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铝合金铸件形成气孔的氢气的来源与析出详解

作者:陈老师     更新时间:2012/4/21     点击次数:

    铝合金中气孔的产生,是由于铝合金吸气而形成的,但气体分子状态的气体一般不能溶解于合金液中,只有当气体分子分解为活性原子时,才有可能溶解。合金液中气体能溶解的数量多少,不仅与分子是否容易分解为活性原子有关,还直接与气体原子类别有关。

    在铝合金熔炼过程中,通常接触的炉气有:氢气、氧气、水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等,这些气体主要是由燃料燃烧后产生的,而耐火材料、金属炉料及熔剂、与气体接触的工具等也可以带入一定量的气体,如新砌的炉衬、炉子的耐火材料、坩埚等,通常需要使用几天或几周的时间,其化学结合的氢才能充分从粘结剂中释放出来。

    一般而言,炉气成分是由燃料种类以及空气量来决定的。普通焦炭坩埚炉,炉气成分主要为二氧化碳、二氧化硫和氮气;煤气、重油坩埚炉主要为水蒸气、氮气;而对目前大多数熔炼厂家使用的电炉熔炼来说,炉气成分主要是氢气。因此,采用不同的熔炼炉熔炼时,铝合金的吸气量和产生气孔的程度是不同的。

    铝合金生产实践证明,氢是唯一能大量溶解于铝或铝合金中的气体,是导致铝合金形成气孔的主要原因,是铝合金中最有害的气体,也是铝合金中溶解度最大的气体。在铸件凝固过程中由于氢的析出而产生的孔隙,不仅减少了铸件的实际截面积而且是裂纹源。惰性气体不能溶于铝或铝合金,其他气体一般与铝或铝合金反应形成铝的化合物,如Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。氢在液态铝或铝合金中的溶液解度很大,而几乎不溶解于固态铝(在室温条件下,其溶解度约在0.003﹪以下)。

    在铝合金熔炼时,周围空气中的氢气含量并不多,氢的最通常的来源是铝和水蒸气的反应,而水蒸气主要来源于炉气中的水分、设备及工具吸附的水分、一些材料的结晶水与铝锈Al(OH)2分解出来的水分等,其反应式如下:
3H2O(水蒸气) 2Al=Al2O3 6[H](1)
    含镁铝合金由于还发生下列反应,更容易吸收氢:
H2O(水蒸气) Mg=MgO 2[H](2)
    另外,金属炉料或回炉料带入的油污、有机物、盐类熔剂等与铝液反应也能生成氢:
4mAl 3CmHn=mAl4C3 3n[H] (3)
    镁、钠、锂可以改变铝的表面的氧化膜,使活性氢原子容易进入;金属氟和铍则能在铝的表面形成更致密的氧化膜,降低氢向铝液或铝合金中扩散的速度,对铝合金起到保护作用。形成氢化物的元素,如钙、钛、锂、铯等金属均能强烈地扩大氢在铝液中的溶解度。

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