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氢元素对铝合金的影响研究

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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 本文讨论了铝和铝合金熔体中氢的来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提供依据,从而控制熔体中的氢含量,改善合金的性能。
关键词 铝合金 氢元素 轻金属 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，日益需求高强、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之首位，但主要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要有以下几个途径：
(1)未经充分干燥的铝锭，精炼剂，覆盖剂，变质剂，炉衬，坩埚，未充分脱水的气体，工具上的涂料，流槽覆盖的耐火棉等，这些来源的水将与铝液按2Al(1)+3H2O=A12O3(s)+6[H]AL形式反应生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，如A12O3·H2O，A12O3·3H2O及Al(OH)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)车间空气中的水分(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]。
氢在铝中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，氢在固态铝中的溶解度要比同温度下液态铝中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中形成线带，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]。
三 氢元素的测量
含气量的测定有许多方法，可根据测定目的分别采用。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出，会在合金液面冒出许多小气泡。因此，可在炉前浇注试样，根据合金液面是否冒泡或冒泡多少来大致判断铝合金中的相对含气量，试样铸型采用干型、耐火砖、石墨型或金属型均可，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中的变化。当铝液中的含气量较多时，用肉眼可见有细小气泡冒出，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，如果没有小气泡冒出，即可认为精炼合格。
(2)断口分析法，采用砂型浇注tp30x150mm圆棒试样，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。如果合金中含气量较多，断口上会出现许多白点。一种白点是孤立的圆点状，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晶所构成，断口上肉眼所看到的是枝晶，呈白色。减压凝固检验法减压凝固检验法比常压凝固检验法灵敏，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lOOg左右合金液，倒入经过预热的小坩埚内，对后迅速将其放入测试装置的减压室内，立即启动真空泵，使试样保持一定的真空度(6--50ram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，反之说明含气量越小。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氢，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，这些方法皆有或产生有毒气体，严重损坏工人健康,身体会受到这些有毒气体的刺激性。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+
质子导体管 正极：2[H]++2e=H2
电池反应：2[H]+=H2
利用短路法和直流电压法对铝液进行抽氢，用质子导体氢传感法跟踪监测脱氢效果，实验结果表明，在765℃下用短路法可将铝液中的氢含量由7．984ml／1009Al降至0．15ml／1009Al；在一般的直流电压下的脱氢。在7880C下将铝流中的氢由3．838ml／1009Al降至0．164ml／1009A1。通过实验的探索，说明用质子导电固体电解质方法进行铝液脱氢是可行的，采取措施改善热力学条件和动力学条件，能将铝液中氢降至高质量铝合金对氢含量的要求。
五 铝合金发展前景展望
航空、航天等高新技术的发展对铝合金的性能提出了越来越高的要求，铝合金正朝着高比强、高比模、高损伤容限和耐热、耐蚀方向发展，而微合金化一直是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重要手段，成为当今国内外材料界关注的热点。近年来尽管在此方面已进行了大量的探索，并取得了重要进展，但微量元素在铝合金中的存在形式及作用机制仍存在较大争议和分歧。继续开展此方面的研究，不断积累有关资料和数据，并从理论上加以总结和深化，对于改善现有合金的性能和设计新材料都有很大意义。[5]。
参 考 文 献
1.王常珍，王东，刘春明等。铝及铝合金熔体脱氢及测氢[M]论坛文集2007。
2.蒋光锐,刘源,李言祥。铝合金熔体中氢溶解度的计算模型[N]2008,
Vol．44 ,NO．2。
3.张宇，宋仁国。7075铝合金氢脆敏感性研究[J]2003。
4.谢绍俊，王兴其。铝合金固态氢的检测[J]铝加工 2001，Vol．24，N_05。
5.陈志国，杨文玲，王诗勇等。微合金化铝合金的研究进展[J]稀有金属材料与工程 2010,Vol．39，No．8.

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