蒸發(fā)損失非常嚴(yán)重。影響因素—爐壓第61頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其它因素的影響

蒸發(fā)是一種產(chǎn)生于表面的現(xiàn)象，所以蒸發(fā)損失與金屬表面狀態(tài)關(guān)系很大。金屬表面有氧化膜覆蓋時(shí)，金屬的蒸發(fā)量可以大為降低。所以控制蒸發(fā)的核心是改善熔體表面狀態(tài)。改善的實(shí)例：

銅合金中加鋁或鈹形成致密氧化膜鋁合金中加鈹形成致密氧化膜鎂合金中加鈹形成致密氧化膜添加覆蓋劑第62頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蒸發(fā)速率是指單位時(shí)間從單位體積蒸發(fā)的氣體質(zhì)量。隨著體系趨于平衡狀態(tài)而減小，可用道爾頓（Dalton）公式表示：uV—蒸發(fā)速率，p—外壓，p0Me—金屬蒸氣壓，pMe—實(shí)際分壓當(dāng)poMe>pme時(shí)，蒸發(fā)速率為正；反之為負(fù)，即不是凝聚相的蒸發(fā)，而是蒸氣相的凝聚。凡是影響p0Me和pMe的因素都會(huì)影響揮發(fā)速率。蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)第63頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫度升高，pome增大，蒸發(fā)速率增大；當(dāng)蒸發(fā)空間的體積一定，蒸發(fā)面積越大，pme升高得越快，并迅速達(dá)到飽和值，此時(shí)，uV→0；當(dāng)蒸發(fā)表面積一定，蒸發(fā)空間體積越大，pme值升高越慢，使蒸發(fā)速率達(dá)到零值所需時(shí)間就越長(zhǎng)；在蒸發(fā)表面上不斷有氣流流過(guò)的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)速率隨金屬蒸氣在氣相中的傳質(zhì)速率的增大而加快；在氣流速度大，能把金屬蒸氣及時(shí)帶離蒸發(fā)空間時(shí)，則金屬的蒸發(fā)過(guò)程可一直進(jìn)行到凝聚相消失。蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)第64頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

外壓對(duì)蒸發(fā)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)有著顯著的影響。外壓減小，蒸發(fā)速率uV增大，即金屬在低于pome很多的真空下熔煉時(shí)，可在較低的溫度下達(dá)到較高的蒸發(fā)速率。式中umax為最大蒸發(fā)速率，T為蒸發(fā)表面蒸氣的溫度，M和R分別表示金屬的原子量和氣體常數(shù)。蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)第65頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空下某些金屬的蒸發(fā)速率與溫度的關(guān)系蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)第66頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬的蒸發(fā)隨壓力的降低而加速，真空熔煉時(shí)，向真空室內(nèi)通入惰性氣體，可降低蒸發(fā)速率和蒸發(fā)損失，這對(duì)于真空熔煉具有重要意義。例如真空熔煉鈦、鈮、鋯等難熔金屬時(shí)，充入0.1atm的惰性氣體，就能使蒸發(fā)損失大為降低。蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)第67頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在真空狀態(tài)下，脫離金屬表面的原子或分子的平均自由程大大增加，原子或分子間相互碰撞的概念會(huì)大大減少，返回金屬表面的原子或分子也會(huì)相對(duì)減少，從而提高了蒸發(fā)速度。因此，許多蒸氣壓較低的金屬，如W、Mo、Ta、Y等，在真空熔煉時(shí)也會(huì)有相當(dāng)大的蒸發(fā)損失。第68頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月易蒸發(fā)元素宜在熔煉后期加入。金屬的性質(zhì)外壓在熔煉時(shí)，增加外壓，在爐內(nèi)充入惰性氣體。比表面積采用爐口小的熔煉爐；溫度控制熔煉溫度，降低金屬的蒸發(fā)物質(zhì)交換減少攪拌次數(shù)，降低液面氣流速度時(shí)間控制熔煉時(shí)間控制蒸發(fā)的措施改善表面形成氧化膜，使用覆蓋劑，減少扒渣次數(shù)第69頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.混料

金屬或合金的配料中混進(jìn)了其它牌號(hào)的金屬或合金舊料，導(dǎo)致雜質(zhì)含量增高或形成廢品。1.4金屬的吸雜性雜質(zhì)形成的途徑第70頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.金屬與爐襯之間的相互作用

熔融金屬與爐襯相互作用，分為物理作用和化學(xué)作用不僅會(huì)降低爐襯壽命，而且會(huì)使某些雜質(zhì)進(jìn)入金屬，造成污染和損耗。雜質(zhì)形成的途徑(1)金屬在高溫下與爐襯的物理作用

熔爐的爐襯要承受熔體的壓力和爐襯內(nèi)高溫的作用。在高溫下，特別是在溫度、壓力和人為攪拌工具的綜合作用下，爐襯材料容易熔融破損，使?fàn)t襯變薄或漏裂?？呐龅?1頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)形成的途徑(2)金屬在高溫下與爐襯的化學(xué)作用純金屬和合金與爐襯的作用金屬氧化物及雜質(zhì)與爐襯的作用

爐襯耐火材料通常由各種氧化物所組成，例如：MgO,Al2O3,SiO2,FeO,Cr2O3,ZrO2.M+MˊO=MO+MˊM——熔化的金屬M(fèi)ˊ——爐襯中氧化物的金屬M(fèi)ˊO——爐襯中的氧化物MO——反應(yīng)后生成的氧化物第72頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月舉例說(shuō)明2Al+3FeO

=Al2O3+3Fe2Al+3Cr2O3=Al2O3+2Cr4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si2Mg+SiO