原材料中的氢在熔炼过程中的遗传性

    氢在固态中的存在形态主要有3种：固溶体、化合物和分子态［1］。而在铝熔体中，氢主要以下列几种形式存在：原子态(溶解态)，以H状态溶解到铝熔体中；氢分子态，H2和Al2O3之间有相互作用，zui早认为H2和Al2O3以复合物形态mr－Al2,nH+存在，还有一种观点认为Al2O3吸附H2,属化学吸附，但缺乏实验依据。黄良余通过试验观察证实，Al2O3吸附氢属于物理吸附，氢气存在于Al2O3的裂缝中，形成负曲率半径的氢气泡［2］；化合物，氢原子和铝液中的某些合金元素形成氢化物存在于铝液中。
　　到目前为止，国内外在金属遗传性方面的研究很多，并且取得了很大进展。试验证实，在铝铸件生产中，其组织和力学性能存在着明显的遗传性。Al-Ti-B中间合金经过加工使其中的化合物细化后，能大幅度提高它对铝的晶粒细化作用。作者认为在细化过程中，存在着组织遗传效应［3］。Al-Sr中间合金变质效果也存在着遗传效应［4］。遗传效应θn可用下式表示：
　　θn=(Kn-Cn)/Kn×100%　　　　　(1)
式中　n——第n代遗传
　　　Kn——经过n次重熔后金属型试棒的力学性能
　　　Cn——经过n次重熔后干砂型试棒的力学性能［5］
　　人们也提出原材料中的气体存在着遗传性，但至今尚无进一步的理论探索和试验验证。我们将通过试验证实原材料中氢的形态和原始含量都存在着遗传性，并探索原料中氢的遗传规律。同时，也将探讨凝固条件、熔炼条件对原材料中氢遗传性的影响，并提出遗传效率的概念。

1　试验方法

试验所用原料为各种铝合金。炉料的熔化采用坩埚式电阻炉熔化，坩埚为石墨粘土坩埚。铝溶体中氢含量的测定采用英国SEVERN SCIENCE公司制造的HYSCAN Ⅱ(Hydrogen in Aluminium Analyser)测氢仪。氢含量的单位为mL/kg.该仪器采用RPT(Reduced Pressure Test)法测氢。测量精度为0.1mL/kg.具体操作为：开机后大约抽20～30 min的真空，然后，对仪器进行自动调零，自动调零完毕，空测一次，若仪器正常，即可进行测试。把特制的取样钢勺预热，然后取样约100 g,打开样品室盖，迅速将待测铝液倒入样品室中，真空系统瞬间(大约3～5 s)抽真空，然后开始测试，大约5 min，测试完毕，打印机打印出结果(包括测试序号、测试日期、试验时间、氢含量)。

气孔率：在试样断面上找一个具有代表性的面积S,用显微硬度计，读出该面积上的气孔数N,把气孔按直径的大小分成特大、大、中、小四类，其数目分别为N特大、N大、N中、N小，面积分别为S特大、S大、S中、S小，则：

气孔率(%)=(N特大S特大+N大S大+N中S中+N小S小)×100%/S　　　(2)

　实验结果与分析

2.1　气孔的遗传性

图1、图2分别为原材料断面宏观照片和测氢后试样断面宏观照片。所用原材料的制备：相同熔炼条件下，氢含量不同的铝液，浇到相同的砂型中制得。将原料在相同的条件下熔炼，测氢，在同一金属型负压下凝固得图2中的试样.图3为原料气孔率和该料熔化后氢含量的关系曲线。由图1～图3可见，炉料中的气孔和组织、力学性能一样，也存在着遗传效应，而且，在一定条件下，其遗传性是相当明显的。炉料中的气体和氧化夹杂物的原始含量存在着遗传性，他们和铝液中的气体和氧化夹杂物有关，并直接影响着铝铸件的力学性能［1］。这一点和我们的试验结果相一致。

图1 原材料断面宏观照片
Fig.1 Macrographs of sections of the raw materials

图2 测氢后试样断面宏观照片
Fig.2 Macrographs of sections of the specimens after testing

 

图3 原料气孔率和熔化后氢含量之间的关系
Fig.3 Relationship between the porosity ratio in raw
malerial and hydrogen content fater melting

2.2　凝固速度(铸型不同)对熔体中氢遗传性的影响

图4为同一浇注条件下，同一炉铝液分别浇注到湿砂型和金属型中所得到的铸件断面的气孔宏观照片。很明显，浇注到金属型中的断面没有气孔，而湿砂型中的断面气孔很明显，但再熔化后分别在同一温度，同一保温时间(即测试条件相同)的情况下，测试它们的氢含量，熔化后的断面气孔率和氢含量如表1所示。结果是气孔多、气孔率高的氢含量反而少。炉料中氢的遗传是多方面的，氢在炉料中有好几种存在形式，而这每一种形式的氢在熔化的过程中都会发生遗传，但遗传的程度可能不一样。因为，铝液吸氢是一个动态平衡过程，铝液既要以各种不同的形式吸氢，同时，氢也会不断从铝液扩散析出。只不过，不同阶段铝液吸氢和呼氢的程度不同，气孔中的氢的遗传是导致铝液中zui终氢含量的一个方面。固溶于炉料中的那部分氢、以氢化物形式存在的氢、吸附于氧化夹杂物的氢、还有以其他形式存在的氢在炉料熔化的过程中都要遗传。但各部分氢遗传的程度即遗传效率不同。所谓的遗传效率是指，对于一定形式存在的氢来说，遗传到铝液中的氢和炉料中的原始氢含量的百分数。这里的遗传效率和前面所提到的遗传效应不一样。前者表示遗传的量的概念，而后者则是对炉料中氢的遗传性的定性描述。炉料中氢的存在形式不同，而且不同存在形式的氢的遗传效率不同，这几方面综合作用的结果决定了铝熔体的zui终氢含量。如上所述，在湿砂型和金属型中，由于两者的凝固速度不同，金属型凝固速度很大，铝液凝固时，绝大部分的氢来不及形成气孔或以其他形式析出，只能以过固溶的形式存在于铸锭中(由于S液／S固=20［6］，所以氢都以过固溶的形式存在)；而湿砂型的凝固速度相对较慢，铝液凝固时，一部分的氢以固溶形式存在，另一部分氢则以气孔的形式存在于试样中。如上所述，两种形式存在的氢的遗传效率不同，而且以过固溶形式存在的氢的遗传更强，这导致了上述结果。

a. 金属型　b. 砂型
图4 同一金属液不同的铸型中制得的试样断面宏观照片
Fig.4 Macrographs of sections of specimens obtained from the same
melt in different moulds (left:metallic mould;right:sand mould)

表1　不同铸型中制得的炉料熔化后的氢含量
Table 1 Hydrogen content of the materials
obtained from different moulds after melting

	金属模	湿砂模
气孔率/%	0	0.78
氢含量/mL．5kg-1	1.7	1.3

2.3　熔炼条件对铝熔体氢含量及炉料氢遗传性的影响

熔炼条件对熔体氢含量的影响，见表2、表3、表4。

表2　新坩埚熔化炉料熔体氢含量和保温时间的关系
Table 2 Relationship between hydrogen content
and holding time after melting in the new crucible

温度/℃	保温时间/min	氢含量/mL．kg-1
740	10	3.3
780	15	4.6
780	60	4.2
780	150	5.2
780	180	5.8

表3　上述炉料二次重熔后测得的氢含量
Table 3 Hydrogen content of the remelting of above
mentioned malerial after melting for the second time

保温时间/min	氢含量/mL．kg-1
0	3.6
20	4.2

表4　坩埚经过处理后熔化同一炉料所得的熔体氢含量
Table 4 Hydrogen content of the melt molten
in treated crucilbe with same materials

温　度/℃	氢含量/mL．kg-1
780	0.6
780	0.8

因此，我们得出结论：未经处理的新坩埚，熔化*炉铝料，熔体的氢含量相当高，即使重熔，其氢含量仍然很高，见表2、表3。相反，经过处理的新坩埚，熔化的铝料，其氢含量不高，见表4。所以，使用新的坩埚，必须经过处理(加热到850 ℃以上，保温1～2 h)。而且，从上述各表也可以看出，新坩埚对铝料中氢遗传性的影响是相当明显的。 

3　结　论

(1) 原材料中的气孔存在着明显的遗传性。

(2) 原料中氢存在着遗传性，不同形式存在的氢其遗传效率不同，气孔中氢的遗传只是原料中氢遗传的一方面。

(3) 凝固条件、熔炼条件都影响着原材料中氢的遗传。