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    鋁合金鑄件針孔形成的主要因素


      1.氣孔類別

      由于鋁合金具有嚴重的氧化和吸氣傾向,熔煉過程中又直接與爐氣或外界大氣相接觸,因此,如熔煉過程中控制稍許不當,鋁合金就很容易吸收氣體而形成氣孔,最常見的是針孔。針孔(gas porosity/pin-hole),通常是指鑄件中小于1mm的析出性氣孔,多呈圓形,不均勻分布在鑄件整個斷面上,特別是在鑄件的厚大斷面和冷卻速度較小的部位。根據鋁合金析出性氣孔的分布和形狀特征,針孔又可以分為三類①,即: 

      (1) 點狀針孔:在低倍組織中針孔呈圓點狀,針孔輪廓清晰且互不連續,能數出每平方厘米面積上針孔的數目,并能測得出其直徑。這種針孔容易與縮孔、縮松等予以區別開來。

      (2) 網狀針孔: 在低倍組織中針孔密集相連成網狀,有少數較大的孔洞,不便清查單位面積上針孔的數目,也難以測出針孔的直徑大小。

      (3) 綜合性氣孔:它是點狀針孔和網狀針孔的中間型,從低倍組織上看,大針孔較多,但不是圓點狀,而呈多角形。

      鋁合金生產實踐證明,鋁合金因吸氣而形成氣孔的主要氣體成分是氫氣,并且其出現無一定的規律可循,往往是一個爐次的全部或多數鑄件均存在有針孔現象;材料也不例外,各種成分的鋁合金都容易產生針孔。

    2. 針孔的形成 

      鋁合金在熔煉和澆注時,能吸收大量的氫氣,冷卻時則因溶解度的下降而不斷析出。有的資料介紹②,鋁合金中溶解的較多的氫,其溶解度隨合金液溫度的升高而增大,隨溫度的下降而減少,由液態轉變成固態時,氫在鋁合金中的溶解度下降19倍。(氫在純鋁中的溶解度與溫度的關系見圖1③)。因此鋁合金液在冷卻的凝固過程中,氫的某一時刻,氫的含量超過了其溶解度即以氣泡的形式析出。因過飽和的氫析出而形成的氫氣泡,來不及上浮排出的,就在凝固過程中形成細小、分散的氣孔,即平常我們所說的針孔(gas porosity)。在氫氣泡形成前達到的過飽和度是氫氣泡形核的數目的函數,而氧化物和其他夾雜物則在起氣泡核心的作用。 

      在一般生產條件下,特別是在厚大的砂型鑄件中很難避免針孔的產生。在相對濕度大的氣氛中溶煉和澆注鋁合金,鑄件中的針孔尤其嚴重。這就是我們在生產中常常有人納悶干燥的季節總比多雨潮濕的時節鋁合金鑄件針孔缺陷少些的原因。 

      一般說來,對鋁合金而言,如果結晶溫度范圍較大,則產生網狀針孔的機率也就大得多③。這是因為在一般鑄造生產條件下,鑄件具有寬的凝固溫度范圍,使鋁合金容易形成發達的樹枝狀結晶。在凝固后期,樹枝狀結晶間隙部分的殘留鋁液可能相互隔絕,分別存在于近似封閉的小小空間之中,由于它們受到外界大氣壓力和合金液體的靜壓作用較小,當殘留鋁液進一步冷卻收縮時能形成一定程度的真空(即補縮通道被阻塞),從而使合金中過飽和的氫氣析出而形成針孔。

    3. 形成氣孔的氫氣的來源與析出

      鋁合金中氣孔的產生,是由于鋁合金吸氣而形成的,但氣體分子狀態的氣體一般不能溶解于合金液中,只有當氣體分子分解為活性原子時,才有可能溶解。合金液中氣體能溶解的數量多少,不僅與分子是否容易分解為活性原子有關,還直接與氣體原子類別有關。在鋁合金熔煉過程中,通常接觸的爐氣有:氫氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等,這些氣體主要是由燃料燃燒后產生的,而耐火材料、金屬爐料及熔劑、與氣體接觸的工具等也可以帶入一定量的氣體,如新砌的爐襯、爐子的耐火材料、坩堝等,通常需要使用幾天或幾周的時間,其化學結合的氫才能充分從粘結劑中釋放出來。一般而言,爐氣成分是由燃料種類以及空氣量來決定的。普通焦炭坩堝爐,爐氣成分主要為二氧化碳、二氧化硫和氮氣;煤氣、重油坩堝爐主要為水蒸氣、氮氣;而對目前大多數熔煉廠家使用的電爐熔煉來說,爐氣成分主要是氫氣。因此,采用不同的熔煉爐熔煉時,鋁合金的吸氣量和產生氣孔的程度是不同的。

      鋁合金生產實踐證明,氫是唯一能大量溶解于鋁或鋁合金中的氣體,是導致鋁合金形成氣孔的主要原因,是鋁合金中最有害的氣體,也是鋁合金中溶解度最大的氣體。在鑄件凝固過程中由于氫的析出而產生的孔隙,不僅減少了鑄件的實際截面積而且是裂紋源。惰性氣體不能溶于鋁或鋁合金,其他氣體一般與鋁或鋁合金反應形成鋁的化合物,如Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。由圖1可知,氫在液態鋁或鋁合金中的溶液解度很大,而幾乎不溶解于固態鋁(在室溫條件下,其溶解度約在0.003﹪以下)。

    在鋁合金熔煉時,周圍空氣中的氫氣含量并不多,氫的最通常的來源是鋁和水蒸氣的反應,而水蒸氣主要來源于爐氣中的水分、設備及工具吸附的水分、一些材料的結晶水與鋁銹Al(OH)2分解出來的水分等,其反應式如下:

     3H2O(水蒸氣)+2Al=Al2O3+6[H](1)

       含鎂鋁合金由于還發生下列反應,更容易吸收氫:

      H2O(水蒸氣)+ Mg=MgO+2[H](2)

      另外,金屬爐料或回爐料帶入的油污、有機物、鹽類熔劑等與鋁液反應也能生成氫:

      4mAl+3CmHn=mAl4C3+3n[H] (3)

      鎂、鈉、鋰可以改變鋁的表面的氧化膜,使活性氫原子容易進入;金屬氟和鈹則能在鋁的表面形成更致密的氧化膜,降低氫向鋁液或鋁合金中擴散的速度,對鋁合金起到保護作用。形成氫化物的元素,如鈣、鈦、鋰、銫等金屬均能強烈地擴大氫在鋁液中的溶解度。不同溫度下活性氫原子在鋁液或鋁合金中的溶解度見表1。

       4.氣孔對鋁合金鑄件性能的影響

     針孔對鋁合金性能的影響主要表現在能使鑄件組織致密度降低,力學性能下降。為此,在鋁合金鑄件生產實踐中,加強對氣孔等級對力學性能的影響研究,通過控制針孔等級來保證鋁合金鑄件品質是非常重要的。針孔等級評定,低倍檢驗按GB10851-89進行,當有爭議時按表2規定執行;X射線照相按GB11346-89鋁合金鑄件針孔分級標準執行,該標準選用目前工業生產中常用的兩種合金ZL101(Al-Si-Mg系)和ZL201(Al-Cu-Mn系), 并在T4狀態測定бb和σ5的試驗結果表明(ZL101T4、ZL201ST4各種針孔試樣的力學性能分別見表3、表4):鑄件力學性能與針孔等級之間是線性相關關系,隨著針孔等級級別增加,力學性能逐步下降;針孔等級每增加一級,力學性бb下降3%左右,σ5下降 5%左右。對鋁合金鑄件切取性能試樣要求,鑄件允許存在的針孔級別詳見GB9438-8

      這里應當指出的是,由于鑄件壁厚效應的影響,即使針孔嚴重程度相同,壁厚大的部位力學性能下降,壁厚小的則較高。由于鑄件的力學性能取決于多種因素,不僅與針孔等級有關,還與合金的化學成分的波動、鑄 件的凝固速度、熱處理效果、其他缺陷的存在因素有關,所以同一級別的針孔試樣,力學性能將在一個相當大的范圍內波動。

     5. 鋁合金鑄件針孔形成的主要因素

      綜上所述,針孔是鋁合金鑄件中容易出現的且對鑄件品質造成一定影響的一種鑄造缺陷,氫是造成針孔的主要原因(有的資料介紹,鋁液中所溶解的氣體中80%-90%是氫),而氫的主要來源是水蒸氣分解所產生的。因此,鋁合金在熔煉過程中造成水蒸氣產生的原因,也就是直接影響針孔形成的主要因素。影響針孔形成的主要因素有:

      5.1 原材料、輔助材料的影響

      在鋁合金熔煉澆注過程中,所使用的原材料、輔助材料、一些材料中的結晶水和鋁銹AL(OH)2分解會產生水分,造型材料中有多種有機和無機輔料帶有的水分,鑄型材料中的輔料、涂料等因為預熱不良含有的水分等等,在鋁合金熔煉澆注時,會因水蒸氣的分解而產生大量的氣體,這些氣體都有可能導致鑄件產生氣孔。涂料中粘結劑,雖然可以增加涂層厚度,但也相應增大了發氣量。

     5.2 熔煉設備及工具的影響 

      不同熔煉設備熔化鋁合金時,鋁合金的吸氣量和形成氣孔的程度是不同的。新坩堝及有銹蝕、污物的舊坩堝,使用前應吹砂或用其他方法清除干凈,并加熱至700℃-800℃,保溫2h-4 h,以去除坩堝所吸附的水分

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