filebar
Методические пособия по сварочным работам

Растворение водорода в алюминии

В отличие от других газов водород обладает способностью растворяться в алюминии. По мнению Н. А. Галактионовой, термин растворение так же, как и понятие твердый раствор, к системе водород—металл неприемлем. В этом случае следует говорить не о растворении, а об абсорбции или оклюзии, понимая под этим поглощение и удержание водорода в объеме металла.

Основанием для этого утверждения служит то обстоятельство, что состояние водорода в металле, строго говоря, нельзя отнести ни к растворам замещения, поскольку атомы водорода не находятся в узлах, решетки металла (растворителя), ни к растворам внедрения, поскольку значительная часть водорода в металле находится в ионизированном состоянии в виде протонов или отрицательных ионов. Учитывая, что в литературе термин растворение применительно к системе водород—металл достаточно распространен, при анализе взаимодействия водорода с алюминием его целесообразно сохранить с учетом сказанного выше.

По мнению Б. А. Колачева, абсорбированный металлом водород может:

  • растворяться в металле;
  • сегрегировать на несовершенствах кристаллов;

  • адсорбироваться на поверхностях микрополостей и частицах вторых фаз;

  • скапливаться в микрополостях;

  • образовывать гидриды с основным металлом;

  • вступать во взаимодействие со вторыми фазами.



Для чистого алюминия принципиально возможны все перечисленные выше формы существования водорода в металле, кроме последней, характерной для гетерогенных сплавов. Для упрощения можно принять, что весь водород в алюминии находится в двух основных формах:

  • в виде атомов или ионов в кристаллической решетке алюминия (растворенный водород);


  • в виде молекул в микрополостях, имеющихся в металле слитков и полуфабрикатов из алюминия.


При этом не исключается сегрегация водорода на несовершенствах кристаллов и адсорбция его на поверхностях микрополостей. Наличием водорода в связанном состоянии в виде гидрида можно пренебречь, поскольку гидрид алюминия — соединение неустойчивое, разлагающееся при температуре выше 105° С с отцеплением водорода.

Равновесная концентрация водорода в металле определяется температурой и парциальным давлением водорода, находящегося в равновесии. Водород в алюминии образует эндотермический раствор, т. е. растворимость его увеличивается с повышением температуры. Степень диссоциации водорода возрастает с повышением температуры и достигает заметных значений при температурах выше 2000—3000°. При температурах около 1000° К, характерных для нагрева алюминия в процессе плавки и литья, степень диссоциации водорода ничтожно мала. Пользуясь выражением для константы равновесия, можно рассчитать равновесное парциальное давление атомарного водорода при выбранной температуре и известном значении парциального давления молекулярного водорода, находящегося в равновесии с металлом. При этих условиях в металле может быть достигнута концентрация водорода металла.

Эти данные дополнительно подтверждают мысль о том, что для растворения в алюминии значительного количества водорода достаточно поддерживать в контакте с чистой его поверхностью ничтожно малое парциальное давление атомарного водорода. Следствием этого же положения может служить не менее важный вывод о том, что все реакции, протекающие на границе раздела газ—металл, сопровождающиеся выделением атомарного водорода, являются чрезвычайно опасными источниками водорода, растворяющегося в алюминии.

Так, например, при реакции алюминия с парами воды при температуре 1000° К и парциальном давлении водяного пара - равновесное давление молекулярного водорода и концентрация растворенного водорода в алюминии могут достигнуть огромных значений металла. В реальных условиях металлургических процессов в атмосфере, с которой контактирует расплавленный металл, водород, как правило, отсутствует. Поэтому растворение водорода в металле в условиях литья и сварки является главным образом следствием развития реакции непосредственного взаимодействия влаги с металлом при нагреве. Источниками влаги в условиях металлургических процессов могут быть атмосфера, влага, адсорбированная поверхностями материалов шихты, флюсы и др. В условиях сварки влага может вноситься с защитным газом, флюсами и электродными покрытиями, а также с поверхностью основного и присадочного металлов

Яндекс.Метрика