图1、Al2O3结构示意图

　　4)、Al2O3与氢在铝液凝固过程中的行为分析

　　铝液中的氢主要是以原子状态存在的。在凝固过程中，由于溶质再分配规律，一部分氢以固溶体形式存在于结晶的固相中，其余因溶解度所限而富余的氢将被迫析出而在凝固前沿发生氢的偏析，出现氢的富集区，即在固/液相间形成氢的浓度梯度。在其形成的同时还可能有以下行为：

　　(1)、由于与周围铝液间存在溶质氢的浓度差，因此其将发生氢原子的扩散。浓度差愈大，其扩散过程愈激烈;

　　(2)、随凝固过程的进行，富集区内氢原子浓度增加。当达过饱和状态时，将析出氢分子，进而形成氢气泡。

　　但从热力学的角度看，氢气泡形成前还必须先形成气核。只有当气核大于其临界尺寸时它才可稳定存在;同时还要克服铝液表面张力引起的附加压力。若在纯净的铝液中要形成气核(半径r=0.1mm)，需克服的附加压力可达18,000N/m2。通过J.Campbell的计算也表明，气孔在液态金属中的均质(自发)形核需要约3,080MPa的气体分压。故实际上气核自生是困难的。然而通过非自发生核则是可能的。利用减压试验测得的数据表明，形成第一个气泡只需很小的过饱和压力，通常为0.1KPa左右(减压室真空度为1Kpa-20KPa)。这说明了铝合金中的气孔形成实际上是异质形核。实践表明铝液中不可避免地会存在着一定含量的Al2O3等氧化物。它们可以作为气孔形核的有效基底。因为氧化夹杂与铝熔体的润湿性较差。据实验测定,润湿角随温度的不同在115°-167°之间变化，同时氧化物含有大量微孔和裂纹。这对气孔形核非常有利。此外，通过对铝液中Al2O3结构特性的分析，可以认为铝液中的氢除了以原子态存在外，还将与Al2O3结成一体，也可成为形核基底，促使气核形成。目前关于夹杂在气孔非自发形核中的作用机制问题仍在研究中。Mohanty等认为，只有那些为移动的液/固界面所推移的夹杂才可以成为气孔的异质形核基底。而那些被液/固界面捕获的夹杂则对气孔形成没有影响。夹杂成为异质核心的热力学可能性由净界面能△σo=σps-σpl(σps,σpl分别为夹杂与固相、液相间的界面能)所决定。相同的夹杂在不同条件下可表现出完全不同的行为，使夹杂在气孔等疏松类缺陷中的行为表现出“不确定性”。

　　5)、Al2O3—氢相互作用机制分析

　　通过以上分析可见，铝熔体中杂与气之间存在着相互依存和相互作用的关系。夹杂对气孔的形成起着关键的作用。目前对于相互作用机制的研究尚无定论，并且对于氢依附于夹杂上生核的问题主要是从热力学(润湿性、附加压力等)方面考虑。这是很重要的。但仅从凝固过程中的气泡生核角度阐述显然是不够的。凝固前(高温下)杂气之间的行为及关系如何也很重要。有必要从杂的结构特性等方面进一步分析，并阐明杂气关系。同时对于Al2O3界面是气体生核源的理论分析已较深入。但直接验证还不多见,也有必要进一步探讨。

　　在铝液降温过程中，气泡的形成同样要经过新相气核的产生和长大两个过程。因此笔者认为：

　　在微片状杂的表面或周围，由于氢的浓度等起伏的存在，引发出现了非平衡状态的不稳定的微观富氢区。其中某些氢的富集小区会借助于杂—氢之间形成的综合聚集力场(诸如接触电势场、静电力场、吸附力场、化学能和物理能等)的作用下，直接或间接地(即经迁移后)在杂的表面，以“吸附窗”为基底，不断地富集到一定几何尺寸，最后寄生于杂上形核。形核后：

　　(1)、使铝—杂—氢系统的自由能降低,整个过程的进行是自发的;

　　(2)、造成周围空间出现氢的浓度梯度。由于氢的平衡扩散的结果，促使寄生于杂上的气核不断长大，当超过临界生核尺寸时便形成气泡。微细又带气的杂，由于综合密度接近铝液，很难在合金凝固前逸出液面。因此在凝固过程中，若残留下来将被推至凝固界面前沿而成为氢气孔形核的基底。但此时在凝固界面前沿由于溶质再分配，也同时形成了氢富集区。由于氢平衡扩散的结果使得氢原子将不断扩散进入带杂的气泡中，，促使氢气泡进一步长大，最后在铸件中形成了微气孔(针孔),或称杂气孔。这种氢在杂上的形核长大过程称之为“寄生机制”。其可以简述如下：

　　在铝—杂—氢系统中的氢由于浓度等起伏的存在，形成许多微观富氢区。某些小区会借助于杂—氢间的综合聚集力场的作用，直接或经迁移间接地借助杂表面的“吸附窗”为基底寄生形核;形核后造成周围空间氢的浓度梯度。因平衡扩散的结果而促使气核长成气泡。其从而阐明了杂对气孔形成影响的全过程。据此，可以认为：铝液中气寄生于杂，杂吸附着气，从而造成排杂除气的动力学条件恶化。因此可以说，杂的存在是铝中气体难以除净的关键限制因素。排杂是除气的基础。

　　为了验证以上分析，并弄清夹杂物对气孔形成的重要影响，笔者已进行了一系列试验，初步获得了气孔在夹杂上形核的证据，阐明了夹杂与气体相互作用的“寄生机制”推理的可信性;并指出，只有首先着眼于提高对铝中夹杂的净化程度，才可从根本上消除除氢净化动力学的主要障碍及铝液增氢倾向的主要根源。净化铝液时，排杂是主要的，是除气的基础，是提高铝材冶金质量的关键。实践也已完全证实了这一观点。

　　b)、新型铝合金熔剂净化

　　新熔剂既要满足熔点低、密度小、流动性好、粘度和表面张力适中的要求。其有利于排渣的物理性能;又要考虑熔剂与熔体金属、炉衬及气体介质的化学相互作用特性。由于希望其实现除氢除杂净化的主要功能，因此新型熔剂首先采用能与铝液中的气体产生有效反应生成不溶于金属中的惰性气体并能去氢除杂，以保证熔剂净化效果;其次新熔剂中采用对铝具有惰性的盐类—氯化物，使熔剂起到保护的作用。再就是新熔剂不能溶解于熔体，不应与炉衬起化学作用;还要满足熔剂不易吸湿、蒸汽压要低、铺开性好、持续保护性优，分离性佳、吸收、溶解熔体中的夹杂物、将气体排除的能力强、有害气体的排放量少、制造方便，价格便宜的使用性能的要求。诸如将新型的铝熔体净化稀土熔剂(JDN-Ⅰ型),用于A356铝合金,具有较好的净化和细化效果[1]。其特性为：

　　①、JDN-Ⅰ熔剂熔点低、密度小;

　　②、对铝合金净化效果显著,可使A356合金熔体720℃时的含氢量从0.30ml/100gAl以上下降到0.10ml/100gAl以下;

　　③、JDN-Ⅰ熔剂对A356合金具有一定的变质细化效果;

　　④、JDN-Ⅰ熔剂除了单独应用于铝熔体净化外,还可配合其他净化方法使用。

　　先进铝熔体净化技术应用的可持续发展

　　由于氢和夹杂物的存在给铝及其合金的性能带来直接或间接的危害。因此，提高铝熔体纯净度水平已成为生产高质量铝材的关键。其促进了近年来铝熔体净化处理技术的不断发展。铝熔体的净化方法(工艺)的种类很多，按其净化机理可分为三类：吸附净化、物理净化(非吸附净化)、过滤净化。对于每种净化工艺，其除氢和排杂作用往往兼而有之，但又各有侧重。铝熔体的净化处理技术主要是指除氢技术和排杂技术。以下分除氢净化、排杂净化及复合净化进行讨论。

 2/4   首页 上一页 1 2 3 4 下一页 尾页