气体在金属及合金中的溶解度分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在纯铝中加铜或硅后都会使氢的溶解度降低，在其中加入铜后，氢的溶解度急剧减低；在铝及铝合金中加镁后，氢的溶解度反而急剧增大。其他气体在铝中的溶解度一般都不明显，危害性不如氢那么严重，氢是铝及铝合金中危害性最严重的气体。在铜中加镍，氢的溶解度随镍添加量的增加而增大。

在一般情况下，氧能与金属形成氧化物，而溶解在某些金属中，但溶解度较低，一部分则作为氧化渣浮于金属液面而被排除。氧在熔化的银中的溶解度最高。

氢能溶解在大多数的金属中，在铝、镁及某些高熔点金属中，溶解度比较高；在铅、锌等低熔点金属中溶解度就比较低。

氮在许多金属中的溶解度都极低，在某些金属中则不溶解。因此，因内外多把这种惰性气体作为一种除气剂来清除金属液中的气体。

氯和其他卤族元素不溶于熔融金属中，所以氯也可用做铝及铝合金的除气剂。

惰性气体（氩、氦、氟利昂等）不溶于金属液中，故氩气能除去镁合金中溶解的气体。

气体溶解度是指在某温度时，金属在该气体压力为一个大气压作用下达到平衡情况下的数值。

1.铝及铝合金

铝及铝合金极容易吸氢，它们所吸收的气体中，85％以上是氢，其余为氧、氮及碳与氢的化合物。氢在铝中的溶解度可根据Ransley公式进行精确测定，用下式表示：

在固态铝中lgS＝±0.652－2080／T＋1／2lgp_H2

在液态铝中lgS＝1.356－2760／T＋1／2lgp_H2式中T——热力学温度（K）；

p_H2——氢气分压力（Pa）；

S——氢的溶解度（cm³／100g）。

Ransley与Neufeld测得氢在纯铝中的溶解度见表1-3。

表1-3 氢在纯铝中的溶解度

氢在铝合金中的溶解度随合金化元素的增加而降低，具体要根据加入合金化元素本身溶解氢的能力是比基体金属强还是弱来决定。在纯铝中加铜或硅后都会使氢的溶解度降低，在其中加入铜后，氢的溶解度急剧减低；在铝及铝合金中加镁后，氢的溶解度反而急剧增大。

其他气体在铝中的溶解度一般都不明显，危害性不如氢那么严重，氢是铝及铝合金中危害性最严重的气体。铝液温度急剧下降到其凝固温度时，氢的溶解度也急剧减少，但仍会在铸件中形成气孔。

添加的合金元素若能使铝的表面膜更加致密（如加入铍），就可使氢的溶解度降低。这样可以减少吸气的量。

2.镁及镁合金

氢在固态及液态镁中的溶解度很高。在一个大气压下，在熔点650℃时，每100g镁可溶解20mm³（标准状态下）的氢，从650℃的熔化镁至液态时，可溶解26mm³的氢，达到900℃时，则可溶解30mm³的氢。

3.铜及铜合金

氢在铜中的溶解度相当大，1000℃的铜液中，氢的溶解度为5.73mm³／100g。在铜中加镍，氢的溶解度随镍添加量的增加而增大。含有二氧化硫的水蒸气也易溶解在铜中，而SO、CO₂及N₂则不溶于铜中。

4.镍

镍溶解氢气的能力也很强，在温度为1455℃时，氢在液态镍中的溶解度为39mm³／100g，再升温到1550℃就达到42mm³／100g，而在1455℃，氢在固态镍中的溶解度也达到17mm³／100g。

5.钛

氢在钛中的溶解度较小，Ti与H₂之间的反应是放热反应，产物为TiH及TiH₂，反应可逆。

6.铁与钢

氢在纯铁中的溶解度随着温度的升高而增大，但不明显；氮在铁液中的溶解度与氢相差不多。向铁中加入合金元素时，对氮的溶解度影响很大。氧以氧化铁的形式溶解在铁液中，达到饱和状态时，就在铁液面上形成氧化物膜，在熔化温度与一个大气压下且氧气相平衡的铁液中，氧化铁的溶解度为0.17％（质量分数），温度升高后，溶解度降低。

气体在金属及合金中的溶解度分析

相关推荐