A356铝合金凝固过程中析氢行为研究

A356铝合金凝固过程中析氢行为研究

周迪生，龙伟，徐驰骏，张恒华

（上海大学材料科学与工程学院，上海200072）

摘要：铝及其合金在熔炼过程中，往往存在着吸氢现象。当熔体温度下降时，氢在熔体中的溶解度下降，会从熔体中析出，导致铸锭或工件产生气孔、疏松等缺陷。采用减压凝固和不同模具预热温度浇铸，对比分析了凝固压强和模具预热温度对A356熔体析氢的影响。结果表明，高的凝固压强和低的模具预热温度抑制熔体中氢的析出，可使氢固溶在铝合金中，从而提高其组织的致密性。

关键词：析氢行为；减压凝固；模具预热温度；A356铝合金

Study on the Behavior of Hydrogen Precipitation during A356 Aluminum Solidification

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072)

ZHOU Di-sheng, LONG Wei, XU Chi-jun, ZHANG Heng-hua

Abstract：There always exist the phenomenon of hydrogen absorption in aluminum alloy melt. When melting temperature drop, the solubility of hydrogen in melt was decreased and the hydrogen precipitated from melt. Porosity in cast ingots or workpieces were produced. Casting in decompression solidification and different mould preheating temperatures were used, the effect of solidification pressure and mould preheating temperature on hydrogen precipitation in A356 melt were compared and analyzed. The results showed that the hydrogen precipitation was inhibited in high solidification pressure and low mould preheating temperature. Hydrogen was dissolved in aluminum alloy and the density of the organization was improved.

Key Words:Behavior of hydrogen precipitation; Decompression solidification; Mould preheating temperature; A356 aluminum alloy

作者简介：周迪生，男，硕士研究生，江苏徐州人，主要从事铝合金精炼的研究工作，联系电话:188********，E-mail：zhoudisheng@https://www.wendangku.net/doc/112955704.html,

在高温的铝液中，氢主要以氢原子的形式存在。铝液中氢的溶解度随着熔体温度的上升而增加，当液态铝凝固时，氢在铝中的溶解度急剧降低95%，大部分氢会以氢分子的形式析出。当熔体中氢含量比较高时，其内部过饱和氢原子大部分会结合成氢分子从铸锭上方逸出，或滞留在铸锭内部形成气孔或疏松，小部分氢会固溶在凝固的合金中[1-4]。当熔体中的氢含量不高时，控制好熔体的冷却速度和凝固压强，可使熔体中的氢固溶在凝固后的铸件中，也能获得合格的铸件[5]。

在实际大型铸件生产中，由于铸件体积大散热慢而导致其内部的氢原子析出，在铸件内部产生气孔或疏松等缺陷。为了更好的研究氢在铝熔体的析出行为，本实验采用向A356铝合金熔体中插入新鲜树枝的方法增氢，然后在不同的凝固压强和模具预热温度下凝固，分析熔体中析氢行为，为实际浇铸提供合理的建议。

1实验过程

1.1 实验材料

实验所用材料为A356铝合金，其成分如表1：

表1. A356铝合金化学成分（wt%）

Table 1 Chemical composition of A356 aluminum alloy

Si Mg Zn Cu Mn Fe Ti Al 6.83 0.35 0.17 0.0036 0.0035 0.1 <0.001 余量

1.2 浇铸条件及过程

用石墨坩埚在电阻炉熔化定量的A356合金，向铝熔体中插入适量的新鲜树枝，用以增加铝熔体中的氢含量。选择浇铸温度为800℃，因为在此温度下氢的溶解度较大[6-8]。浇铸模具为石墨模具，如图1所示。

实验选取两组压强，一组在常压（0.1MPa）条件下凝固，另一组在减压（0.01MPa）条件下凝固（在减压凝固仪中进行，如图2所示）。常压组浇铸时，选取石墨模具预热温度为室温、300℃和600℃，浇铸后在室温下冷却，并用测温仪记录每个试样的冷却过程。减压组凝固时，也选取石墨模具预热温度为室温、300℃和600℃，浇铸后在室温下冷却。

图1 石墨模具示意图图2 减压凝固仪

Fig .1 Schematic diagram of graphite mould and cast ingots Fig .2 Decompression solidification instrument 将浇铸好的圆柱体试样剖开（切割面如图1），拍摄宏观金相，观察并分析其剖面上氢

气泡的析出行为。

2实验结果与分析

2.1 模具预热温度对熔体析氢的影响

由图3可以看出，在常压下凝固时，随着石墨模具预热温度的升高（室温、300℃和600℃），试样中气泡的数目增多，并且逐渐变大。图4为减压下凝固的试样，其变化趋势和图3一致。

图3 在温度为室温（a）、300 ℃(b)和600 ℃(c)的铸模中常压浇铸的A356合金试样截面的宏观形貌Fig.3 Macrographs of section of the A356 alloy specimens poured in molds (a) not preheated, (b) preheated to 300 ℃ and (c)preheated to 600 ℃ under normal pressure

图4在温度为室温（d）、300 ℃(e)和600 ℃(f)的铸模中减压浇铸的A356合金试样截面的宏观形貌Fig.4 Macrographs of section of the A356 alloy specimens poured in molds (d) not preheated, (e) preheated to 300 ℃ and (f)preheated to 600 ℃ under reduced pressure

常压下浇铸试样的冷却曲线如图5所示。从图中可以看出，试样从610℃降到500℃，模具预热温度为600℃时需要270秒，模具预热温度为300℃时需要125秒，而模具预热温度为室温时仅需要60秒。可见模具预热温度高时，试样的冷却速度慢。

图5 常压下不同模具预热温度浇铸时试样的部分冷却曲线

Fig .5 Typical cooling curve of different mould preheating temperatures casting under atmospheric pressure

氢在铝液中的扩散速度可用原子的扩散系数D 表示。D 的表达式[9,10]如下

exp()2H D RT

-?= （1） 式中D —氢的扩散系数，cm 2/s ；

ΔH —氢的扩散热，J/mol ；

PH 2 —氢分压，MPa ；

R —气体常数，8.3 J/(mol·K)；

T —铝液温度，K ；

K —常数。

因为式中K 、R 、P H 2和ΔH 都是定值，D 随温度T 的升高而增大，即氢扩散速度随熔体

温度升高而增大。当熔体冷却至半固态时，（1）式不再适用，因为熔体中出现的固相α-Al 将显著阻碍氢的扩散。半固态时氢的扩散速度要明显小于液态时的，但远远大于氢在完全固态中的扩散速度。从图5可以看出，石墨模具预热的温度越高，试样的冷却速度越慢，即熔体在液相区和半固态区停留的时间越长，这有利于氢原子的扩散和氢分子的聚集，最终形成氢气泡。而氢气泡的数目多且大，获得的试样组织疏松，可以推知其力学性能较差[11,12]。

2.2 凝固压强对熔体析氢的影响

如图6所示，当模具预热温度一定时，减压凝固试样氢的析出量要高于常压凝固试样，并且氢气泡的半径比较大。

图6 在未预热（a,b ）、预热至300 ℃(c,d) 和600 ℃(e,f)的铸模中常压（a,c,e ）和减压(b,d,f)浇铸的

A356合金试样截面的宏观形貌

Fig.6 Macrographs of section of the A356 alloy specimens poured in molds (a,b) not preheated, (c,d) preheated to 300 ℃ and (e,f)preheated to 600 ℃ under(a,c,e) normal pressure and (b,d,f)

reduced pressure

根据析氢的动力学原理，氢从铝液中以气泡形式析出需满足下列条件[9,10]才能成核: （2）

其中 σ—铝液的表面张力，dN/cm ；

R —气泡半径，cm ；

PH 2―气泡中氢压力，KPa ；

∑P―作用在气泡上的外力和，KPa ；

P at —铝液上方气相中的压力，KPa ；

P m —气泡上方铝液液柱静压力，KPa ；

m P gH ρ= （3）

H —气泡上方铝液液柱高度，cm ；

g —重力加速度，N/Kg ；

ρ—铝液密度，g/cm 3。

从式（2）可知，氢气泡形核要克服外界气压，铝液重度产生的压强及表面张力，但是由于铝液中总含有Al 2O 3夹杂，成为氢气泡形核的基底，因此氧化夹杂的存在，使得氢气泡更容易形核。

由于Al 2O 3夹杂的存在，忽略2σ/R 对形核的影响。熔体中的氢含量在短时间内不变，因此浇铸每个试样的PH 2可看做一样，此时凝固时的压强P at 对形核起到重要的作用。当凝固压强P at 小时（0.01MPa ），对形核起促进作用，且P m 大些也可形核，由式（3）可知，氢气泡形成的深度可以大些，从图6的b 、d 、f 试样可以看出来。当凝固压强P at 大时（0. 1MPa ），则需要大的PH 2才能使形成氢气泡。因此凝固压强大时抑制氢的形核，可以使氢固溶在铝合22H at m P P P P R σ≥∑=++

f

金中，能获得组织致密的试样，可以推知其力学性能较好。

3结论

（1）在凝固压强一定时，模具温度低时，此时冷却速度较大，氢原子转变为氢分子的量较少，使大部分氢固溶在铝合金中。因此在实际铸造时，在保证铝熔体流动性的前提下，可选用低的模具温度。

（2）在模具温度一定时，凝固压强高时，可使氢固溶在铝合金中以原子氢的形式存在，使获得的试样比较致密。

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