氫元素對鋁合金的影響研究

1、氫元素對鋁合金的影響爭辯寧剛 王創(chuàng) 李國旭 陳飛峰 謝昊坤 朱明超（材料與冶金學院 2014-3）摘要 本文爭辯了鋁和鋁合金熔體中氫的來源及對制品的危害性，氫含量的測定方法以及如何去除合金中的氫元素。金屬中含有氫氣對金屬材料的組織性能危害較大,所以要準時了解鋁及鋁合金在熔煉和靜止過程中引起氫含量變化的各種因素,給實行適當?shù)某龤獯胧┕罁?jù),從而把握熔體中的氫含量,改善合金的性能。關鍵詞 鋁合金 氫元素 輕金屬 材料一 概述 隨著國民經(jīng)濟的進展和國防建設及宇宙空間探究的需要，日益需求高強、高韌、耐磨、耐腐蝕等高性能的鋁合金，以應用于高速列車、噴氣飛機、火箭、導彈、宇宙飛船、艦艇、快艇等機身和部件

2、。電子工業(yè)的高、低壓容器，精密儀表，記憶磁盤的支撐結(jié)構等部件也需要優(yōu)質(zhì)鋁合金1。我國鋁合金生產(chǎn)企業(yè)數(shù)具世界之首位，但主要應用于建設工業(yè)及民用電器的外殼。優(yōu)質(zhì)鋁材和鋁板多依靠進口，消費了巨額外匯且受制于人。二 氫的來源和對鋁合金的危害鋁和鋁合金中氫的來源主要有以下幾個途徑：(1)未經(jīng)充分干燥的鋁錠，精煉劑，掩蓋劑，變質(zhì)劑，爐襯，坩堝，未充分脫水的氣體，工具上的涂料，流槽掩蓋的耐火棉等，這些來源的水將與鋁液按2Al(1)+3H2O=A12O3(s)+6HAL形式反應生成原子態(tài)氫溶于鋁液；(2)爐料和浮渣的含水物質(zhì)及氫氧化物，如A12O3·H2O，A12O3·3H2O及Al(OH

3、)3等，在加熱時產(chǎn)生的水和燃料燃燒時生成的水分，也將如上反應生成氫；(3)車間空氣中的水分(尤其空氣濕度大的地區(qū))，地面上的水，將使鋁液澆鑄或熔鑄成板材、帶材時產(chǎn)生氫2。氫在鋁中的溶解度隨著溫度的上升而加大，當液態(tài)鋁和固態(tài)鋁平衡共存時，氫在固態(tài)鋁中的溶解度要比同溫度下液態(tài)鋁中的溶解度小近二十倍，因此當液態(tài)鋁和鋁合金凝固時析出的氫來不及集中、快速逸出，從而使鑄件生成大量氣眼，氣孔等缺陷，而在鑄件壓延加工過程中形成線帶，使成品和板材組織疏松，降低了氣密性并使強度和韌性降低，造成嚴峻后果和隱患3。三 氫元素的測量含氣量的測定有很多方法，可依據(jù)測定目的分別接受。各種測定方法的測定原理、測定精度、測定對

4、象、測定時間、惡劣環(huán)境的適應性和經(jīng)濟性等都有差別。下面對常用于爐前分析的主要測定方法進行簡要介紹。常壓凝固檢驗法 合金在常壓下凝固，依據(jù)試樣液面特征和斷口狀態(tài)推斷含氣量。(1)液面觀看法，在常壓下，隨著鋁液溫度降低，氣體在合金中的溶解度下降并在凝固過程中析出，會在合金液面冒出很多小氣泡。因此，可在爐前澆注試樣，依據(jù)合金液面是否冒泡或冒泡多少來大致推斷鋁合金中的相對含氣量，試樣鑄型接受干型、耐火磚、石墨型或金屬型均可，使用前充分預熱以去除水分，避開合金液吸氣。合金精煉處理后即可澆注試樣，輕輕刮去試樣液表面浮渣和氧化皮，露出光亮液面后觀看試樣表面在凝固過程中的變化。當鋁液中的含氣量較多時，用肉眼可

5、見有細小氣泡冒出，向細小白點，而且越接近凝固溫度氣泡越多。接受于砂型澆注試樣時，假如沒有小氣泡冒出，即可認為精煉合格。(2)斷口分析法，接受砂型澆注tp30x150mm圓棒試樣，凝固后取出激冷致室溫，在試樣長度12處擊斷，觀看和分析斷口狀態(tài)。假如合金中含氣量較多，斷口上會消滅很多白點。一種白點是孤立的圓點狀，實際是針孔的孔穴，孔穴圓而光滑；另一種成碎片狀，與前一種相比面積較大，看不出明顯的孔穴。用顯微鏡觀看，可以看出白點的孔壁由枝晶所構成，斷口上肉眼所看到的是枝晶，呈白色。減壓凝固檢驗法減壓凝固檢驗法比常壓凝固檢驗法靈敏，不受大氣濕度影響，測試裝置并不格外簡單，因此在生產(chǎn)中也得到了廣泛的應用。

6、減壓凝固檢驗法 測試裝置由真空泵，真空室，壓力計，和馬達等部分組成，合金經(jīng)精煉處理后，取lOOg左右合金液，倒入經(jīng)過預熱的小坩堝內(nèi)，對后快速將其放入測試裝置的減壓室內(nèi)，馬上啟動真空泵，使試樣保持肯定的真空度(6-50ram汞柱)，約1分鐘左右試樣開頭凝固。由于有大量氣體析出，使試樣表面上漲凸起，此時留意觀看凝固過程中氣泡析出狀況和試樣表面狀態(tài)，即可大致推斷出精煉效果。為了獲得合金含氣量的比較值，可以測量試樣在減壓凝固時的上漲高度，試樣上漲越高，說明含氣量越大，反之說明含氣量越小。此外還可以通過測定試樣比重來精確計算合金含氣量4。四 氫元素的去除在脫氫技術上，國內(nèi)多接受吹氣法攜帶脫氫，吹入的N2

7、氣或Ar氣常因氣體未凈化脫水，含水量高，反而使在除氫過程中增氫。為提高除氫效果，有些工廠常接受聯(lián)合精煉工藝，或用氯化物、氟化物、硝酸鹽等溶濟法脫氫，這些方法皆有或產(chǎn)生有毒氣體，嚴峻損壞工人健康,身體會受到這些有毒氣體的刺激性。惡化環(huán)境、腐蝕設備，不符合綠色生產(chǎn)要求。綜上所述，進行無污染脫氫的應用基礎爭辯和試驗爭辯，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。在試驗室條件下進行了鋁熔體脫氫爭辯。電池反應為：鋁熔體 負極：2H+2e=2H+質(zhì)子導體管 正極：2H+2e=H2電池反應：2H+=H2 利用短路法和直流電壓法對鋁液進行抽氫，用質(zhì)子導體氫傳感法跟蹤監(jiān)測脫氫效果，試驗結(jié)果表明，在765下用短路法可將鋁液中的氫

8、含量由7984ml1009Al降至015ml1009Al；在一般的直流電壓下的脫氫。在7880C下將鋁流中的氫由3838ml1009Al降至0164ml1009A1。通過試驗的探究，說明用質(zhì)子導電固體電解質(zhì)方法進行鋁液脫氫是可行的，實行措施改善熱力學條件和動力學條件，能將鋁液中氫降至高質(zhì)量鋁合金對氫含量的要求。五 鋁合金進展前景展望航空、航天等高新技術的進展對鋁合金的性能提出了越來越高的要求，鋁合金正朝著高比強、高比模、高損傷容限和耐熱、耐蝕方向進展，而微合金化始終是挖掘合金潛力、改善合金性能并進一步開發(fā)新型鋁合金的重要手段，成為當今國內(nèi)外材料界關注的熱點。近年來盡管在此方面已進行了大量的探究，并取得了重要進展，但微量元素在鋁合金中的存在形式及作用機制仍存在較大爭議和分歧。連續(xù)開展此方面的爭辯，不斷積累有關資料和數(shù)據(jù)，并從理論上加以總結(jié)和深化，對于改善現(xiàn)有合金的性能和設計新材料都有很大意義。5。參 考 文 獻 1.王常珍，王東，劉春明等。鋁及鋁合金熔體脫氫及測氫M論壇文集2007。2.蔣光銳,劉源,李言祥。鋁合金熔體中氫溶解度的計算模型N2008, Vo