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低压铸造过程铝熔体的氢含量变化

摘要在不同的压缩空气相对湿度下,试验测定了低压铸造过程中液态铝合金氢含量的变化。结果

表明,尽管真空精炼具有很强的除气能力,但低压铸造的除气效果与压缩空气的相对湿度有关。潮湿的空气会

造成含氢量的波动,干燥的压缩空气更有助于获得高质量的铝合金液。

随着毛坯制造技术的发展,铸件日趋整体化和薄壁化。有些原来用铆接、焊接或机械连接件拼合

的零部件逐渐被成本更低而性能更好的整体精密铸件所取代。而这一技术进步离不开铸造成型方法的创

新。具有真空除气功能的低压铸造是一种新的成型技术。其特点之一是在真空条件下充型,消除充型时产生

的反压力。众所周知,铝合金在熔化过程中,不可避免地要产生铝水反应。反应中离解的氢溶解于铝液中。在

以后的铸件凝固过程中,由于氢在液态铝中的溶解度比固态溶解度大近20倍,所以伴随着液固相变,氢将遵

循西华特定律而析出,最终在铸件中形成针孔和疏松。因此,铝合金中气体的研究一直倍受人们的关注[1～4

。在低压铸造连续化生产过程中,坩埚内铝合金熔体的液面上经历周期性的真空2加压过程,这是否对铝合

金液中的气体产生影响?这是正确设计低压铸造工艺参数必须解决的问题。

1试验条件

试验原材料为ZL114A。其主要成分为(质量分数):6.5%～7.5%的Si,0.45%～0.75%的M

g,0.08%～0.25%的Ti,少量Be,其余为Al。采用纯铝、纯镁、铝钛硼、铝硅和铝镁铍中间合金进行

配料。

合金在电阻炉中熔炼。在700℃时加镁。然后升温至730℃用六氯乙烷精炼。静止扒渣后升温至7

45℃用四元变质剂进行变质。

氢含量测试设备采用HyscanII测氢仪。该仪器采用减压试验原理,测量精度为每100g中含氢0.01

mL气体。测试过程是将100g待测样品注入样品室内,然后将样品室密封抽真空。由于压力迅速降低,溶解

于铝中的氢将扩散析出。其压力值由皮拉尼压力计测验并转换为标准单位。

每个测试周期为30min,共测试3个周期,试验时间为90min。其中包括10min的真空除气,10min的

加压时间和10min的准备时间。

试验分为A,B,C3组,A组为对照组,合金熔炼后,于720℃暴露于大气中,空气的相对湿度为80%

～85%。B组和C组的条件完全模拟低压铸造的实际情况,区别仅在于B组为潮湿的压缩空气,C组为经过

过滤的干燥空气。

2试验结果与分析

图1为3种条件下的测量结果。

图1液态铝合金中的氢含量和时间的关系

首先看A组曲线。可以看出,暴露于大气中的熔体,随着保温时间延长,合金中的氢含量呈一直增长的

趋势。这表明吸氢-呼氢的动态平衡逐渐偏向吸氢这一方。90min后,含氢量已经达到很高的数值。图2a

为精炼后90min时取样结果,图2b为精练后10min的取样结果。可以看出两者的表面状态有明显的区别。

前者表面疏松,鼓胀,布满孔洞。这表明凝固时过饱和的氢大量析出,合金液在静置过程中吸收了大量的氢。

在通常情况下,这种状态的合金不宜用来浇注铸件。必须重新精炼。后者表面致密,中间略有凹陷,能看出由

于凝固收缩表面氧化膜被拉扯而形成的条纹。

a.精炼后90minb.精炼后10min

图2两种状态的对比

曲线B为潮湿气源条件下的测试结果。其特点是具有明显的波动特征。即真空除气后含氢量降低,

破除真空后氢含量又逐渐增高。事实证明,铝合金液中的氢来源于铝液和大气中水蒸气的化学反应:

2Al3H2O=Al2O36[H(1)

反应的自由能变化为:Δ{G}J=-78003-5.737lg{T}K32.95{T}K(2)

反应生成的氢溶解于铝液中。该反应的自由能为负值,因此置换反应具有很大的热力学倾向。而

氧化铝膜的疏松结构又加剧了吸氢的动力学过程。破除真空后,由于液面上水分子密度随着压力的增大而增

加,界面上的铝水反应更加激烈。

令平衡常数K=PH2/PH2O

则有lgK=-ΔG/RT(3)

式中,PH2和PH2O分别为反应界面上氢和水蒸气的