ZL101铝熔体测氢研究

【摘 要】采用基于Telegas法制造的ELH-Ⅳ型铝熔体快速测氢仪，测定了ZL101合金熔体在不同温度下的氢含量。实验结果表明：随着温度的升高ZL101合金熔体中氢含量增加。运用西华特定律分析了上述实验结果。

【关键词】铝熔体测氢；ZL101

1 铝合金中氢的来源

铝合金在冶炼过程中或多或少地有水分子的存在，发生如下反应：Al+3H2Al（OH）3+H2

之后，铝熔体吸氢按如下步骤进行：（1）氢分子撞击到铝熔体表面；（2）氢分子在铝熔体表面离解为氢原子，H22H；（3）氢原子吸附在铝熔体表面，2H2H；（4）氢原子通过扩散进入铝熔体，2H2[H]。

2 铝合金中氢的危害

氢在铝合金中会造成氢腐蚀、氢鼓泡、白点、以及生成氢化物而导致铝合金变脆，使铝合金的塑性和强度降低。此外，在缓慢变形时，铝合金中的氢逐渐向应力集中处富集，在应力和氢的交互作用下裂纹形核、扩展，最终导致脆性断裂。因此，准确测量铝合金中的氢含量和寻找减少铝合金中氢含量的措施，对提高铝合金的使用性能意义重大。

3 铝熔体测氢的方法

目前世界上测氢的方法大约有20多种，本文只介绍Telegas法

该原理假设铝液中的氢是均匀分布的，若在铝液中提供一个自由表面，则氢就会在此表面上以2HH2的形式析出。在平衡状态下，此析出反应的G=0，从而可得到如下关系式：

lgS=-+B+lgP （3.1）

其中，P为铝液内提供自由表面上所生成含氢气泡的氢分压。由此式可知，测出P和T就可算出铝液中的氢含量。为了测定P，向铝液中通入惰性气体（Ar或N）气泡，经过一定时间，气泡内的氢分压和铝液内的氢分压达到平衡。实验中可用循环泵使气体循环通过铝液，达到平衡后，可通过热导析气计测出平衡分压P，同时测出铝液温度T，再通过上式就可计算出铝液的含氢量。

4 ZL101合金测氢

4.1 ELH-Ⅳ型铝熔体快速测氢仪简介

本实验所采用的ELH-Ⅳ型铝熔体快速测氢仪就是基于Telegas法原理设计的一种高智能化在线便携式测氢仪，在炉前测量无需外接电源、气源，直接显示每100克金属含氢量，仪器内已存有近60种合金的修正系数，通过键盘可输入温度、合金或合金的修正系数；仪器具有自动连续测氢、测温功能。大屏幕液晶显示器直接显示氢含量。

4.2 测氢过程

实验现场示意图如图1 ，实验过程方框图如图2，称取ZL101试样2585g，放入坩埚电阻炉内，并将KSJ系列温度控制器的热电偶探头测氢实插入坩埚电阻炉，设定温度为730℃并开始加热。温度控制器温度显示屏上为730℃时，停止加热，取出KSJ系列温度控制器的热电偶探头，在坩埚电阻炉上盖上保温罩，然后将与ELH-Ⅳ型测氢仪相连的热电偶、输气管、吸气管分别从保温罩孔中插入铝熔体中，打开测氢仪的N阀门，循环通入N至测氢仪显示屏上氢含量稳定后，记录此时的温度及氢含量。重复以上过程获得725℃、763℃、805℃、850℃温度下的铝熔体的氢含量（见图1）。

1-坩埚电阻 2-热电偶 3-输气管 4-吸气管 5-ELH-Ⅳ型测氢仪 6-KSJ系列温度控制器

4.3实验结果

4.3.1温度对ZL101氢含量的影响

图3为Al合金中出现的氢气孔显微照片，气孔具有不规则的形态。几个气孔可能连接在一起。

将实验结果绘制成图，如图4，随着温度的升高，铝熔体中氢含量增加。

5 分析与讨论

5.1 温度对ZL101氢含量的影响

熔体吸氢是一个动力学过程。熔体始终处于吸氢、放氢这样一个动力学过程中，尽管氢的溶解度相当大，但要达到平衡则需要一段时间（温度越高，这一时间越短）。铝合金熔体中吸氢急剧增加，到达该温度下的熔体的溶解度时，熔体中吸氢和放氢达到动态平衡，当然这需要很长一段时间。在一般的熔炼条件下，铝合金熔液中实际的氢含量达不到理论溶解度。铝合金熔体中夹杂物越多，氢含量就越高。氢在铝合金熔体中主要分为两类：①90 %的氢以原子形式溶解在熔体中； ②大约10 %的氢以分子的形式存在于铝合金熔体夹杂物的表面和缝隙中。在高温下铝镁合金熔体与水蒸气发生反应，生成大量的氧化夹杂，增加了熔体中氢的含量。

铝熔体吸氢的方程式为：H2[H]

达到平衡时有 =0将 代入，并令可得氢在铝液中的溶解度公式：

=m e （5.1）

此即西华特定律，[H]为氢在铝液中的溶解度， 为氢的摩尔溶解热， m 为常数， T 为铝液温度， R 为气体常数， P为铝液中氢的分解压。已知氢在铝液中的溶解是吸热过程， 为正值， T降低，则[H]降低。

6 结论

（1）ZL101熔体中氢含量随着温度的升高而增加。

（2）铝合金熔体中夹杂物越多，氢含量就越高。

参考文献：

[1]陈玉喜.材料成型原理.中国铁道出版社，2002.3

[2]梁英教.物理化学.北京：冶金工业出版社，1989.11

[3]姚秀军.边秀房等.铝镁合金熔体中氢含量的测定.特种铸造及有色合金，2005，第25卷第5期。

[4]Prince N.Anyalebechi. Attempt to Predict Hydrogen Solubility Limits in Liquid Multicomponent Aluminum. Scripta Materialia，1996，Vol.34，pp.513-517

[5]Talbot D E J ， Anyalebechi P N. Solubility of Hydrogen in Liquid Aluminum. M ater. Sci. Technol， 1998 （4） ： 1～ 6.

作者简介：

曹富春.男（ 1981-）.本科.助理工程师