CN100394161C - 铸造铝合金熔液含氢量的定量检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种铸造铝合金熔液含氢量的定量检测方法，其步骤为先将位于真空室内的坩埚加热至200℃～550℃后保温；再从熔炉中取出铝液，快速置入坩埚内；然后对真空室抽取真空，抽气速度为0.5dm³/s～3dm³/s；采用压力传感器测量当铝液出现首批气泡时铝液的氢气压力，获取氢气压力值P_H；采用热电偶测量当铝液出现首批气泡时铝液的温度T；最后利用公式计算含氢量。其装置包括真空室、加热恒温装置、压力传感器、真空装置、热电偶和计算机处理系统。本发明测量精度较高，操作简便快捷。本发明适用于铝液含氢量的间隔测量，每次测量时间仅为2～4分钟，其测量范围可达到0.01～3cm³/100gAl，测量精度可达到0.01cm³/100gAl，重复测量误差可达到0.01(cm³/100gAl)。

Description

铸造铝合金熔液含氢量的定量检测方法及装置

技术领域

本发明属于冶金及金属材料加工技术领域，具体涉及一种金属熔液质量控制方法及设备。

背景技术

铝合金具有质量轻、高比强度、散热性佳、吸震性好、电磁屏蔽性好、可回收性强等特性，随着现代工业的发展，铝及其合金在航天、航空、汽车、机械和建筑等工业部门的应用越来越广泛。铝合金在大气下熔炼很容易吸气，氢是溶解于铝液中的主要气体，铝合金中的气体H₂占全部气体的绝大部分。铝液中氢气含量的多少是反映铝合金冶金质量好坏的一个重要标志，同时也对其后续工序的产品的内在质量产生重大影响。由于固态铝合金的氢的溶解度比液态时低十几倍甚至几十倍，因此铝液在凝固时氢气会从熔体中析出，从而使铝铸件极易产生针孔、缩松等铸造缺陷，降低了铸件的力学性能、气密性；降低了铸件的成品率、生产率；增加了铸件成本。氢是铝合金中的有害元素，铝液含氢量的炉前检测是保证铸件内在质量的重要工艺环节，尤其在采用大容量熔炉进行大批量生产时，铝液测氢就会变得不可缺少。我国的铝资源十分丰富，而铝合金的加工技术却相对落后，特别是铝合金氢含量的检测技术更是很不成熟。发展铝合金的氢含量检测技术，成为扩大铝合金应用的当务之急。

世界各国都非常重视铝合金熔体的测氢技术，常规测氢方法很多，这些方法大体上可分为二类：取样法和直接法。取样法是从铝液中取样进行分析，确定其氢含量，直接法是使用探头在线直接对铝液进行定量测量。下面列举几种常见的方法及有关专利的情况。

(1)减压凝固法

此法是通过取数十克被测铝液浇注在减压容器内凝固。因外界压力低，即使气体量少，气体也以气泡的形式析出。通过试样凝固过程中其上表面因氢气析出所形成的凸起的表面状态和程度，加上观察者的经验而定性地判断所测熔体含氢量的多少。也有根据切断面气孔量的方法，以及比重测定的方法，但一般采用纵向切断面的气孔量与基准样本相比较的方法。本方法虽然简单，但一般只是定性的判断。

(2)根据第一气泡原理的方法

其测定原理是取数十克的熔液，在减压状态下凝固，根据熔体表面冒出第一个气泡时的温度和压力不同这一原理，通过测定这两个参量并经专用公式换算得出被测铝液的含氢量。利用这一原理，一些外国公司开发出一些定量测氢仪。我国的实用新型专利，“第一气泡放大法炉前快速测氢仪”(申请号：99256124.8)，主要设计了一种利于观察的放大镜，易于观察第一个气泡的出现。

(3)惰性气体循环法(Tele-gas法)

此法是直接测氢法，是Ransley等人于1950年代中期研制成的，它用少量氩气或氮气连续循环地通过铝液，在惰性气泡内的氢分压与熔体的含氢量达到平衡时，通过导热析气计测定出氢分压，同时利用热电偶测出熔体温度，经专用公式换算，得出被测熔体的含氢量。该方法的缺点是所用设备及仪器复杂，造价昂贵，操作复杂，探头寿命短，使用成本高。测氢速度比较慢，一般至少需要5分钟。

(4)质子导电陶瓷法

此法属于传感器测定法，是由日本名古屋工业大学、TYK公司所开发的。其原理是利用质子导电陶瓷，由熔液中的氢浓度与作为比较对象的一定的氢浓度之间的浓度差，通过氢传感器而产生电压变化，从而直接测量氢气量的方法。由于氢传感器的开发而使本方法成为可能。

(5)其它方法

还有浓差电池法、直接抽取法等。此外，中国发明专利“铝合金熔体含氢量快速测量方法及测量仪器”(专利号：95113756.5)发明一种通过测量试样在砂型中凝固时因氢气析出而引起的膨胀来测定含氢量。我国的实用新型专利，“铝熔体及铝合金熔体用高速、高稳定测氢探头”(申请号：02244622.2)，发明一种用于连续测氢的探头设计及材料。

综上所述，目前国内在测氢装置研制方面相对落后，绝大部分定量测氢装置都是进口的。但使用国外仪器存在两个问题：一是购置费用太高，难以推广使用；二是售后服务没有保障，特别是仪器出现故障后，一般很难及时恢复使用。因此，自主开发性能优越、价格便宜的铝液定量测氢技术显得尤为重要。

发明目的

本发明的目的在于提供一种铸造铝合金熔液含氢量的定量检测方法及装置，本发明可用于铝合金含氢量的炉前快速定量检测，达到控制铝液的含氢量，提高铝液质量，降低铝铸件产生针孔、缩松等铸造缺陷的机会。

本发明提供的一种铸造铝合金熔液含氢量的定量检测方法，其步骤为：

(1)、将位于真空室内的坩埚加热至200℃～550℃后保温；

(2)、从熔炉中取出铝液，快速置入坩埚内；

(3)、对真空室抽取真空，抽气速度为0.5dm³/s～3dm³/s；

(4)、采用压力传感器测量当铝液出现首批气泡时铝液的氢气压力，获取氢气压力值P_H；

(5)、采用热电偶测量当铝液出现首批气泡时铝液的温度T；

(6)、利用下式计算铝液含氢量C_H：

$\lg C_H=0.51g{P}_H-\frac{A}{T}+B$

其中，A、B为合金成分的修正系数。

实现上述方法的装置，其特征在于：真空室由本体和上盖构成，上盖设有观察窗口，坩埚位于真空室内，其外设有加热恒温装置，用于预热和保温，本体与坩埚之间的空隙处填充有绝热保温材料，真空装置用于真空室抽真空使用，压力传感器与真空装置的抽气管道相连，热电偶置于坩埚内用于测量铝液温度；计算机处理系统与热电偶和压力传感器相连，采集温度和压力信号。

本发明直接利用铝液中氢气压力和铝液温度的测定值及铝合金的成分确定铝液含氢量，因而测量精度较高，操作简便快捷。本发明适用于铝液含氢量的间隔测量，每次测量时间仅为2～4分钟。本发明装置的铝液含氢量测量范围可达到0.01～3cm³/100gAl，含氢量测量精度可达到0.01cm³/100gAl，重复测量误差可达到0.01(cm³/100gAl)。在实际生产过程中，通常是在预先规定铝液含氢量最大限度的基础上进行铝熔炼的，采用本发明就可以很容易判定铝液中氢气含量是否在允许范围内。考虑到即使要求最高的航空零件的低含氢量范围(0.05～0.07cm³/100gAl)，本装置都可以进行测量。

总之，本发明有利于提高铝铸件的力学性能、气密性，提高铝铸件的成品率和劳动生产率，降低铝铸件成本。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为铝合金熔液含氢量检测流程图。

具体实施方式

本发明的工作原理是：熔化时，液态铝和空气中的水分子反应的结果，使氢气熔入铝液。氢在铝熔体中主要以下列几种形式存在：原子态，即[H]溶解于铝熔液中；分子态，即H以H₂存在于Al₂O₃夹杂的裂缝中，形成负曲率半径的氢气泡；化合态，氢原子与铝液中的某些元素形成氢化物。铝合金的吸气机理：

氢在铝液中的溶解度C_H与铝液温度T、铝液中氢气压力P_H有关，它们的关系可通过下式表达：

$C_H=K\sqrt{P_H\·e^{\frac{\mathrm{Es}}{2\mathrm{RT}}}}---\left(3\right)$

式中E_s——氢的摩尔溶解热，J/mol

K——常数

T——铝液温度，K

R——气体常数，K·mol/J

C_H——氢在铝液中的溶解度，cm³/100gAl

P_H——铝液中氢气压力，Pa式(3)也可以用如下Sievert定律表示：

$\lg C_H=0.51g{P}_H-\frac{A}{T}+B---\left(4\right)$

式中A、B----与合金成分有关的常数

式(4)中，A、B、T都是容易确定的，唯P_H难以确定。因此要求得含氢量C_H，关键在于求得P_H值。

可以认为析出首批气泡时，铝液中的氢分压约等于铝液上方的压力。如果对合金液进行减压(抽真空)处理，当液面上出现首批气泡时，记下此时减压室内的压力(即合金内氢气的压力)和合金的温度，根据Sievert定律即可计算出铝合金中的含氢量C_H。

如图1所示，本发明的步骤为：

(1)、将位于真空室内的坩埚加热至200℃～550℃后保温，根据铝合金种类确定具体温度。

(2)、从熔炉中取出铝液，快速置入坩埚内。

(3)、为获得合适的气体析出速度，利用真空泵抽取真空时必须保持一定的抽气速度，其抽气速度为0.5dm³/s～3dm³/s，极限真空度为0.06Pa～10Pa。

(4)、采用压力传感器，铝液出现首批气泡时进行绝对压力测量，获取氢气压力值P_H；压力测量精度为0.1％。

(5)、采用K型热电偶测量铝液出现首批气泡时铝液的温度T，温度测量精度为±0.5℃。

(6)、利用下式计算铝液的含氢量：

$1g{C}_H=0.51g{P}_H-\frac{A}{T}+B$

对于标准牌号的铝合金，查表获取其修正系数A和B。对于非标准牌号的铝合金或表中没有对应成分的铝合金，修正系数A和B的确定方法为，通过抽取一定的铝合金溶液，水淬获得试样。将试样在高温气相色谱仪中测定含氢量，从而通过回归分析的方法获得修正系数A和B。

实现上述方法的装置如图2所示，真空室由本体1和上盖2构成，上盖2设有观察窗口，上盖2与本体1之间由密封圈密封，保持不漏气。坩埚3位于真空室内，其外设有加热恒温装置4，用于预热和保温，使坩埚的保温温度为200℃～550℃。本体1与坩埚3之间的空隙处填充有绝热保温材料。真空装置5用于真空室抽真空使用，其抽气速度为0.5dm³/s～3dm³/s。压力传感器6与真空装置5的抽气管道相连，用于测量铝液的氢气压力值P_H。热电偶7置于坩埚内用于测量铝液温度。计算机处理系统8与热电偶7和压力传感器6相连，采集温度和压力信号，获取温度值T和氢气压力值P_H。并利用上述计算公式计算获得铝液的含氢量C_H。

计算机处理系统中存有常用铝合金的修正系数，以加快检测速度。

上述装置的操作流程为：从铝合金熔化炉内取被测铝液约100克，浇入真空室内的坩埚3中，盖上真空室上盖2，启动真空装置抽取真空，通过观察窗口观察坩埚内铝液面上的气泡出现情况。当铝液面上出现首批气泡时，计算机处理系统8采集温度信号和压力信号，获取该时间的温度值T和氢气压力值P_H，计算出铝液的含氢量，并显示其计算结果。测量完成后，真空装置停止工作，真空室内充入空气，打开上盖2，取出试样。重复上述过程可进行多次测量。

下面以实例对本发明作进一步的说明。

实例1

对ZL102铝合金熔液未除气及采用无毒除气剂除气后两种状态下的氢含量进行对比测试，测试结果如表1所示。从结果不难看出本发明实际使用时的稳定性很好，最大误差都在0.01cm³/100gAl范围以内，完全可以保证铝合金生产和铝熔体除氢研究的需要。

表1ZL102除气前及采用无毒除气剂除气后的氢含量(cm³/100gAl)

实例2

对ZL201铝合金熔液未除气及采用惰性气体氩气旋转吹气除气后两种状态下的氢含量进行对比测试，测试结果如表2所示。

表2ZL102除气前及采用氩气旋转除气后的氢含量(cm³/100gAl)

实例3

对ZL104铝合金熔液未除气及采用六氯乙烷除气后两种状态下的氢含量进行对比测试，测试结果如表3所示。

表3ZL102除气前及采用六氯乙烷除气后的氢含量(cm³/100gAl)

Claims (2)

1.一种铸造铝合金熔液含氢量的定量检测方法，其步骤为：

(1)、将位于真空室内的坩埚加热至200℃～550℃后保温；

(2)、从熔炉中取出铝液，快速置入坩埚内；

(3)、对真空室抽取真空，抽气速度为0.5dm³/s～3dm³/s；

(4)、采用压力传感器测量当铝液出现首批气泡时铝液的氢气压力，获取氢气压力值P_H；

(5)、采用热电偶测量当铝液出现首批气泡时铝液的温度T；

(6)、利用下式计算铝液含氢量C_H：

${\mathrm{lgC}}_H=0.5{\mathrm{lgP}}_H-\frac{A}{T}+B$

其中，A、B为合金成分的修正系数。

2.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：真空室由本体(1)和上盖(2)构成，上盖(2)设有观察窗口，坩埚(3)位于真空室内，其外设有加热恒温装置(4)，用于预热和保温，本体(1)与坩埚(3)之间的空隙处填充有绝热保温材料，真空装置(5)用于真空室抽真空使用，压力传感器(6)与真空装置(5)的抽气管道相连，热电偶(7)置于坩埚内用于测量铝液温度；计算机处理系统(8)与热电偶(7)和压力传感器(6)相连，采集温度和压力信号。

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