焊接熔渣的结构理论探究

熔渣的物化性质及熔渣与金属的作用等和液态熔渣的内部结构有密切关系。关于液态熔渣的结构有如下两种理论。

1.熔渣的分子理论

熔渣的分子理论以对凝固熔渣进行相分析和化学分析的结果为依据，其要点如下：

（1）液态熔渣由不带电的分子组成其中包括氧化物分子，如CaO、SiO₂等；复合物的分子，如CaO·SiO₂、MnO·SiO₂等；以及硫化物、氟化物的分子等。

（2）氧化物及其复合物处于平衡状态例如在熔渣中进行着如下反应：

CaO＋SiO₂⇔CaO·SiO₂（3-7）

这是一个放热反应，所以当温度升高时，反应式（3-7）向左进行，渣中独立存在的自由氧化物浓度增加，复合物的浓度减少，熔渣的活性增大；当温度下降时，则引起相反的结果。各种复合物的稳定性可用它们自身的生成热效应来衡量（见表3-11），生成热效应的值越大，这种复合物就越稳定。

表3-11复合物的生成热效应

（3）只有自由氧化物才能参与和液态金属的反应例如只有渣中的自由氧化物FeO才能参与如下的反应：

（FeO）＋［C］==［Fe］＋CO↑

式中（）——熔渣中成分；

［］——金属中成分。而复合物（FeO）2·SiO₂中的FeO不能参与上述反应。

由于熔渣的分子理论能简明地、定性地解释熔渣与金属间的冶金反应，故至今在焊接化学冶金中仍得到应用。但是，分子理论所假设的熔渣结构与实际不符，致使许多重要的现象，例如熔渣的导电性，就无法解释。因此又出现了熔渣的离子理论。

2.熔渣的离子理论(www.xing528.com)

熔渣的离子理论是在研究熔渣电化学性质的基础上提出的，离子理论的要点如下：

（1）液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液熔渣中离子的种类和存在形式取决于熔渣的成分和温度。负电性大的元素以阴离子形式存在，如F－、O2－、S2－等；负电性小的元素形成阳离子，如K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋等，而负电性比较大的元素，如Si、Al、B等，其阴离子往往不能独立存在，而是与氧离子形成复杂的阴离子，如SiO44－、Si3O96－、Al3O57－等。

（2）离子的分布、聚集和相互作用取决于综合矩离子的综合矩可以表示为

式中z——离子的电荷（静电单位）；

r——离子的半径（10^－1nm）。

各种离子在0℃时的综合矩见表3-12。当温度升高时，离子半径r增大，综合矩减小，但是表中综合矩大小的顺序是不变的。

表3-12离子的综合矩

离子的综合矩越大，表明它的静电场越强，与异号离子的作用力也就越大。由表3-12可知，阳离子中Si⁴＋的综合矩最大，而阴离子中O²－的综合矩最大，所以它们能很牢固地结合为SiO⁴₄－或更复杂的离子团。

综合矩的大小影响离子在渣中的分布。相互作用力大的异号离子彼此接近而形成集团，而相互作用力小的异号离子也形成集团。所以熔渣的化学成分在微观上是不均匀的，离子的分布是近似有序的，不是完全无序的。

盐型熔渣主要含简单的阴、阳离子，并且综合矩的差异不大，可以认为是结构简单的均匀离子溶液。盐-氧化物型熔渣属于结构比较复杂的化学成分微观不均匀的离子溶液。氧化物型熔渣则属于具有复杂网络结构的化学成分更不均匀的离子溶液。

（3）熔渣与金属的作用是熔渣中的离子与金属原子交换电荷的过程例如硅还原（即铁氧化）的过程是熔渣中的硅离子与铁原子在熔渣与金属的两相界面上交换电荷的过程。即

（Si⁴＋）＋2［Fe］==2（Fe²＋）＋［Si］反应结果是硅进入金属，铁变成离子进入熔渣。

总之，焊接熔渣是相当复杂的，某些熔渣中既含有离子，又含有少量分子。虽然熔渣的离子理论对许多现象的解释更合理，但是目前还缺乏系统的热力学资料，所以焊接化学冶金领域中仍在应用分子理论。