氫元素對(duì)鋁合金的影響研究

1、氫元素對(duì)鋁合金的影響爭(zhēng)辯寧剛 王創(chuàng) 李國(guó)旭 陳飛峰 謝昊坤 朱明超（材料與冶金學(xué)院 2014-3）摘要 本文爭(zhēng)辯了鋁和鋁合金熔體中氫的來(lái)源及對(duì)制品的危害性，氫含量的測(cè)定方法以及如何去除合金中的氫元素。金屬中含有氫氣對(duì)金屬材料的組織性能危害較大,所以要準(zhǔn)時(shí)了解鋁及鋁合金在熔煉和靜止過(guò)程中引起氫含量變化的各種因素,給實(shí)行適當(dāng)?shù)某龤獯胧┕?yīng)依據(jù),從而把握熔體中的氫含量,改善合金的性能。關(guān)鍵詞 鋁合金 氫元素 輕金屬 材料一 概述 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展和國(guó)防建設(shè)及宇宙空間探究的需要，日益需求高強(qiáng)、高韌、耐磨、耐腐蝕等高性能的鋁合金，以應(yīng)用于高速列車(chē)、噴氣飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、宇宙飛船、艦艇、快艇等機(jī)身和部件

2、。電子工業(yè)的高、低壓容器，精密儀表，記憶磁盤(pán)的支撐結(jié)構(gòu)等部件也需要優(yōu)質(zhì)鋁合金1。我國(guó)鋁合金生產(chǎn)企業(yè)數(shù)具世界之首位，但主要應(yīng)用于建設(shè)工業(yè)及民用電器的外殼。優(yōu)質(zhì)鋁材和鋁板多依靠進(jìn)口，消費(fèi)了巨額外匯且受制于人。二 氫的來(lái)源和對(duì)鋁合金的危害鋁和鋁合金中氫的來(lái)源主要有以下幾個(gè)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(lái)源的水將與鋁液按2Al(1)+3H2O=A12O3(s)+6HAL形式反應(yīng)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(shí)產(chǎn)生的水和燃料燃燒時(shí)生成的水分，也將如上反應(yīng)生成氫；(3)車(chē)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(shí)產(chǎn)生氫2。氫在鋁中的溶解度隨著溫度的上升而加大，當(dāng)液態(tài)鋁和固態(tài)鋁平衡共存時(shí)，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(dāng)液態(tài)鋁和鋁合金凝固時(shí)析出的氫來(lái)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(guò)程中形成線(xiàn)帶，使成品和板材組織疏松，降低了氣密性并使強(qiáng)度和韌性降低，造成嚴(yán)峻后果和隱患3。三 氫元素的測(cè)量含氣量的測(cè)定有很多方法，可依據(jù)測(cè)定目的分別接受。各種測(cè)定方法的測(cè)定原理、測(cè)定精度、測(cè)定對(duì)

4、象、測(cè)定時(shí)間、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等都有差別。下面對(duì)常用于爐前分析的主要測(cè)定方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。常壓凝固檢驗(yàn)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(guān)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(guò)程中析出，會(huì)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(lái)大致推斷鋁合金中的相對(duì)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(yù)熱以去除水分，避開(kāi)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(guān)看試樣表面在凝固過(guò)程中的變化。當(dāng)鋁液中的含氣量較多時(shí)，用肉眼可

5、見(jiàn)有細(xì)小氣泡冒出，向細(xì)小白點(diǎn)，而且越接近凝固溫度氣泡越多。接受于砂型澆注試樣時(shí)，假如沒(méi)有小氣泡冒出，即可認(rèn)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(zhǎng)度12處擊斷，觀(guān)看和分析斷口狀態(tài)。假如合金中含氣量較多，斷口上會(huì)消滅很多白點(diǎn)。一種白點(diǎn)是孤立的圓點(diǎn)狀，實(shí)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(guān)看，可以看出白點(diǎn)的孔壁由枝晶所構(gòu)成，斷口上肉眼所看到的是枝晶，呈白色。減壓凝固檢驗(yàn)法減壓凝固檢驗(yàn)法比常壓凝固檢驗(yàn)法靈敏，不受大氣濕度影響，測(cè)試裝置并不格外簡(jiǎn)單，因此在生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

6、減壓凝固檢驗(yàn)法 測(cè)試裝置由真空泵，真空室，壓力計(jì)，和馬達(dá)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(guò)預(yù)熱的小坩堝內(nèi)，對(duì)后快速將其放入測(cè)試裝置的減壓室內(nèi)，馬上啟動(dòng)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(kāi)頭凝固。由于有大量氣體析出，使試樣表面上漲凸起，此時(shí)留意觀(guān)看凝固過(guò)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(cè)量試樣在減壓凝固時(shí)的上漲高度，試樣上漲越高，說(shuō)明含氣量越大，反之說(shuō)明含氣量越小。此外還可以通過(guò)測(cè)定試樣比重來(lái)精確計(jì)算合金含氣量4。四 氫元素的去除在脫氫技術(shù)上，國(guó)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(guò)程中增氫。為提高除氫效果，有些工廠(chǎng)常接受聯(lián)合精煉工藝，或用氯化物、氟化物、硝酸鹽等溶濟(jì)法脫氫，這些方法皆有或產(chǎn)生有毒氣體，嚴(yán)峻損壞工人健康,身體會(huì)受到這些有毒氣體的刺激性。惡化環(huán)境、腐蝕設(shè)備，不符合綠色生產(chǎn)要求。綜上所述，進(jìn)行無(wú)污染脫氫的應(yīng)用基礎(chǔ)爭(zhēng)辯和試驗(yàn)爭(zhēng)辯，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行了鋁熔體脫氫爭(zhēng)辯。電池反應(yīng)為：鋁熔體 負(fù)極：2H+2e=2H+質(zhì)子導(dǎo)體管 正極：2H+2e=H2電池反應(yīng)：2H+=H2 利用短路法和直流電壓法對(duì)鋁液進(jìn)行抽氫，用質(zhì)子導(dǎo)體氫傳感法跟蹤監(jiān)測(cè)脫氫效果，試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)的探究，說(shuō)明用質(zhì)子導(dǎo)電固體電解質(zhì)方法進(jìn)行鋁液脫氫是可行的，實(shí)行措施改善熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件，能將鋁液中氫降至高質(zhì)量鋁合金對(duì)氫含量的要求。五 鋁合金進(jìn)展前景展望航空、航天等高新技術(shù)的進(jìn)展對(duì)鋁合金的性能提出了越來(lái)越高的要求，鋁合金正朝著高比強(qiáng)、高比模、高損傷容限和耐熱、耐蝕方向進(jìn)展，而微合金化始終是挖掘合金潛力、改善合金性能并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型鋁合金的重要手段，成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外材料界關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來(lái)盡管在此方面已進(jìn)行了大量的探究，并取得了重要進(jìn)展，但微量元素在鋁合金中的存在形式及作用機(jī)制仍存在較大爭(zhēng)議和分歧。連續(xù)開(kāi)展此方面的爭(zhēng)辯，不斷積累有關(guān)資料和數(shù)據(jù)，并從理論上加以總結(jié)和深化，對(duì)于改善現(xiàn)有合金的性能和設(shè)計(jì)新材料都有很大意義。5。參 考 文 獻(xiàn) 1.王常珍，王東，劉春明等。鋁及鋁合金熔體脫氫及測(cè)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(jì)算模型N2008, Vo