鋁液中氫氣的含量的多少是反映鋁液冶金質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，同時(shí)也對(duì)鑄件的內(nèi)在質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

鋁合金在熔煉過程中鋁液會(huì)和水汽發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣并會(huì)溶入鋁液中，鋁液凝固時(shí)氫氣會(huì)從鋁液中拆出。若鋁液中氫氣含量過高，鑄件中容易形成氣孔，鑄件機(jī)械性能就會(huì)下降，嚴(yán)重者致使鑄件報(bào)廢。氫氣是鋁液中有害氣體，鋁液含氫量的爐前檢測(cè)是保證鑄件質(zhì)量的重要工序，尤其在采用大容量熔爐進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，鋁液測(cè)氫就會(huì)變得不可少缺。

目前測(cè)氫的方法很多，較普遍的方法有減壓凝固試樣密度測(cè)定法，真空萃取法，光譜分析法等。這些方法都要從鋁溶爐中取樣，操作技術(shù)要求高，并且只能間接地測(cè)定鋁液含氫量，測(cè)量過程不連續(xù)，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)（一般為15分鐘）。

下面介紹一種連續(xù)式鋁液含氫量的檢測(cè)方法，即哈培爾（CHAPEL）法。它是幾年前由歐洲RWTH-Aachen鑄造技術(shù)研究所發(fā)明的一種新的鋁液含氫量的檢測(cè)方法。在測(cè)量?jī)x器制造方面有著三十年成功經(jīng)驗(yàn)的瑞士FMA公司應(yīng)用此方法研制出了煞星測(cè)氫儀，該儀器已應(yīng)用于歐洲及亞洲各國(guó)鑄造行業(yè)，并由瑞士光華有限公司*代理導(dǎo)入中國(guó)市場(chǎng)。

哈培爾（CHAPEL）測(cè)量法的原理

熔煉時(shí)，鋁液和水汽反應(yīng)的結(jié)果，使氫氣熔入鋁液。氫在鋁液中的溶度CH和鋁液溫度下鋁液中氫氣的分壓PH2有關(guān)，并有下列關(guān)系：

	公式（1） 式中： Es──氫的克分子溶解熱；
	K──常數(shù)；
	T──鋁液溫度，°K；
	R──氣體常數(shù)；
	CH──氫在鋁液中的溶解度；cm3/100g鋁液；
	PH2O──鋁液中氫氣分壓，mPa；
	上式可用下列Sieverts定律表示： log CH=0.5·logPH2－A/T+B 公式（2）
	式中，A、B為與合金成分有關(guān)的常數(shù)。

常數(shù)A、B值見表1。

表1 常用鋁合金的溶解度常數(shù)值

式（2）中，A、B、T都是容易確定的，唯PH2難以確定。因此要求得含氫量CH，關(guān)鍵在于求得PH2值。

傳統(tǒng)的方法是根據(jù)鋁液表面冒出*個(gè)氣泡時(shí)的溫度、壓力來測(cè)定含氫量，所以也稱為“*氣泡法”。鋁液中析出氣泡的條件為：

PH2＞Pa+γh+2σ/R≈P外 公式（3）

式中：PH2──氣泡中氫的壓力，mPa；

Pa──大氣壓力，mPa；

γ──鋁液比重，g/cm3

h──氣泡上鋁液高度，cm；

σ──鋁液的表面張力，達(dá)因/cm；

R──氣泡半徑，cm；

P外──作用在氣泡上的外壓力，mPa。

可以認(rèn)為析出*批氣泡時(shí)，PH2≈P外，而P外是可以測(cè)定的，方法是將鋁液樣品注入一個(gè)小的鋼池中，再將鋼池置入真空罐中，迅速抽出罐內(nèi)空氣，觀察析出*批氣泡時(shí)罐內(nèi)的壓力，同時(shí)測(cè)量鋼池中鋁液溫度，根據(jù)式（2），即可算得含氫量。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，較難判斷*批氣泡，且鋁液中氧化夾雜含量對(duì)數(shù)據(jù)影響相當(dāng)大。試樣需先經(jīng)過濾，除去其中大部分的AL2O3。

歐洲RWTH-Aachen鑄造技術(shù)研究所發(fā)明的哈培爾（CHAPEL）測(cè)氫法是將一個(gè)通過氣密陶瓷管與壓力測(cè)定儀連接的圓柱形多孔石墨探頭直接浸入被測(cè)的鋁液， 并迅速抽去探頭內(nèi)的空氣。這時(shí)，石墨探頭就像是一個(gè)人造的“氣泡”，鋁液中的氫氣便向這個(gè)“氣泡”中擴(kuò)散直至“氣泡”中的壓力與鋁液中氫氣分壓達(dá)到平衡為止。這時(shí)只要測(cè)得探頭中的氣壓即可知道鋁液中氫氣分壓PH2，同時(shí)，通過熱電偶測(cè)定鋁液溫度T，根據(jù)式（2）即可算出鋁液含氫量CH。

探頭結(jié)構(gòu)及氣路原理見圖1及圖2：

圖1 探頭結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 氣路原理圖。

二、哈培爾（CHAPEL）測(cè)氫法的特點(diǎn)及應(yīng)用。

	圖3是測(cè)量過程中探頭內(nèi)氣壓變化曲線。根據(jù)探頭內(nèi)壓力的變化，可大致分為三個(gè)階段。 Ⅰ 抽真空階段，如AB曲線所示，這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間短（約幾秒）。 Ⅱ 消除壅壓階段。如CD曲線段所示。這樣抽真空系統(tǒng)已停止工作。 Ⅲ 鋁液中的氫氣向探頭中擴(kuò)散階段，如DE曲線段所示。當(dāng)探頭內(nèi)的壓力與鋁液氫氣分壓PH達(dá)到平衡時(shí)（E點(diǎn)），擴(kuò)散過程中止，測(cè)壓過程結(jié)束。這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間與鋁液中氫氣分壓大小有關(guān)。

為了縮短壓力達(dá)到平衡所需的時(shí)間，可以向探頭中注入一定量的氫氣，此時(shí)探頭內(nèi)的壓力變化曲線如圖4所示。充氫量不足時(shí)（如圖E1點(diǎn)所示），探頭內(nèi)壓力低于鋁液中氫氣分壓PH， 圖4 充氫壓力曲線 鋁液中氫氣向探頭中擴(kuò)散，直至壓力達(dá)到平衡為止；充氫量過多時(shí)（如圖中E2點(diǎn)所示），探頭內(nèi)的壓力高于鋁液中氫氣的分壓PH，探頭中的氫氣開始向鋁液中擴(kuò)散直至壓力達(dá)到平衡為止。

當(dāng)充氫量一定時(shí)，測(cè)量時(shí)間基本恒定，無(wú)論壓力是否達(dá)到平衡，探頭內(nèi)的壓力都有顯示，因?yàn)閰?shù)可以設(shè)定，測(cè)量時(shí)間不會(huì)因鋁液中氫氣分壓高而延長(zhǎng)。可以對(duì)測(cè)氫儀進(jìn)行標(biāo)定，所以哈培爾（CHAPEL）測(cè)氫過程是真正連續(xù)的，這一特點(diǎn)使得煞星測(cè)氫儀可以用于鋁熔煉過程的在線檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)測(cè)量，從而改變了以往測(cè)氫儀單點(diǎn)間歇測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)不連續(xù)、難以在線監(jiān)控的弊端。

由于哈培爾（CHAPEL）測(cè)氫法是直接利用鋁液中氫氣分壓和鋁液溫度的測(cè)定值及鋁合金的成分確定鋁液含氫量（它不同于使用載體或間接的電化學(xué)方法），因而測(cè)量精度高（重復(fù)測(cè)量的誤差不超過0.01ml/100g），操作簡(jiǎn)便。

煞星測(cè)氫儀尤其適用于鋁液含氫量的連續(xù)測(cè)量，當(dāng)然，間隔測(cè)量更加得心應(yīng)手。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常見在預(yù)先規(guī)定鋁液含氫量zui大限度的基礎(chǔ)上進(jìn)行鋁熔煉的，采用煞星測(cè)氫儀就可以很容易判定鋁液中氫氣含量是否在允許范圍內(nèi)。

結(jié)論

   哈培爾（CHAPEL）測(cè)氫法是一種新的鋁液含氫量的檢測(cè)方法；煞星測(cè)氫儀是一種zui快速zui的鋁液質(zhì)量控制儀器，可以用于熔煉處理的現(xiàn)生產(chǎn)，也可以作為科研單位進(jìn)行合金研究輔助儀器。