Research methods on the reaction kinetics of metallurgical reaction engineering
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摘要: 冶金物理化学中反应动力学的方法已经成功地在冶金学（如黑色冶金、有色冶金等）中得到了应用，并成为传统的冶金学学科体系中一个重要的理论基础，其研究方法已经非常的完善，形成了独自的结构和体系.冶金反应工程学的重要任务之一是要对冶金工程进行模拟，要准确地得到反应过程的机理和不同控制环节转换时间点，因此，冶金物理化学中冶金反应动力学的研究方法和结果并不完全适合于冶金反应工程学.为给在冶金反应工程学中求解传输和化学反应方程的定解条件提供必要的传输与反应过程动力学参数和不同控制环节的转换时间点，提出了用分段尝试法研究冶金反应过程动力学的新思路，并对比了2种方法和得到的结果及对分段尝试法进一步的发展进行了讨论.分段尝试法作为冶金反应工程学中研究反应过程动力学的方法，既可满足冶金反应工程学的自身需要，又能为建立独立的冶金反应工程学学科体系提供必要的保障.
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关键词:
- 冶金反应工程学学科 /
- 反应过程动力学 /
- 分段尝试法 /
- 传输和反应过程动力学参数
Abstract: Reaction kinetics of metallurgical physical chemistry which was successfully applied in metallurgy(as ferrous metallurgy、non-ferrous metallurgy) became an important theoretical foundation for subject system of traditional metallurgy. Not only the research methods were very perfect, but also the independent structures and systems of it had been formed. One of the important task of metallurgical reaction engineering was the simulation of metallurgical process, then the mechanism of reaction process and the conversion time of different control links should be obtained accurately. Therefore, the methods and results of reaction kinetics in metallurgical physical chemistry were not very suitable for metallurgical reaction engineering. In order to provide necessary transmission and reaction kinetics parameters as well as the conversion time of different control links for definite conditions of solving transmission and reaction equations in metallurgical reaction engineering, a new idea for researching kinetics mechanisms in metallurgical reaction engineering by employing sectional method was proposed. Then the comparison of results between the two methods and the further development of sectional method were discussed in this paper. As a research method for reaction kinetics in metallurgical reaction engineering, sectional method could not only satisfy the self needs of metallurgical reaction engineering, but also provide necessary guarantees for establishing its independent subject system. -
铅黄铜价格低廉, 性能优良, 广泛用于水暖卫浴系统, 但由于近些年环保要求, 铅黄铜的无铅化成为热门的研究课题之一[1-4].使用铋代替铅黄铜中的铅来提高铜合金的切削性能是近些年无铅铜合金的热门研究方向之一[5-7].铋的加入量超过1.0wt%时, 铋很容易以薄膜状分布在晶界或者相界[8-9], 从而很容易热裂, 同时也大大降低其力学性能.铋的加入量较少时, 合金的热裂趋向较小, 但是易切削合金的切削性能较差, 生产效率低, 刀具使用寿命大大缩短.采用硅代替铅是铅黄铜无铅化的途径之一, 广东工业大学庞晋山等人加入硅到黄铜中, 通过变质处理得到含有β相和弥散的γ相, 从而提高黄铜的切削性能[10], 但是所制备的硅黄铜由于硅含量较高, 在抛光工序中容易出现硬质点, 从而产生划痕, 严重影响产品的外观和电镀性能.
为了使铋黄铜具有良好的切削性能、力学性能、抛光性能及电镀性能, 笔者降低铋的加入量, 通过加入一定量的硅, 来提高易切削铋黄铜中的β相比例, 从而提高合金的切削性能.通过对不同硅加入量的铋黄铜力学性能及切削性能测试, 得出硅对铋黄铜性能的影响规律, 为制备性能优良的铋黄铜提供参考依据.
1 试验方法
合金的化学成分如表 1所示.各成分铸锭经线切割机切割, 砂纸打磨, 绒布抛光, 室温下用3%FeCl3溶液腐蚀30s后用PHILIPS-XL30型扫描电子显微镜对组织进行分析.
表 1 合金的化学成分（质量分数）/%
挤压锭用300T立式挤压机挤压成Φ16mm的圆棒, 用拉床拉制成Φ14.1mm的圆棒, 用WDW3200型电子拉伸机拉伸, 测量其抗拉强度、延伸率及断面收缩率.
采用C6136卧式普通车床进行车削试验, 车削试验工艺为主轴转速为1400r/min, 进给速度为0.05mm/r, 切削深度为0.4mm, 刀具前角为4°的车削工艺进行切削, 然后通过对碎屑进行比较得出切削难易程度.
2 实验结果与分析
2.1 硅对铋黄铜组织的影响
通过对不含硅的1#试样与含硅(质量分数)1.0%的5#试样用扫描电子显微镜对其组织进行观察对比, 如图 1所示.图 1中凹陷部分为β相, 凸起部分为α相, 从图 1中可以清晰看出加入硅后β相明显增多, α相明显减少.
铜锌合金中加入其他合金元素后产生的相区移动可由“虚拟锌含量”X来判断.X表示加入其他合金元素后, 相当于铜锌二元合金中的锌含量.
式中, A、B分别为特殊黄铜中锌、铜的实际含量, ΣCK为除锌外的合金元素的实际含量(C, wt%)和该元素的锌当量(K)的乘积总和[11].
硅的锌当量为10, 使Cu-Zn相图的β相区大大左移, 故加入少量的硅就能提高合金的强度和硬度.所以出现随着硅的含量的增加, 材料的伸长率与断面收缩率减小.
2.2 硅对铋黄铜合金力学性能的影响
图 2是硅含量对伸长率、抗拉强度及断面收缩率影响规律, 各样品硅含量(wt%)分别为0.3、0.5、0.7、1.0.从图 2可以看出, 随着硅的含量的增加, 材料的伸长率、断面收缩率均显著下降, 但材料的抗拉强度增加, 这表明加入硅材料的强度增加, 但材料的塑性降低.这是因为硅使Cu-Zn相图的β相区大大左移, 所以当锌含量一样的情况下, 随着硅的加入量增多, β相增多, 而β相的强度和硬度比α相大, 塑性比α相小, 因此铋黄铜的伸长率、断面收缩率随着硅含量的增加而下降, 而材料的抗拉强度随着硅含量的增加而增加.
2.3 硅对铋黄铜切削性能的影响
图 3是不同硅含量的试样进行车削的断屑图.图 3表明随着硅的含量的增加, 材料的断屑越细小, 材料的切削性能越好, 切削性能的改善也归功于铋黄铜中的β相增多.
3 结论
通过对不同硅含量的铋黄铜的组织、力学性能、切削性能研究, 得出以下结论:
(1) 硅的加入使铋黄铜中的β相比例增加, α相比例减少;
(2) 随着硅的含量增加, β相比例增多, 而β相的强度和硬度比α相大, 塑性比α相小, 因此铋黄铜的伸长率、断面收缩率随着硅含量的增加而下降, 而材料的抗拉强度随着硅含量的增加而增加;
(3) 铋黄铜的切削性能随着硅含量的增加而增加; 硅含量越高越易断屑.
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期刊类型引用(1)
1. 冉剑锋，吕鹏，姚家舒，李亚丽，张良静，尹少华，张利波. 微波加热在稀土冶金与新材料合成的研究进展. 矿产保护与利用. 2020(05): 37-43 . 
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