氢元素对铝合金的影响研究

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1、氢元素对铝合金的影响研究宁刚王创李国旭陈飞峰谢昊坤朱明超(材料与冶金学院2014-3)摘要木文讨论了铝和铝合金熔体中氢的來源及对制品的危害性，氢含量的测定方法以及如何去除合金中的氢元素。金属中含有氢气对金属材料的组织性能危害较大，所以要及时了解铝及铝合金在熔炼和静止过程中引起氢含量变化的各种因素，给采取适当的除气措施捉供依据，从而控制熔体屮的氢含量，改善合金的性能。关键词铝合金氢元素轻金屈材料一概述随着国民经济的发展和国防建设及宇宙空间探索的需要，H益需求高强、高韧、耐磨、耐腐蚀等高性能的铝合金，以应用于高速列车、喷气

2、飞机、火箭、导弹、宇宙飞船、舰艇、快艇等机身和部件。电子工业的高、低压容器，精密仪表,记忆磁盘的支撑结构等部件也需要优质铝合金[1]。我国铝合金生产企业数具世界Z首位，但主耍应用于建设工业及民用电器的外壳。优质铝材和铝板多依赖进口，消费了巨额外汇且受制于人。二氢的来源和对铝合金的危害铝和铝合金中氢的来源主耍有以下几个途径：(1)未经充分干燥的铝锭，精炼剂，覆盖剂，变质剂，炉衬，堆埸，未充分脱水的气体，工具上的涂料，流槽覆盖的耐火棉等，这些來源的水将与铝液按2A1(1)+3H20二A1203(s)+6[H]AL形式反应生

3、成原子态氢溶于铝液；(2)炉料和浮渣的含水物质及氢氧化物,Al203-H20,Al203-3H20RM(0H)3等，在加热时产生的水和燃料燃烧时生成的水分，也将如上反应生成氢；(3)车间空气小的水分(尤其空气湿度大的地区)，地面上的水，将使铝液浇铸或熔铸成板材、带材时产生氢［2］。氢在铝小的溶解度随着温度的升高而加大，当液态铝和固态铝平衡共存时，氢在I占I态铝屮的溶解度要比同温度下液态铝屮的溶解度小近二十倍，因此当液态铝和铝合金凝固时析出的氢来不及扩散、迅速逸出，从而使铸件生成大量气眼，气孔等缺陷，而在铸件压延加工过程

4、屮形成线带，使成品和板材组织疏松，降低了气密性并使强度和韧性降低，造成严重后果和隐患［3］o三氢元素的测量含气量的测定有许多方法，可根据测定口的分别采用。各种测定方法的测定原理、测定精度、测定对象、测定时间、恶劣环境的适应性和经济性等都有差别。下面对常用于炉前分析的主要测定方法进行简要介绍。常压凝固检验法合金在常压下凝固，根据试样液面特征和断口状态判断含气量。(1)液面观察法，在常压下，随着铝液温度降低，气体在合金中的溶解度下降并在凝固过程中析岀，会在合金液面冒出许多小气泡。I大I此，可在炉前浇注试样，根据合金液面是否

5、冒泡或冒泡多少来大致判断铝合金屮的相对含气量，试样铸型采用干型、耐火砖、石墨型或金屈型均可，使用前充分预热以去除水分，避免合金液吸气。合金精炼处理后即可浇注试样，轻轻刮去试样液表面浮渣和氧化皮，露出光亮液面后观察试样表面在凝固过程屮的变化。当铝液小的含气量较多吋，用肉眼可见有细小气泡冒岀，向细小白点，而且越接近凝固温度气泡越多。采用于砂型浇注试样时，如果没有小气泡冒岀，即可认为精炼合格。⑵断II分析法，采用砂型浇注tp30xl50mmI员I棒试样，凝固后取出激冷致室温，在试样长度1/2处击断，观察和分析断口状态。如果合

6、金屮含气量较多，断口上会出现许多口点。一种口点是孤立的圆点状，实际是针孔的孔穴，孔穴圆而光滑；另一种成碎片状，与前一种相比面积较大，看不出明显的孔穴。用显微镜观察，可以看出白点的孔壁由枝品所构成，断口上肉眼所看到的是枝品，呈片色。减压凝固检验法减压凝固检验法比常圧凝固检验法灵敬,不受大气湿度影响,测试装置并不十分复杂，因此在生产中也得到了广泛的应用。减压凝固检验法测试装置由真空泵，真空室，压力计，和马达等部分组成,合金经精炼处理后，取100g左右合金液，倒入经过预热的小北璃内，对后迅速将其放入测试装置的减压室内，立即启

7、动真空泵，使试样保持一定的真空度（6—50mm汞柱），约1分钟左右试样开始凝固。由于有大量气体析出，使试样表面上涨凸起，此时注意观察凝固过程中气泡析出情况和试样表面状态，即可大致判断出精炼效果。为了获得合金含气量的比较值，可以测量试样在减压凝固时的上涨高度，试样上涨越高，说明含气量越大，反Z说明含气量越小。此外还可以通过测定试样比重来精确计算合金含气量[4]。四氢元素的去除在脱氢技术上，国内多采用吹气法携带脱氮，吹入的N2气或Ar气常因气体未净化脱水，含水量高，反而使在除氢过程中增氢。为提高除氢效果，有些工厂常采用联合

8、精炼工艺，或用氯化物、氟化物、硝酸盐等溶济法脱氢，这些方法皆冇或产生冇毒气体，严重损坏工人健康，身体会受到这些冇毒气体的刺激性。恶化环境、腐蚀设备，不符合绿色生产要求。综上所述，进行无污染脱氢的应用基础研究和实验研究，具有重要的理论和现实意义。在实验室条件下进行了铝熔体脱氢研究。电池反应为：铝熔体负极:2[H]++2e=2H+质子