渗合金反应优化

液态金属在熔炼、铸造和熔焊等高温热加工过程中不仅本身被氧化，使金属增氧，而且其中的一些有益合金元素也会被氧化烧损。因此，除了需对金属进行脱氧外，还要对烧损的一些元素进行补充，有时还需加入一些新的合金元素来改善组织、提高性能（如堆焊和激光表面合金化）。所以，往往在加工过程中还需解决金属的渗合金问题。渗合金常采用的方式有：①将合金元素（或中间合金）直接加入到液体金属中；②采用合金元素的化合物通过渗合金反应来获得，常用的办法是通过合金元素氧化物的还原反应来进行渗合金反应。前面在阐述钢液中合金元素Si与Mn的置换氧化反应时已提到，由于这些反应是放热反应，因此提高炉温能减少Si和Mn的烧损，而且当采用含SiO2高的酸性渣时，还能使Si的置换反应朝着相反方向进行，即朝着渣中的SiO2被Fe还原的方向进行，结果是钢液中的Si非但没有被氧化，而且还会渗Si。在焊接过程中熔滴和熔池前半部都处于高温区，因此如果采用的焊接熔渣中含有高的SiO2和MnO，则可以通过Fe的置换反应来使钢液渗Si和渗Mn。根据反应式（6-58）～式（6-60），影响渗Si和渗Mn的因素很多，主要有温度，渣中SiO2，MnO，FeO含量及渣的碱度，钢液中原始含Mn，Si量及钢液中的一些其他元素如Al，Ti和Cr等。渣中原始含FeO高、碱度高及钢液中原始含Si较高等都对渗Si反应不利；渣中SiO2含量高以及钢中含Mn较高或含有其他对氧亲和力比Fe强的合金元素（如Al，Ti和Cr等）都对渗Si反应有利。

上述渗合金还原反应不仅能用于一些稳定性较低的氧化物（如SiO2和MnO等），而且在一定条件下也能使一些稳定的氧化物如TiO2，B2O3和稀土氧化物（REO）等发生渗合金还原反应。实践证明，焊接低合金钢时在中性熔渣中通过加入上述稳定氧化物可向焊缝渗入微量Ti，B和RE等，细化焊缝组织，使其低温韧性有显著提高。例如，用CaO-Al2O3-CaF2-TiO2渣系的熔炼焊剂进行埋弧焊时，可以通过TiO2还原反应来达到渗Ti和使焊缝变质的目的。其反应为

将克分子浓度NTi换算为质量百分浓度，上式转变为

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焊缝中的实际含[Ti]量和不同温度下的计算平衡浓度见图6-28，实际含[Ti]量接近于1 900K时的计算平衡浓度。通过熔渣中氧化物的还原来进行渗合金的方法由于受到反应平衡条件的限制达不到高的合金化程度，而且还伴随着基本金属或其他合金元素的氧化，同时由于需要在熔渣中加入大量渗合金元素的氧化物而使渣的性能发生变化。因此，这种方法的应用受到了很大限制，但在有些情况下，如纯元素难以加入或所需加入的量很少时，采用这种渗合金反应的方式较为方便。

图6-28　钛的平衡浓度（实线）和它在焊缝中的含量与的关系

除了用氧化物进行还原渗合金外，也可采用其他化合物通过与金属反应来进行渗合金。例如，Al合金的细化晶粒处理可以通过加入含Ti，B，Zr的盐与Al液进行反应来达到渗Ti，B和Zr等的效果。例如：