氫元素對鋁合金的影響研究報告

1、-. z.氫元素對鋁合金的影響研究寧剛王創(chuàng)李國旭陳飛峰謝昊坤朱明超材料與冶金學(xué)院 2014-3摘要本文討論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,所以要及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,給采取適當(dāng)?shù)某龤獯胧┨峁┮罁?jù),從而控制熔體中的氫含量,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民經(jīng)濟(jì)的開展和國防建立及宇宙空間探索的需要，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、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。電子工業(yè)的高、低

2、壓容器，精細(xì)儀表，記憶磁盤的支撐構(gòu)造等部件也需要優(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(yīng)用于建立工業(yè)及民用電器的外殼。優(yōu)質(zhì)鋁材和鋁板多依賴進(jìn)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)充分枯燥的鋁錠，精煉劑，覆蓋劑，變質(zhì)劑，爐襯，坩堝，未充分脫水的氣體，工具上的涂料，流槽覆蓋的耐火棉等，這些來源的水將與鋁液按2Al(1)+3H2O=A12O3(s)+6HAL形式反響生成原子態(tài)氫溶于鋁液；(2)爐料和浮渣的含水物質(zhì)及氫氧化物，如A12O3H2O，A12O33H2O及Al(OH)3等，在加熱時產(chǎn)生的水和燃料燃燒時生成的水

3、分，也將如上反響生成氫；(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升高而加大，當(dāng)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(dāng)液態(tài)鋁和鋁合金凝固時析出的氫來不及擴(kuò)散、迅速逸出，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(qiáng)度和韌性降低，造成嚴(yán)重后果和隱患3。三氫元素的測量含氣量的測定有許多方法，可根據(jù)測定目的分別采用。各種測定方法的測定原理、測定精度、測定對象、測定時間、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等都有差

4、異。下面對常用于爐前分析的主要測定方法進(jìn)展簡要介紹。常壓凝固檢驗法合金在常壓下凝固，根據(jù)試樣液面特征和斷口狀態(tài)判斷含氣量。(1)液面觀察法，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，會在合金液面冒出許多小氣泡。因此，可在爐前澆注試樣，根據(jù)合金液面是否冒泡或冒泡多少來大致判斷鋁合金中的相對含氣量，試樣鑄型采用干型、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，防止合金液吸氣。合金精煉處理后即可澆注試樣，輕輕刮去試樣液外表浮渣和氧化皮，露出光亮液面后觀察試樣外表在凝固過程中的變化。當(dāng)鋁液中的含氣量較多時，用肉眼可見有細(xì)小氣泡冒出，向細(xì)小白點，而且越接近凝固溫度

5、氣泡越多。采用于砂型澆注試樣時，如果沒有小氣泡冒出，即可認(rèn)為精煉合格。(2)斷口分析法，采用砂型澆注tp30*150mm圓棒試樣，凝固后取出激冷致室溫，在試樣長度12處擊斷，觀察和分析斷口狀態(tài)。如果合金中含氣量較多，斷口上會出現(xiàn)許多白點。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。用顯微鏡觀察，可以看出白點的孔壁由枝晶所構(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，測試裝置并不十分復(fù)雜，因此在生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。減壓凝固檢驗法測試裝置由真空泵，真空室，壓力計，

6、和馬達(dá)等局部組成，合金經(jīng)精煉處理后，取lOOg左右合金液，倒入經(jīng)過預(yù)熱的小坩堝內(nèi)，對后迅速將其放入測試裝置的減壓室內(nèi)，立即啟動真空泵，使試樣保持一定的真空度(6-50ram汞柱)，約1分鐘左右試樣開場凝固。由于有大量氣體析出，使試樣外表上漲凸起，此時注意觀察凝固過程中氣泡析出情況和試樣外表狀態(tài)，即可大致判斷出精煉效果。為了獲得合金含氣量的比擬值，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準(zhǔn)確計算合金含氣量4。四氫元素的去除在脫氫技術(shù)上，國內(nèi)多采用吹氣法攜帶脫氫，吹入的N2氣或Ar氣常因氣體未凈化脫水，含水量高，反而使在除氫

7、過程中增氫。為提高除氫效果，有些工廠常采用聯(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)重?fù)p壞工人安康,身體會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)展無污染脫氫的應(yīng)用根底研究和實驗研究，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。在實驗室條件下進(jìn)展了鋁熔體脫氫研究。電池反響為：鋁熔體負(fù)極：2H+2e=2H+質(zhì)子導(dǎo)體管正極：2H+2e=H2電池反響：2H+=H2利用短路法和直流電壓法對鋁液進(jìn)展抽氫，用質(zhì)子導(dǎo)體氫傳感法跟蹤監(jiān)測脫氫效果，實驗結(jié)果說明，在765下用短路法可將鋁液中的氫含量由7984ml1009Al降至015ml1009Al；

8、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。通過實驗的探索，說明用質(zhì)子導(dǎo)電固體電解質(zhì)方法進(jìn)展鋁液脫氫是可行的，采取措施改善熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件，能將鋁液中氫降至高質(zhì)量鋁合金對氫含量的要求。五鋁合金開展前景展望航空、航天等高新技術(shù)的開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(qiáng)、高比模、高損傷容限和耐熱、耐蝕方向開展，而微合金化一直是挖掘合金潛力、改善合金性能并進(jìn)一步開發(fā)新型鋁合金的重要手段，成為當(dāng)今國內(nèi)外材料界關(guān)注的熱點。近年來盡管在此方面已進(jìn)展了大量的探索，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)制仍存在較大爭議和分歧。繼續(xù)開展此方面的研究，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，對于改善現(xiàn)有合金的性能和設(shè)計新材料都有很大意義。5。參考文獻(xiàn)1.王常珍，王東，*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,*源,李言祥。鋁合金熔體中氫溶解度的計算模型N2008,