第一节气体的来源与产生一、焊接区内的气体焊接区内的气体是参与液态金属冶金反应最重要的物质，因此必须了解这类物质的来源、成分和性质。（一）气体的来源焊接区的气体主要来源于焊接材料，如焊条药皮、焊剂及药芯焊丝中的造气剂、高价氧化物和水分等；而气体保护焊时主要来自所采用的保护气体和其中的杂质（如氧、氮、水气等）。此外，热源周围的空气也是一种难以避免的气体源；焊材表面和母材坡口附着的吸附水、油、锈和氧化皮等在焊接时也会析出气体，如水气、氧、氢等。除了直接进入焊接区内的气体（如空气、保护气体中的水分等）外，焊接区内的气体主要是通过一些物理化学反应产生的。（１）有机物的分解和燃烧制造焊条时常用淀粉、纤维素等有机物作为造气剂和涂料增塑剂，这些物质被加热到２２０～２５０℃以后，将发生复杂的热氧化分解反应。反应生成的气态产物主要是ＣＯ２。（３）材料的蒸发焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。金属材料中Ｚｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｍｎ和氟化物中ＡｌＦ３、ＫＦ、ＬｉＦ、ＮａＦ的沸点都比较低，它们在焊接过程中极易蒸发。铁合金的沸点虽然较高，但焊接时其浓度较大，所以气相中铁蒸气的数量相当可观。焊接时的蒸发现象不仅使气相成分和冶金反应复杂化，而且造成合金元素损失，甚至产生焊接缺陷，增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。（二）气体的分解进入焊接区内的气体在电弧高温作用下将进一步分解或电离，从而影响气体在金属中的溶解或其与金属的作用。（１）简单气体的分解简单气体是指Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｆ２等双原子气体，它们受热而获得足够的能量后，将分解为单个原子或离子和电子（见表７-1）。利用标准状态下反应的热效应ΔＨ°２９８，可以比较各种气体和同一气体按不同方式进行分解的难易程度。（２）复杂气体的分解ＣＯ２和Ｈ２Ｏ是焊接过程中最常见的复杂气体，它们在高温下将分解出Ｏ２（图７-２和图７-３），使气相的氧化性增加。（三）气相的成分焊接区内常常同时存在多种气体，这些气体之间也将发生复杂的反应。表７-２列出了几种焊条焊接区的气相组成。由表可见，用低氢型焊条焊接时，气相中Ｈ２和Ｈ２Ｏ的含量很少，故称“低氢型”。酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的氢含量最高。综上所述，焊接区内的气体是由ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、Ｈ２、Ｎ２金属和熔渣的蒸气以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。其中，对焊接质量影响最大的是Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、ＣＯ２和Ｈ２Ｏ。第七章液态金属与气相的相互作用二、铸造过程中的气体（一）气体的来源：铸造时的气体主要来源于熔炼过程、铸型和浇注过程。（１）熔炼过程气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、ＣＯ２、ＣＯ、ＳＯ２和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。（２）铸型来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。即使烘干的铸型在浇注前也会吸收水分，并且粘土在液态金属的热作用下其结晶水还会分解。此外，有机物（粘结剂等）的燃烧也会产生大量气体。（３）浇注过程浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。（二）铸型内的气体浇注时，液态金属与铸型界面将发生化学反应，从而产生大量气体。１、氧化—分解反应（１）水蒸气与合金元素反应在液态金属的热作用下，铸型中的水分被蒸发，粘土中的结晶水发生分解，此时产生大量的水蒸气。高温水蒸气压力很大，不可能完全通过铸型及时排除，在界面处与液态金属发生化学反应。（２）固体碳燃烧界面处及砂粒间的自由氧使合金氧化，同时使造型材料中的碳及有机物燃烧，产生ＣＯ和ＣＯ２。（３）砂型组分分解高温下砂型组分也会发生分解反应，释放出气体。树脂砂中的尿素、乌洛托品［（ＣＨ２）６Ｎ４］等在高温下，首先分解生成氨（ＮＨ３）２、气相的平衡经氧化—分解反应后，在液态金属与铸型界面处形成的气相成分主要有Ｈ２Ｏ、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２，还有少量的Ｎ２和ＮＨ４等。铸型表面残留的固体碳将继续与气相发生相互作用同样可得出其余反应式的平衡常数，它们与温度的关系如表７-所示。由表可见，在高温平衡状态下，液态金属与铸型界面处气相成分中Ｈ２和ＣＯ含量较高，ＣＯ２含量较少。铸型内气体的成分在不同的铸型内浇注铁液后，铸型内气体成分与浇注后停留时间的关系如图７-４所示。可见，铸型内气相的成分主要是Ｈ２、ＣＯ和ＣＯ２，在含氮的树脂砂型有机物铸型因热分解速度比无机物铸型快得多，所以浇注后Ｏ２含量迅速降低，Ｈ２含量迅速上升；无机物铸型则由含Ｏ２、ＣＯ２较高的氧化性气氛转变为以Ｈ２和ＣＯ为主的还原性气氛。此外，浇注温度越高，铸型自由碳越多，越有利于还原气氛的形成；反之，Ｎ２及氧化性气体ＣＯ２、Ｏ２含量较高，而Ｈ２、Ｃ