Interaction between metal and furnace air
发布时间：2016-07-04 浏览次数:4282
铝及其合金几乎与除了惰性气体之外的所有气体：氢气、氧气、氮气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳及各种碳氢化合物相互作用。反应的结果，铝及铝合金被气体及气体与铝合金的反应产物所污染。但是，在这些非金属夹杂物中，只有氢气和固态金属氧化物的数量才足以对合金的组织和性能造成影响。在熔炼过程中，与铝炉料长期相互作用的炉气成分随具体条件而异。
1．氢在铝中的溶解过程
在熔炼温度范围内，铝和氢实际上不形成化学化合物，但氢在铝中能产生非常显著的溶解．氢在铝中的溶解是按“吸附一扩散一溶解”三个连续的过程进行的。首先，炉气或大气中的氢分子撞击到金属表面上，在化学亲和力的作用下，氢分子在金属表面上凝聚并离解成为原子。这就是所谓化学吸附过程。这里应该指出，根据气体与金属元素之间的亲和力大小，吸附可分为物理吸附和化学吸附两种形式。物理吸附是由于金属表面原子层上下两个方向受力不平衡而形成的力场对碰撞到金属表面上的气体分子产生吸引而发生的。物理吸附最多只能覆盖单分子厚度，且气体仍处于稳定的分子状态，因而不能为金属所吸收，即物理吸附不能产生溶解。化学吸附发生在高于零度的温度，其推动力是反映组元电子耦合的化学亲和力，因此只有与金属原子有一定亲和力的气体(对于铝而言，如氢、氮、氧、水蒸气、二氧化碳等)才能发生化学吸附，或叫活性吸附。在化学吸附中，消耗了某些活化能，但未产生新相，故不是化学过程。化学吸附的结果，一是气体分子在金属表面凝聚，二是气体分子在表面离解成为原子。在铝的熔炼温度范围内，化学吸附速度随温度升高而增大，至一定温度后吸附才减缓，并且在很大程度上取决于表面状态。
金属表面层不断地吸附和离解气体，对于氢气，当金属表面的氢分压大于金属内部的氢分压时，则吸附在金属表面的氢原子就会在分压差的推动及与金属亲和力的作用下向金属内部扩散。这就是所谓扩散过程。显然，金属内外氢分压差愈大(即浓度差愈大)，温度愈高，则扩散速度愈快。此外，熔体表面的物理化学状态对扩散速度也有重要影响。如果在熔体表面吸附的结果是形成化合物，那末扩散速度不再与压力有关，这时，扩散速度取决于这种气体在已形成的化合物层中扩散的能力。
随着扩散过程的继续，氢以原子一离子状态溶人铝液中，形成含氢的铝“溶液”。这就是所谓溶解过程。在铝熔体吸收氢气的过程中，占支配地位的是扩散过程，它决定了铝熔体吸收氢气的速度。对于铝熔体中的Ti、Zr、V、Li、Na、Si等金属元素，它们与氢反应形成氢化物，呈吸热效应，但随温度升高而分解。
2．氢在铝中的存在形态
从上可以看出，在铝及铝合金中，氢的可能存在的形态有四种：①以“溶液”或“固溶体”形式存在的原子氢，这是氢在铝熔体中的主要存在形式；②氢含量超过其溶解度后以气泡形式析出并存在的分子氢；③以氢化物形式存在的化合氢；④下面将要叙述的以γ—Al203·χH形式存在的络合氢。在铝熔体中，除在熔体表层和夹杂物附近氢比较富集外，在其他部分的分布是比较均匀的。在固态铝及其合金中，固溶的原子氢填充于固溶体和金属间化合物的金属点阵内部，形成间隙式固溶体；分子氢则集中于气孔和疏松孔洞中；化合氢和络合氢与其化合物一起主要分布在晶界和枝晶界处。
3．氢在铝中的溶解度和铝中的气体含量
过去关于铝及铝合金中氢气溶解度的许多文献资料是极为矛盾的，特别是三四十年前发表的数据。这些矛盾的产生来源于两个方面：①测定金属中气体含量的方法不完善，②使用的溶解度概念不准确。过去人们曾把溶解度理解为被金属所吸收的气体总量，而不管气体在金属中以何种形态存在。这种概念如果说对气体在金属中的存在形态还不十分清楚的以前是允许的，那么在现代则是不能接受的。因为这会导致一系列错误，使气体在金属中的溶解度偏离西微尔氏定律(平方根定律)，并在许多情况下得不到溶解度的真值。在一定的温度和压力条件下，以溶液或固溶体形式存在于金属中的气体的饱和浓度，叫做该条件下气体在金属中的溶解度。显然，温度不同，压力不同，气体在金属中的溶解度也不同。金属中的气体含量是指在一定条件下金属中所吸收的气体总量，而不管气体在金属中的存在形态，也不管是否达至饱和。气体溶解度和气体含量常用两种方法表示：一种是体积表示法，即用每100克金属中含有的气体在标准状态(一个大气压和摄氏零度)下的体积来表示，单位是mL/100g。另一种是质量表示法，即用金属中气体含量的质量比来表示，单位是ppm(即×l0-6)。
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