（材料加工工程专业论文）含氢量对铝合金致密性检测的影响.pdf

沈刚理l 人学硕十学位论文 摘要 本文基于减压凝固试样密度法 通过实验 获得铝合金致密性与含氢量的关 系 研究了合会质量 熔炼工艺 合金性质 合金成分 凝固速度及负压建立的 时f 日j 对铝合金致密性的影响 并分析了铝合金致密性同铸件力学性能的关系 实验结果表明 同一牌号铸造铝合金液含氢量越高 铝合会致密性越低 不 同牌号铸造铝合金孔洞缺陷在试样中的大小和分布不同 随着熔炼温度的增高和 保温时i 日j 的加长 铝合金致密性下降 当熔炼温度高于8 0 0 时 气孔率增长幅 度明显增大 保温时间6 0 1 0 0 m i n 时 气孔率增长的幅度较大 合会性质 铝 合会液的凝固速度及负压建立的时间 对铸件中孔洞缺陷的大小和分布有较大影 响 同时 加入合金元素的种类及其含量 对使用密度法检测铝合金致密性造成 一定的误差 铸件的力学性能随着致密性的降低而减小 热处理能显著提高铸件 的力学性能 但不能消除夹杂物对铸件力学性能的影响 同时 本文通过砂型试样和减压试样的对比分析 说明使用减压凝固试样密 度法检测铝合金液含氢量的准确性 且能够通过试样密度值和气孔率的对照 实 现对氢含量的半定量在线检测 铝合金液凝固过程中 外压及合金的凝固温度范 围的大小 对使用针孔度等级法检测铝合金液含氢量有一定影响 外压小时 检 测较为精确 通过砂型试样和减压试样的对比分析可知 使用减压凝固试样密度 法检测铝合金液含氢量时 铸件形成的缩松对检测结果影响较小 关键词 铝合金 致密性 含氢量 试样 沈刚理 r 人学硕十学何论文 a bs t r a c t i nt h i st h e s i s b a s e do nt h ep r e s s u r e r e d u c t i o ns o l i d i f i c a t i o ns a m p l ed e n s i t y m e t h o d as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d et og a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e h y d r o g e nc o n t e n ti na l u m i n u ma l l o y sm e l ta n dt h ea l l o yc o m p a c t n e s s a n da n a l y z et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea l l o yc o m p a c t n e s sw i t ht h ec a s t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h eh i g h e rh y d r o g e nc o n t e n to fa l u m i n u m a l l o ym e l t t h el o w e r o ft h ec o m p a c t n e s so fa l u m i n u ma l l o y a l o n gw i t ht h es m e l t i n g t e m p e r a t u r e sm a r k u pa n ds o a k i n gt i m e sl e n g t h e n t h ea l u m i n u ma l l o yc o m p a c t n e s s d r o p s w h e nt h es m e l t i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n8 0 0 c t h ep o r o s i t yg r o w t hr a t e i n c r e a s e so b v i o u s l y w h e ns o a k i n gt i m ei sb e t w e e n6 0 n lo o m i n t h ee x t e n to ft h e p o r o s i t yg r o w t hi sg r e a t e r t h ea l l o yn a t u r e s o l i d i f i c a t i o nr a t e a n dt h en e g a t i v e p r e s s u r ee s t a b l i s h m e n t st i m ea f f e c tg r e a t l y t ot h ec a s t i n g sc a v i t ys i z ea n dt h e d i s t r i b u t i o n a tt h es a m et i m e i tc a nc r e a t ec e r t a i ne r r o r sb ya d d i n gs o m ek i n do f a l l o y i n ge l e m e n tw h e nu s i n gt h ed e n s i t ym e t h o dt oe x a m i n et h ea l u m i n u ma l l o y c o m p a c t n e s s t h ec a s t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd e c r e a s ea l o n gw i t ht h ec o m p a c t n e s s d e p r e s s e s t h eh e a tt r e a t i n gc a no b v i o u s l ye n h a n c et h ec a s t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b u ti tc a n n o te l i m i n a t et h ei n f l n e n c eo ft h ei n c l u s i o n m e a n w h i l e t h i sp a p e rs h o w e dt h ea c c u r a c yo fu s i n gt h ep r e s s u r e r e d u c t i o n s o l i d i f i c a t i o ns a m p l ed e n s i t ym e t h o dt oe x a m i n et h eh y d r o g e nc o n t e n ti na l u m i n u m a l l o ym e l tb yc o n t r a s t i v ea n a l y s i so ft h es a n ds a m p l e sa n dt h ep r e s s u r e r e d u c t i o n s a m p l e s a n d w ec a nr e a l i z et h eh y d r o g e nc o n t e n ts e m i q u a n t i t a t i v e o n l i n e e x a m i n a t i o nb yt h ec o m p a r i s o no ft h es a m p l ed e n s i t ya n dt h ep o r o s i t yr a t e i nt h e a l u m i n u ma l l o ym e l ts o l i d i f i c a t i o np r o c e s s t h eo u t s i d ep r e s s u r ea n dt h es o l i d i f i c a t i o n t e m p e r a t u r er a n g eh a v es o m ei n f l u e n c eo nu s i n gt h ep i n h o l ed e g r e er a n km e t h o dt o e x a m i n et h eh y d r o g e nc o n t e n ti na l u m i n u ma l l o ym e l t i ti sm o r ep r e c i s ew h e nt h e o u t s i d ep r e s s u r ei sl o w i ti sf o u n db yt h ea n a l y s i sb e t w e e nt h es a n ds a m p l e sa n dt h e 沈阳理j 人学硕士学位论文 p r e s s u r e r e d u c t i o ns a m p l e s t h a tw h e nt e s t i n gh y d r o g e nc o n t e n to fa l l o y s t h e s h r i n k a g ep o r o s i t yf o r m e db yt h ec a s t i n gi so fl i t t l ee f f e c tw i t ht h ep r e s s u r e r e d u c t i o n s o l i d i f i c a t i o ns a m p l ed e n s i t ym e t h o d k e y w o r d s a l u m i n u ma l l o y c o m p a c t n e s s h y d r o g e nc o n t e n t s a m p l e 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性l 声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本 人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体己经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人完伞意识到本 声明的法律结果由本人承担 作者 签字 吖嘶华 日期 驯年3 月一7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留 使用学位论文 的规定 即 沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可 以采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 叶绋缂 日 期 豸 弓 夕 指导教师签名 圭少畴亏 日 期 t 阳子 弓 憎 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题意义 铸造铝合会为传统的金属材料 由于其密度小 比强度高等特点 广泛地应 用于航空 航天 汽车 机械等各行业 铝熔铸技术在近十几年得到了快速发展 铝铸件的需求不断扩大 对铝铸件性能的要求越来越高 提高零件的产品质量 其关键技术是在实际生产中提供优质的铝合金液 制约铝合金液质量提高的一个 蕈要冈素是铝合会液中的含气量偏高 分析铝合金液中的气体成分 得出氢占8 5 以上 因而铝合会中的含气量可以近似视为含氢量 引 在工业生产中 般铝铸 件的含氢量应小于0 15 m l l o o g 用于航空航天工业等重要部件的则要求小于 o 0 5 m l 1 0 0 9 t l 氢在铝中的溶解度与其他金属相比虽不大 但在液念锚和固念铝 中的溶解度则有很大差别 可达2 0 1 t 五阳 因此 铝合金液中的含氢量过高 不 仅会引起铝合金液的凝固速度变慢 促进疏松的形成 导致应力集中现象 使零 件使用寿命缩短 且由于凝固过程中氢气的析出 会在整个铸件的断面上形成形 状不规则的针孔 当针孔度超过一定标准后 致密性 抗拉强度和疲劳极限等机 械性能将明显下降 还会影响耐蚀和阳极氧化性能 7 据统计 在铸造铝合会中 因气孔引起的缺陷而导致铸件报废约占全部铝铸件废品的一半以上m 一 在铸造生产过程中 铝合会液中氢的来源较广 含氢量与熔炼条件 熔炼工 艺 合会成分等因素有着复杂的关系 导致铝合会液中含氢量难以控制 因此 有必要研究铝合金液中氢与其他因素的关系 分析铝合金液中含氢量与铸件质量 的关系 发展新的铝合余液净化及质量检测理论 优化现有的铝合余液处理方法 及技术 为改善劳动条件和提高铸件生产的经济效益提供科学的依据 1 2 铝合金液除氢技术 生产过程中 为了得到合格的铝铸件 必须对铝合会液进行除氢处理 除氢 方法按工艺节奏可分为在线式和 白j 歇式两种 在线式连续除气法由于除氢效果好 能稳定地保证铝合金液质量且对环境无害 在大型铝加工企业中获得广泛应用 沈冈i 理 i 人学硕十学位论文 根掘精炼的机理 可分为吸附精炼和非吸附精炼两大类 吸附精炼是指通过铝合 会液直接与吸附剂 如各种气体 液体 固体精炼剂及过滤介质 相接触 使吸 附剂与铝合会液中的气体和固态夹杂物发生物理化学的 物理的或机械的作用 达到除气 除杂的目的 属于吸附净化的方法有 吹气法 过滤法 熔剂法等 非吸附精炼是指不依靠向熔体中加吸附剂 而通过某种物理作用 如真空 超声 波 密度差等 改变金属气体系统或金属央杂物系统的平衡状念 从而使气体 和央杂物从铝合会液中分离出来的方法 属于非吸附净化的有 真空处理 超声 波处理等 铝合会液除氢技术可概括为图1 1 单管吹气法 制 液 除 氢 技 术 三堇一l 住线式 浮游法 多孔吹头 巾赛 i h j 歇式 同定唢吹法 吸附精炼 一一覆盖法 溶剂泫 发气法 作用 溶剂电流泫 利 l 埋 i i i 1 2 1 吸附精炼法 超声波泫 一非吸附精炼一一 一真空泫 图1 1 铝合金液除氢技术概括 1 2 1 1 浮游法 浮游法是将惰性气体 氩气 氮气等 通入到铝合金液中 形成气泡 铝合 金液中的氢在分压差的作用下扩散进入气泡 并随气泡上浮排出 达到除气的目 的 气泡在上浮的过程中还能吸附央杂物 起到除渣作用 l 按气体的导入方法 可分为 单管吹气法 多孔喷头吹气法 固定喷吹法和旋转喷吹法等 其除气效 果一力 断耳 决于惰性气体的性质及纯度 另一方面取决于气泡在熔体的分散均匀 程度 气泡的大小 气泡在熔体中的滞留时间等 气泡越小 分散越均匀 上浮 2 瞄嗽法法左嗽瞰 薹嗽嗽法眺 刚札胁即h m 第1 章绪论 速度越慢 则除氢效果越好 到目前为止 旋转喷吹法是除氢效果最好的方法之 一i 5 1 旋转喷吹法 主要是依靠转头的形状以及高速旋转的速度来打破气泡并控 制气泡的大小和分布 转头是此项技术的核心 不同的转头 产生气泡的大小不 同 但产生的气泡大小均为m m 级 在不引起液面翻滚和吸气的6 订提下 尽可能 选取高的转速和大气流量 6 其缺点是 除气效率在7 0 以下 气泡不够小 达 不到 m 级 转头转速过高 容易引起熔体翻腾 产生吸气现象 也会使熔体中 心区域压力降低 产生合泡现象 1 2 1 2 熔剂法 除气熔剂是指用以从熔融金属和合金中除去气体的物质 主要包括气念熔剂 像最初的单一气体n 2 c 1 2 等 近年来发展的多气如1 0 c 1 2 9 0 n 2 1 5 c 12 1 1 c 0 7 4 n 2 2 c c l 2 f 2 2 3 c 0 2 7 5 n 2 等 液态熔剂如c c l 4 等 固态熔剂如 c 2 c 1 6 m n c l 2 等 其缺点是 当熔剂中混入氧气或水蒸气时 将会大大降低其除 氢效率 研究表明 如果氮中含氧量为0 5 和l 除气效果分别下降4 0 i j9 0 因此 气体熔剂中氧含量不应超过0 0 3 水分含量不应超过0 3 9 m 3 川 覆盖熔 剂 是指用来覆盖在金属熔池表面 形成液态隔离物的物质 不仅有隔离大气对 金属的作用 有的还能促进冶金反应 熔剂要求表面张力小 防护力和覆盖能力 大 因此覆盖熔剂熔点较低 如覆盖剂表面张力太小 不利于扒渣 因此对表面 张力太小的覆盖剂需加稠化剂 如c a f 2 m g o m g f 2 等 一般说来 氟盐比氯 盐 二价碱土余属比碱金属与铝合会液之间有比较大的界面张力 故覆盖剂中常 含有3 n a f a i f 或n a s i f 6 等 研究人员还发明了一种新型的稀土熔齐0 j d n 2 i 用 于铝合金液的净化 8 1 使用时只须将该熔剂覆盖在熔池表面 在用于炉外除氢时 首先将该熔剂作为精炼前的覆盖净化剂 使熔体的气杂含量处于较低水平 从而 确保后续的各种精炼措施的高效性 然后再将该熔剂覆盖在精炼净化后的熔池表 面 不仅司 隔绝空气 而且可对熔体进一步除氢 精炼是指用各种添加剂和化学复合物对铝合会液进行处理 这些复合物通常 是尼机的并且往往具有好几项功能 像除气 净化及合会化等 净化也指用活性 或惰性气体除去熔体中的夹杂物及气体等 1 2 2 非吸附精炼法 非吸附净化法包括 真空处理 超声波处理等 1 沈刚理 1 人学硕十学位论文 真空处理是指将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内 利用氢在熔体中和 外界中的分压差 使熔体中的氢不断析出 转化成氢气 并上浮溢出液面而被除 去的方法 真空处理是降低铝合金液中的含氢量的最要效法方法 但这种方法 需要真空密封设备 价格昂贵 当铝合金液深度过大时 除气效果显著下降 超声波是2 0 世纪5 0 年代提出的一项铝合会液净化技术 其原理是利用j 瞪声波 在熔体中的空化作用 使液相连续性破坏 产生无数显微空穴 溶于铝合会液中 的氢便逸出并聚集在这些空穴中 成为气泡形成的核心 当气泡长大到二定尺寸 便逸出铝合金液 达到除氢的目的 由于超声波发生器的局限性 该方法还处于 试验阶段 1 3 铝合金液含氢量检测技术 铝及铝合金含氢量检测的方法较多 按照检测氢的原理可分为直接测氢法和 间接测氧法两大类 直接测氢法实现对含氢量的定量分析 测得结果精度相对较 高 属j 直接测氢法的有 t e l e g a s 惰性气体循环法 氮载气熔融法 直接抽耿法 r a n s l e y 亚熔法 浓差电池法等 问接测氢法一般为对氢的半定量分析 由于受剑 的影响因素较多 此法的测量结果有时会出现较大偏差 属于l 白j 接测氢法的有 低倍组织检测法 第一气泡法 s t r a u b e p f e i 行e r 检验法等 1 3 1t e l e g a s 惰性气体循环法 此法也称遥测法 它是r e n l e y 等人于1 9 5 7 年提出的 9 它是通过向铝合会 液中提供惰性气泡 并往复循环 经一段时间后 气泡内的氢分压达到平衡 通 过热导析气仪测出铝合会液中的平衡氢分压 然后按s i e v e r t 定律计算铝合金液中 氢的浓度 0 依此原理 人们研制出多种仪表应用于生产与研究中 如a l c o a 和 t e l e g a s 公司研制的两种a l s c a n 测氢仪 我国研制的s q h i 型炉前测氢气相谱仪 j l 等 t e l e g a s 装置由于测试精度高 测试时 日j 短因而得到比较广泛的应用 然而 t e l e g a s 装置尚存在几个问题 1 测试所需达到的平衡受氢传质系数影响 对低氢 铝合会液测试日 j i b 长 偏差略大 2 2 2 4 1 2 在测试过程中 惰性气体气泡连续破坏 铝合会液氧化膜 引起铝合金液与大气反应 导致误测 所以 以上提到的缺点 并未根除 t e l e g a s 法 特别是所用探头 仍需作进一步改进 4 第1 章绪论 1 3 2 氮载气熔融法 该法是以d e g r e v e 的研究成果为基础 2 5 2 6 在氮气流中将定量的固态铝合金熔 化 释放出来的氢被氮气流带出 根据不同气体的热导率不同 使用热导气体分 析仪测量混合气体的热导率而求出含氢量 根据这个原理 美国的l e c o 公司生 产了r h 4 0 2 型测氢仪 2 7 删 r h 4 0 2 测氢仪是目前比较先进的一种测定会属中含 氢量的设备 该测氢仪实现了测氢过程的微机控制 可以比较准确地测定铝 镁 铜 钢 钛 锆 镍等金属及熔渣中的含氢量 其精度达n i 影响其准确性 的 要冈素足试样的制备及分析参数的选择 1 3 3 直接抽取法 此方法是由苏联的专家于6 0 年代朱期研制成的1 2 9 1 在基于有关气体在金属中 的溶解度 扩散 状态以及传质和金属与气体相互作用机理等方面的理论研究的 基础上 研制的一种能直接在熔炼和浇注过程中测定含氢量的方法 此法分析结 果与合余成分 温度无关 因此适用于所有铝合金 其主要缺点是整套设备复杂 笨重 不太适用于生产环节的在线检测 1 3 4r a n s l e y 亚熔法 1 9 5 6 年 r a n s l e y 和t a l b o t 发表了他们的真空热萃取法 3 0 多年来 这一方 法在制铝业中被认为是测氢的标准方法 此法的原理是将一精确加 至给定尺寸 的圆杜形试样 在真空下加热至略低于丌始熔融温度 在此温度下氢通过扩散山 试样中抽取出来 收集到一个已知体积的空室内 用麦氏真空计测出氢的压力即 可算出试样中的合氢量 影响此法精度的主要因素为试样表面所带来的氢 1 3 5 浓差电池法 r g e e 等人于7 0 年代术期研制成的 i 离子固体电解质将待测铝合会液与具 有恒定氢分压的物质组成浓差电池 测得该电池的电势和温度即可得铝合金液含 氢量 氢负离子固体电解质是氢浓差电池法的关键部分 它的电导率 离子迁移 数等对氢浓差电池的质量有重要影响 此法是目前测氢方法中最简便 最快 也 较准确的 种 但其电解质c a l l 2 易吸湿 高温易分解 有待研究出性能更佳的 材料加以代之 5 沈刚理 i 人学硕十学位论文 1 3 6 低倍组织检测法 存铸件的刁i 同部位切取试样 表面经过精刨 然后用1 0 n a o h 水溶液在窜 温侵蚀1 0 m i n 左右 显出针孔缺陷 即可根据针孔的大小和数量进行含氢量的定 性评价 低倍组织检验的优点是容易判断 看到的是直观的气孔 同时还能发现其他 铸造缺陷和晶粒粗细情况 缺点是破坏零件 不能对整批铸件都进行检测 也不 能对铸件的所有部位都进行检测 并且检测是在浇注好铸件之后实施的 费时费 力 且不能实现检测的在线性 1 3 7 第一气泡法 这一方法在4 0 年代木由d a r d e l 提出 2 1 故也称d a r d e l 法 前苏联和欧洲应 用较多 在美国6 0 年代初有应用的报道 3 3 1 测试时将少量熔融会属放入一保持一 定温度的炉子内 密封后丌始抽真空 随着压力的缓慢f 降 气泡将生成 当第1 个气泡从表面上出现时记录此时的压力和温度 然后从列线图上找出对应的含氢 且 里 此法虽装置简单 操作容易 可实现快速测定 但因气泡的出现与央杂 坩 埚材料及表面状况 有无振动等因素有关 测量灵敏度很小 需不断改进 1 3 8s t r a u b e p f e i f f e r 检验法 国内简称减压凝固检验1 3 4 1 它是在减压条件下 观察铝合金液试样冷却凝固 时析出气泡的情况 或与标准试样相对比 或根据试样的密度与该合会真实密度 之比 i 日j 接确定含氢量 因压力低 即使气体量少 气泡的产生也能被识别出来 以此法为基础发展起束的有定量减压测氡法和减压凝固试样密度法 山j 等 定 量减压测氢法是将一定量的铝合金液在真空条件下凝固 使溶于铝合会掖中的氢 在凝固过程中充分析出 通过对析出的氢的测定来确定铝合会液的含氢量 减压 凝固试样密度法最初是由r o s e n t h a l 和l i p s o n t 3 s j 提出的 是一种简便 快速的炉 前检测铝合金试样的致密性 i 日j 接评价铝合金液含氢量的方法 克服了减压凝固 试样法只能进行定性分析 对操作者的现场经验要求较高 不能进行定量分析的 缺点 该方法通过测试减压凝固试样的密度 可定量描述铝合金试样的致密性 间接评价铝合会液的含氢量 6 第1 章绪论 1 4 课题研究内容 本课题拟通过研究常用爿 一所系及a l c u 系铸造合金致密性与其含氢量的 关系 致密性对合会力学性能的影响 分析在真空条件下试样气孑l 形成的机理 影响铝合会铸件气孔形成的因素 为提高铝合会铸件致密性及力学性能提供理论 指导和试验依据 主要研究内容如下 1 基于减压凝固试样密度检测法 运用s g j i 型铝合会液净化检测仪检测不 刷含氢量下的彳 一 系和a l c u 系铸造铝合会致密性 2 检测不同致密性铝合金的力学性能 获得铝合金致密性与力学性能的关系 3 通过所得试验结果 分析影响铝合金铸件气孔生成及其致密性的因素 4 对不同牌号铸造铝合会 在不同除气时间下获得的减压试样和砂型试样的 对比分析 说明减压凝固试样密度法检测铝合会致密性的在线性及准确性 7 沈刚理i 人学硕十学何论文 第2 章氢与铝合金液相互作用的基本原理 2 1 铝合金液中的氢 氢在金属中主要有三种存在形态 固溶体 化合物和气态d 9 4 0 在液态铝合金 中 氢主要是以 h 状念溶解于铝合会液中 以固溶体形念存在 若氢与金属中某 些元素的亲和力大于气体本身的亲和力 就会与这些元素形成化合物存在于铝合 会液中 氢也会与铝合金液中的氧化央杂相互作用 以络合物坍7 一彳 0 月h 形念 存在 氢还会以气体形态存在于铝合金液中的央杂物的缝隙中 2 1 1 氢的来源 氢在大气中的分压极小 约为5 1 0 一m p a 远比铝合金液中的氢分压低 溶于铝合会液中的氢有强烈向大气扩散的趋势 其次 只有离解成原子态的氢才 能溶入铝合会液中 因此 铝合会液中氢不可能来自大气 根据生产实践和科学 实验证明 铝合金液中的氢主要来自液态铝和水汽的反应 2 a l 1 3 h 2 0 g 7 一爿f 2 0 3 s 6 h 2 一1 此反应后铝合金液表面上氢的分压斥 可达约1 2 1 0 1 0m p a 远远大于钔合会液 中的氢分压 氢便强烈的溶入铝合会液中 在9 3 4 1 1 2 3 k 范围内 陔反应的标 准念自由能a g o 的变化为 4 2 1 g o 一6 7 6 2 4 1 9 3 9 t 2 2 式中 7 1 反应温度 k 由此式可知 熔炼温度越高 铝合金液与水汽反应越激烈 铝合余液吸氢也 就越严重 实践经验证明 当t 1 0 0 0 k 时 即时大气中水蒸汽的分压仅为2 5 9 1 0 乏o m p a 反应 2 1 也能进行m l 所以 在大气中进行铝合会熔炼吸氢是不可避免 的 此外 各种油脂都是具有复杂结构的碳氢化合物 铝合会液与油脂接触会发 8 第2 章氢与铝合金液相且作川的基本原理 生下列反应 了4 m 爿 c 玎日 r e 气a 1 4 c 3 h 此反j 影也是铝合金液中氧的来源之 2 1 2 氢在铝合金液中的溶解度 熔炼时 铝合金液和水汽反应生成的氢溶入铝合金液中 溶解度s m l l o o g 可用下式表示 2 l s 呖唧 一舞 式中 1 7 常数 2 3 其在铝合金液中的 2 4 b 氢的克分子溶解热 j t o o l 尺 气体常数 8 3 1 4 5 j m o l k 铝合余液温度 k 匕御 铝合金液上的水汽分压 p a 上式确定氢在铝合会液中的溶解过程的限度和方向 已知氢在铝合金液中的 溶解过程是吸热过程 即西是正值 s 随着匕棚和7 的升高而增大 因此 熔炼 过程中 在满足精炼效果及浇铸温度的前提下 应注意防止铝合金液过热及长时 问的高温保温 2 1 3 吸氢的动力学过程 分析铝合金液吸氢的动力学过程 可以获得吸氢的速度和最终结果 铝合金 液吸氢的动力学过程即氢在铝合金液中的溶解过程 可由以下四个方面组成 1 氡气分子碰撞到钭合金液表面 2 在铝合会液表面上氢气由分子念离解为原子念 3 铝合金液表面 l 氢原子的吸附 4 氢原子扩散进入金属内部 由此可知 铝合金液吸氢主要分为吸附和扩散两个阶段 吸附可分为物理吸 附和化学吸附 前者取决于会属表面力场的强弱 温度的高低及气压的大小 吸 附时 气体处于稳定的分子状态 最多只能覆盖分子层厚度 且随着温度的升高 9 沈刚理l 人学硕十学何论文 气体分压降低 气体分子动能增大 吸附量减少 化学吸附是由于气体和金属原 子之间亲和力的作用而化学结合 气体原子被会属吸附后 开始向会属内部扩散 以原f 一离了状态溶入金属液中 因此 化学吸附是金属吸收气体必经的过渡阶段 整个吸气过程中 占支配地位的是扩散过程 扩散过程决定了金属吸气的速度 氢在金属中的扩散速度j 可用下式表示旧州s 竽瓜唧 嘉 协5 式中 k 常数 d o 扩散系数 c m s x 扩散层厚度 c m 而 扩散激活能 j m o t 月 气体常数 8 3 1 4 5 j m o l k 7 1 金属温度 k r 氢分压 p a 从上式可知 氢分压足 和铝合金液温度丁越高 扩散系数越大 吸氢的速 度就越快 2 2 气体的析出及气孑l 的形成 铝合会液浇注后 随着铝合会液温度的下降 溶于铝合会液的氢将以氧化央 杂为核 t 3 产生小气泡 若凝固6 j 未排除 就会形成气孔 2 2 1 铝合金液中氢的析出 氢在铝合会液中的析出形式如图2 1 在t l 时刻之6 玎 氢主要以气泡形式析 出 在t l 至t 2 时刻 氢主要以扩散形式析出 以扩散形式脱氢 只有在非常缓 慢的冷却条件下刁 能充分进行 这在实际生产条件下很难实现 所以在实际生产 中可以认为以气泡形式析出是脱氢主要方式 1 0 第2 章氢与铝合金液相互作川的基本原理 t 蓦 0 i 响 2 3 卧司 1 一气泡形式析氢量2 扩散性形式析氢 3 一铝合金液中实际含氢颦仁铝合金液中原始含氢量 5 一平衡状态含气鼙 幽2 1 铝合金液析出氢示意剐l 2 1 如前所述 铝合金液凝固时氢的溶解度将急剧下降 氢将从固态铝中被排挤 到液态铝中 在凝固前沿发生氢的偏析 出现氢的富集区 即在固一液界面上形 成氢的浓度梯度 将发生氢原子的扩散现象 浓度梯度越大 扩散越剧烈 可以 认为液相中的氢只存在有限扩散 无对流 搅拌 且固相中的氢的扩散可忽略不 计 这样可以用溶质再分配理论的固一液界面前沿液相中溶质分布方程加以解释 离固液界面距离为x 处的液相中氢的含量为 c 一c o 半唧 一铡 协6 式中 c o 合命中氢的原始浓度 m l l o o g k 氢溶质平衡分配系数 d 氢在铝合会液中的扩散系数 c m 2 s 尺 凝固速度 c m s x 离固一液界面处距离 c m 由上式可知 铝合金液在凝固过程中固一液界面前沿存在氢的过饱和区域 心 兰j 过饱和区域内氢的浓度高于氢在铝合会液中的溶解度s l 时 氢从铝合会 液中析出 以氧化央杂为核心形成小气泡 固一液界面前沿铝合会液中析出氢受 固一液界面前沿过饱和区域缸大小的影响 同时与过饱和区域在转变为固相之6 j 存在的时间a r 3 9 1 有关 沈刚理i 人学硕十学位论文 伽詈h 枸c 2 7 io 式中 d 氢在铝合会液中的扩散系数 c m 2 s c d 开始凝固自仃铝合金液内的氢的原始浓度 m l 1 0 0 9 金液 2 7 式中的d k c o s t 是固定值 r 越大则a r 越小 在过饱和区凝 2 2 2 铝铸件中气孔的形成 孔以及气孔大小的是凝固时作用于铝合会液的外压及铸件的凝固速度 随着温度 匕 咯 匕 e 2 0 州i r 2 8 式中 竹 气泡中氢的压力 p a 巴 作用在气泡上的外压力 p a p 作用在气泡上的铝合会液柱的静压力 p a 只 0 1 i l y 2 9 铝合金液重度 n m 3 仃 铝合余液表面张力 n m 第2 章氢 j 铝合金液相且作川的基本原理 铝合会液凝固过程中 外压巴和铝合金液表面张力仃 是一定的 铝合会液 中的氢分压名 和铝合会液的深度 决定氢是否能形成气泡逸出 斥 越高 h 越大 则气泡越易逸出 凝固速度慢的铝合会 凝固过程中 液相被周围树枝晶封闭 由于被封闭的 液相体积小 可以认为液相中气体浓度是均匀的 继续结晶时 剩余液相中的氢 浓度将不断增大 氢气析出的压力不断加大 该处也产生其他溶质偏析 易产生 非金属夹杂物 氢就以这些夹杂物为核心形成气泡 由于气泡被凝固金属所封闭 不能排除 且由于此处会属凝固收缩得不到补缩 最终形成疏松性气孔 在铸件 最后凝阎的热节处 液相中氢浓度更大 所以在该处更易产生析出性气孔 2 3 铝合金液中氢和夹杂物的关系 铝合会液中央杂物是以a 1 2 0 3 为主体的氧化央杂物出氧化央杂物和氢之间存 在一定的相互作用关系 已是公认的事实 有研究表明 铝合会液中一旦含有大 量a 1 2 0 3 后 会增加铝合金液中的含氢量 幽2 2 夹杂物与含氢鼙的关系一q 熔炼铝合会 7 5 0 c 以下 时 会在铝合金液表面生成一层1 a 1 2 0 3 膜 其相 对铝的致密性系数r l 为1 4 2 大于1 是致密的 能阻止铝合会液的进一步氧化 及吸氢 但t a 1 2 0 3 膜只有与铝合金液接触的一面爿 是致密的 与空气接触的一 面存在大量的微小孔洞 这些小孔洞能吸附大气中的水汽 当搅动铝合会液时 水汽就会伴随着氧化物进入铝合金液 从而加剧铝合金液的吸氢 同时 氧化兴 杂物具有吸附氢的作用 其进入铝合金液后 氢将附着在氧化央杂物的表面及缝 隙中 增加铝合会液中的含氢量 铝合金液中央杂物含量与含氢量的关系如图2 2 氧化央杂的大小 弥散度对含氢量有很大的影响 弥散央杂的比例增加时 1 3 沈刚理 i 人学硕十学位论文 含氢量会明显增加 这可以从弥散于铝合会液中a 1 2 0 3 的空间结构得到解释如图 2 3 a 所示 在a 1 2 0 3 一a i 界面上出现了附加空心体a a a 窗 形成 窗 的a l 原子带有诈电荷 是电子的受体 在其上面会出现氢电子密度的重新分配 成为 吸附氢的活性中心f 4 8 当央杂的尺寸变大 a 1 2 0 3 晶胞将长大 如图2 3 b 但此 时 吸附窗 的数f 1 不变 窗 的数目与央杂物大小无关 因此 当含杂量 定时 若央杂较粗大 央杂的数量就较少 窗 的数日也就少 吸附氢的活性 中心便少 这晚明含氢量与含杂量之问并不一定成正比关系 而与央杂 大小 弥 散度有关 细小弥散央杂物比例增大时 含氢量会随之显著增加 o o a a 1 2 0 3 品格 b a 1 2 0 3 品格附生图 图2 3a 1 2 0 3 结构示意幽 4 9 5 0 1 1 4 第3 章拭验条制技方往 3i 试验条件 第3 章试验条件及方法 3l1 试验设备 试验设备采用基于减压凝固试样密度法原理自行研制的s g j i 掣铝合余液质 量检测仪 如图31 工业电阻炉和自行研制的s g i 型铝合金液精炼机 如罔 32 0 1 2 m m 标准会属型拉伸试样模具 小口浇勺 石墨坩埚 坩埚兴 中等 壁厚不锈钏坩埚 障渣漏勺 敞口浇勺 压镁 l i j 具 钳子 温度表 砂箱及其造 型 崮31s g j i 犁锅台金渡质封检测仪 s g j 1 型铝台金液质量检测仪使用方法为 把不锈钮坩埚放在检测仪浇铸平 台 浇铸铝合会液后盖上钟罩 启动电源 抽真空 使钟罩内气压到指定值 待试样凝固后取出试样 根据下式得出试样密度值 丢以 3 1 n 2 万麓以 妈 1 式l p 试样的密度 g e m 3 试样在空气中质量 昏 暇 试样在水中质量 g p 水的誊度 咖m 3 日 沈 理人学硕十学何论文 s g 1 型钒台金液精灼瑚 足种浮游洁除气精炼机 采用 墨多孔吹失 埝7l 迎入j l r 反转叭义 使氯气气泡尽町能小 增大i 象气作用面积 达剑最他 i j 气效粜 3 12 试验材料 吲3 2s g 型锅台金液精炼机 表3i 试验h 锅台金化学成分 牌号s 其它元素 a 余 余鲑 余草 余划 余 棠年 泉k 余廿 余蛄 余草 余茸 余艟 术耍验所用钥合会 根据表3 中锅台会的化学成分及其含量 微晕 i 蓑小 f 进行配料 采用纯度为9 97 的铝 纯度为9 9 的镁 古硅量为1 2 的z l l 0 2 三一 一 一 主i 一 一 孙 一 一 一 竺 堇 一 兰 一 m m 蟠 啪 阳 m 叭 盯 i 扑 n i 孔 n 列 孔 孔 孔 孔 则 孔 扎 m 第3 章试验条仆及方法 合会 含铜量为5 0 a 1 c u 中间合会 含锰量为1 0 a i m n 中间合会 含钛量为 4 a 1 一t i b 中间合金 配比质量为1 5 0 0 0 9 不同牌号铸造铝合会 配料见表3 2 z l 2 0 5 a 使用成品料 表3 2 试验川铝合金配料单 g 3 2 试验方法 3 2 1 试样的制备 把配置好的原料按照铝合金熔炼工艺在工业电阻炉中进行熔炼 保温至7 3 0 7 5 0 c 不锈钢浇勺及中等壁厚坩埚预热温度为18 0 2 3 0 使用s g i 型 铝合金液精炼机对铝合金液进行精炼处理 精炼介质为氩气 氩气的气压约为 0 2 m p a 除气时i 日j1 2 m i n 为最佳 5 1 5 2 分别在除气3 m i n 5 m i n 7 m i n 9 m i n 1 2 m i n 后浇铸 浇注温度为6 8 0 c 一7 0 0 c 在预先制备好的砂型中浇铸得到两个砂型 试样 使用s g j i 型铝合金液质量检测仪在不锈钢坩埚进行两次浇铸 浇注量控 制在6 0 9 0 9 使铝合金液在负压下 0 0 9 m p a 凝固获取减压试样j 使用 1 2 m m 标准拉伸试样模具进行浇铸 模具预热温度为2 0 0 左右 获得同等条件下不同 含氢量铝合会的拉伸试棒 1 7 沈刚理l 人学硕十学何论文 3 2 2 试样处理 减压试样根据式 3 一1 求得其密度值 对减压试样和砂型试样进行剖丌 锉 平后 分别使用8 0 目 1 2 0 目 3 6 0 目 6 0 0 目的水磨砂纸对试样进行抛光 待 试样没有明显磨痕后 在常温下用1 0 的氢氧化钠溶液对试样断面进行腐蚀 大 约为2 0 分钟 取出用水清沈后进行抛光处理 拍摄截面照片 获得低倍组织剖面 图 文中图片与试样比例为1 l 左右 把得到拉伸试棒进行拉伸试验 记录下不 同含氧量下拉伸试棒的抗拉强度和断后伸长率 3 3 本章小结 本学介耋 了试验所使用的设备和工具 说明了主要设备的使用方法 完成了 实验使用的不同牌号的铸造铝合金的成分配比 阐述了试验步骤及操作工艺 1 8 第d 章锅台金致密眭与台氢甘及力学性能的天系 第4 章铝合金致密性与含氢量及力学性能的关系 由于氢在液态铝中的溶解度远远大于其在同态铝中的溶解度 当铝台合液中 的肯氢量过高时 铝铸件极易产生针孔 气孔等缺陷 导致铝合余铸件的致密性 f 降 铸件致密性下降 减小铸件的有效截面积 影响铸件的力学性能 41 铝合金致密性与含氢量的关系 锱台金致密 生的高低直接影响铝台会铸件的件能 凝固过程中产生的针孔和 气孔是导致铸件致密性f 降的主要缺陷 对于同牌号锚合会 当浇往条件相同 时 影响铸件致密性的主要因素是铝台金液中的含氢量 不同牌号的锚台会 由 于化学元素或合会台量不同 导致相同状态下铝台余液的台氢量不同 凝同机理 也不尽相同 因此 系统研究含氢量与各种牌号铝合余致密性的关系 对于生产 过程中提高铸件质量有着重要的指导意义 在含氢量一定的情况下 减压条件下凝固与常压下凝固相比较 试样中的氢 更易扶铝台会液中析出在铸件串形成针孔或气孔 圉此 减爪试样更能准确的描 绘出铝合会液中台氢量与其致密性之剧的关系 通过试样的密度值描述铝台余的 致密睦 实现 对铝台会致密性检测定量化和在线性 按照试样制备要求获得减 压试样后 测量其密度值 处理试样得到其剖而低倍组织图 4 1 1 试验结果 41 11z l l0 1 试验结果 z l l 0 1 台余的标准密度为26 8 9 c m 3 不同除气时间扶得的试样密度值如图4l 由于试样是在减压条件下凝固 对气孔生成有放大作用 所得数值符合试验要求 由图可知 所得试样的最低密度值为24 2 8g c m 最高密度值为26 4 4g e m 3 随 着除气时问的增加 试样密度值也随之增大 除气3 r a i n 到5 r a i n 和除气9 m i n 到 1 2 r a i n 试样密度值显著提高 观察试样凝固过程中表面状态 除气3 r a i n 时 试 样凝固过程中逸出气泡较多 凝固表面有凸起现象 5 r a i n 7 m i n 和9 r n i n 时 气 泡逸出较少 1 2 m i n 时 基本无气泡逸出 由于凝固过程中合盒收缩 在表面出 沈口l 理l 人学顺r 学位论文 现卜 l 型 书 再 叫问l r a i n d41z l l o l 括j n j i 昧7e 叫i u j 的天系 p 24 2 8e c c m l p 25 15 出m 0 p 25 4 5 吕 c m p 25 7 5 出m 3 p 26 4 4 卧m 3 幽4 2 z l l o l 减压试样低倍翔绒剖面幽 规察试样低倍组织副面图42 u 丁以看m 试样的气孔率随着除气叫问的增j je i 而 降低 t j 洲得密度值成 谢应关系 所有试样底部无气孔 o 状态j 气孔均匀分抽于试样剖面中上部 气孔的数目和大小随密度值的增加而变多变大 其中 状态f l 孔相且连接呈波浪条纹状 o 状态下 试样剖而出现集中性 2 0 一o e g 一 第1 章 l 吕台金致密性与含氧鼙及力学性能的戈系 大气孔 气孔周边凹凸不平 明显看出有杂质存在 4112z l l 0 2 试验结果 z l l 0 2 合令的杯准密度为26 5 9 e m 3 不同除气时倒获得的试样密度值如l 划 43 所示 由阁可知 所得试样的最低密度值为2 4 8 3g c m 3 最高密度值为26 4 5 g c m 3 随着除气时州的增加 试样密度值也随之增大 随着除气时 日j 的增加 试 样膏度值变化幅度比较均匀 观察试样凝固过程中表面状态 除气3 r a i n 5 m i n 和7 r a i n 时 逸出气泡较多 凝固表面极不平整 看到有明显凸起现象 9 m i n 时 气泡逸出较少 1 2 m i n 时 基本无气泡逸出 由于凝固过程中台会收缩及氢在试 样中部撮后凝固区域逸出 在试样表面出现下凹现象 时间t r a i n 幽4 3z m0 2 密度值与除 t 时间的芙系 图44 为z l l 0 2 台金在不同除气时脚下获得的试样剖面圈 由图可知 随着 除气时问的增加 试样的气孔率是不断降低的 与测得密度值相符 气孔分布于 试样的中上部 集中性大气孔主要分柿在上部 除气时问短的试样在最后凝固处 的