鑄造鋁合金中的針孔及其防治

1、鑄造鋁合金中的針孔及其預(yù)防鑄造鋁合金由于其密度小，強(qiáng)度比高，具有良好的綜合性能，因此被廣泛用于航天航空、汽車制造、動(dòng)力儀表、工具及民用器具等制造業(yè)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的推進(jìn)，其生產(chǎn)量和消耗量大幅增長(zhǎng)。但是，鑄造鋁合金的針孔缺陷比較突出，結(jié)合在鋁合金鑄件生產(chǎn)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勪X合金針鑄件孔缺陷的產(chǎn)生和預(yù)防。一、鑄造鋁合金針孔的產(chǎn)生針孔是鋁合金在凝固過(guò)程中，溶解在鋁熔液中的氣體(99H2)逸出后又沒(méi)有完全浮到鋁液表面造成的。鋁合金在熔煉和澆注時(shí)，會(huì)吸入大量的氫氣，冷卻時(shí)則因溶解度的下降而不斷析出。鋁合金中溶解的氫，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(tài)

2、轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)，氫在鋁合金中的溶解度下降19倍。因此鋁合金液在冷卻凝固過(guò)程中，當(dāng)氫的含量超過(guò)了其溶解度時(shí)即以氣泡的形式析出。因過(guò)飽和的氫析出而形成的氫氣泡，若來(lái)不及上浮排出，就會(huì)在凝固過(guò)程中形成細(xì)小、分散的氣孔，即通常所說(shuō)的針孔。在氫氣泡形成前達(dá)到的過(guò)飽和度是氫氣泡形核數(shù)目的函數(shù)，而氧化物和其他夾雜物則起氣泡核心的作用。在一般生產(chǎn)條件下，特別是在厚大的砂型鑄件中很難避免針孔的產(chǎn)生。在相對(duì)濕度大的氣氛中熔煉和澆注鋁合金，鑄件中的針孔尤其嚴(yán)重。這就是干燥的季節(jié)要比多雨潮濕的時(shí)節(jié)產(chǎn)生的鋁合金鑄件針孔缺陷少些的原因。對(duì)鋁合金而言，如果結(jié)晶溫度范圍較大，則產(chǎn)生網(wǎng)狀針孔。這是因?yàn)樵谝话汨T造生產(chǎn)條件下，鑄件具

3、有寬的凝固溫度范圍，使鋁合金容易形成發(fā)達(dá)的樹(shù)枝狀結(jié)晶。在凝固后期，樹(shù)枝狀結(jié)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空間中，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(dāng)殘留鋁液進(jìn)一步冷卻收縮時(shí)能形成一定程度的真空，從而使合金中過(guò)飽和的氫氣析出并形成針孔。二、鑄造鋁合金針孔度的評(píng)定鑄造鋁合金機(jī)械加工表面1cm2范圍內(nèi)孔洞的數(shù)量和尺寸稱為針孔度。針孔對(duì)鋁合金性能的影響主要表現(xiàn)在會(huì)使鑄件組織致密度降低，力學(xué)性能下降。為此，在鋁合金鑄件生產(chǎn)實(shí)踐中，加強(qiáng)氣孔等級(jí)對(duì)力學(xué)性能影響的研究，通過(guò)控制針孔等級(jí)來(lái)保證鋁合金鑄件品質(zhì)是非常重要的。針孔等級(jí)評(píng)定，低倍檢驗(yàn)按GB 108511989進(jìn)

4、行；X射線檢驗(yàn)按GBll3461989鋁合金鑄件針孔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。根據(jù)鋁合金鑄件針孔度目測(cè)評(píng)定法，針孔度分為5級(jí)，參考圖像附表中所示：嚴(yán)重程度參考圖象在1cm²范圍內(nèi)孔洞的數(shù)量尺寸01在被檢表面上無(wú)可見(jiàn)孔洞1不超過(guò)5個(gè)，其中，4個(gè)不超過(guò)0.1mm，1不超過(guò)0.2 mm2不超過(guò)10個(gè)，其中，8個(gè)不超過(guò)0.1 mm，2個(gè)不超過(guò)0.2 mm3不超過(guò)15個(gè)，其中，12個(gè)不超過(guò)0.3 mm，3個(gè)不超過(guò)0.5 mm4不超過(guò)20個(gè)，其中，14個(gè)不超過(guò)0.5mm，6個(gè)不超過(guò)1.0 mm5不超過(guò)25個(gè)，其中。15個(gè)不超過(guò)0.5 mm，7個(gè)不超過(guò)1.0 mm，3個(gè)不超過(guò)1.5 mm三、鑄造鋁合金針孔缺陷

5、的防止1.形成針孔的氫氣來(lái)源與析出鋁合金中氣孔的產(chǎn)生，是由于鋁合金吸氣而形成的，但分子狀態(tài)的氣體一般不能溶解于合金液中，只有當(dāng)氣體分子分解為活性原子時(shí)，才有可能溶解。合金液中氣體能溶解的數(shù)量多少，不僅與分子是否容易分解為活性原子有關(guān)，還直接與氣體原子類別有關(guān)。在鋁合金熔煉過(guò)程中，通常接觸的爐氣有H2、02、H20、C02及S02等，這些氣體主要是由燃料燃燒后產(chǎn)生的，而耐火材料、金屬爐料、熔劑以及與氣體接觸的工具等均會(huì)帶入一定量的氣體。另外，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(shí)間，其化學(xué)結(jié)合的氫才能充分從粘結(jié)劑中釋放出來(lái)。一般而言，爐氣成分是由燃料種類及空氣量來(lái)決定的。

6、例如，普通焦炭坩堝爐，爐氣成分主要為C02、S02和N2；煤氣、重油坩堝爐主要為H20、N2；而對(duì)目前大多數(shù)熔煉廠家使用的電爐熔煉來(lái)說(shuō)，爐氣成分主要是H2。因此，采用不同的熔煉爐生產(chǎn)時(shí)，鋁合金的吸氣量和產(chǎn)生氣孔的程度是不同的。率和凈生產(chǎn)實(shí)踐表明，氫能大量溶解于鋁或鋁合金中，是導(dǎo)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(guò)程中，由于氫的析出而產(chǎn)生的氣隙，不僅減少了鑄件的實(shí)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(yīng)形成鋁的化合物，如A1203、A1C13、A1N及A14C3等。在鋁合金熔煉時(shí)，周圍空氣中的氫氣含

7、量并不多，氫的來(lái)源通常是鋁與水蒸汽的反應(yīng)，而水蒸汽主要來(lái)源于爐氣中的水分，設(shè)備及工具吸附的水分，一些材料的結(jié)晶水，以及鋁銹Al(0H)2分解出來(lái)的水分等。因此針孔的解決，應(yīng)從防止鋁合金熔液吸氣和加強(qiáng)鋁熔液除氣來(lái)入手。2預(yù)防鋁合金鑄件針孔形成的主要措施由以上分析可知，鋁熔液很容易吸收氫氣，極少量的水蒸汽就可以輕易毀掉整爐的鋁液，因此首先要防吸氣。鋁合金鑄件容易產(chǎn)生針孔缺陷，這既與鋁合金本身特性有關(guān)系，也與一系列的外界因素有關(guān)。為避免或減少鋁合金在熔煉時(shí)產(chǎn)生針孔，保證鋁合金鑄件具有優(yōu)良品質(zhì)，可針對(duì)性地采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。(1)明確“精料、精工”原則，對(duì)爐料和熔煉設(shè)備和工具進(jìn)行預(yù)處理。爐料使用前應(yīng)先

8、用吹砂或其他方法去除表面的銹跡、泥沙等污物，并進(jìn)行爐料預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350-450，并保持3h以上，嚴(yán)防帶入水分和油污等。坩堝、錠模和熔煉工具，使用前應(yīng)將表面油污、臟物等清除干凈，并預(yù)熱至120250，涂刷防護(hù)涂料。新坩堝、新砌爐子及有銹蝕的舊坩堝，使用前應(yīng)用吹砂或其他方法將表面清除干凈，并進(jìn)行烘爐處理，一般應(yīng)加熱至700-800，并保溫2-4h，以去除坩堝所吸附的水分及其他化學(xué)物質(zhì)。熔煉工具應(yīng)預(yù)熱至200-400，保持2h以上。(2)鋁合金在熔煉時(shí)，要力求做到快速熔煉，縮短高溫下停留時(shí)間。A1Mg合金和其他鋁合金熔化后保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，需要用熔劑覆蓋鋁合金液面，以防止吸氣，一旦在生產(chǎn)過(guò)程中出

9、現(xiàn)異常，要及時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員取得聯(lián)系，采取果斷措施予以處理。每一爐合金從開(kāi)始熔化到澆注完畢的時(shí)間，砂型鑄造不得超過(guò)4h，金屬型鑄造不得超過(guò)6h，壓鑄不得超過(guò)8h，合金最高溫度一般不超過(guò)760t，坩堝底部涂料厚度需60mm。(3)加強(qiáng)在潮濕季節(jié)熔煉的預(yù)防措施。在雨季或空氣潮濕季節(jié)鑄造鋁合金，更應(yīng)注意采取去氣防護(hù)措施，對(duì)熔煉用具、錠模、坩堝和爐料等都要嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行預(yù)熱處理，以防帶人過(guò)多的水分和油污而引起各類針孔的產(chǎn)生。(4)采取必要的精煉工藝，去除鋁合金中的氣體。一般情況下，所謂“去氣”就是去除合金中的氣體，“精煉”是指去除合金中的夾雜物。因鋁合金熔煉時(shí)，除氣和精煉兩個(gè)工序多合在一起進(jìn)行，故在生

10、產(chǎn)實(shí)踐中習(xí)慣將這兩個(gè)工序稱為精煉。由于鋁合金中的氣體主要是氫氣，去氣也就是去除氫氣。目前去氣的主要方法是通過(guò)在鋁合金中加入精煉除氣劑來(lái)制造大量的氣體(氣泡中的氣體可能是鋁液內(nèi)部經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，也可能是由部分精煉除氣劑直接帶入的)，利用分壓原理，讓溶解于鋁液中的氫原子向氣泡擴(kuò)散(此時(shí)氣泡的分壓為零)，由于氣泡密度輕，當(dāng)氣泡上浮到鋁液表面時(shí)，氣泡破裂，氫氣逸入大氣中，最終達(dá)到去除氫氣的目的。目前，為了消除鋁合金鑄件針孔，最常用的辦法是在熔化過(guò)程中加入氯鹽和氯化物除氣。采用氯鹽和氯化物除氣劑除氣時(shí)，要用鐘罩將除氣劑壓入距坩堝底部100mm處，沿坩堝直徑13(距坩堝內(nèi)壁)的圓周勻速移動(dòng)。為防止鋁液大

11、量噴濺，除氣劑可分批加入，除氣結(jié)束除渣，并按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行靜置。(5)采用鑄造工藝方法進(jìn)行除氣。通常情況下，砂型鑄造也可以采用靜置、多扎出氣孔和加大冒口等方法進(jìn)行去氣。在設(shè)計(jì)金屬型時(shí)就必須有排氣預(yù)防措施：利用分型面或型腔零件組合面的間隙進(jìn)行排氣。開(kāi)排氣槽。即在分型面或型腔零件的組合面上，以及芯座與頂桿表面上做排氣槽，這樣既能排氣，又能蓄氣。設(shè)排氣孔。排氣孔一般開(kāi)設(shè)在金屬型的最高處，或金屬型內(nèi)可能產(chǎn)生“氣阻”的地方。設(shè)置排氣塞。排氣塞是金屬型常用的排氣設(shè)施。在一平面上需要設(shè)置數(shù)個(gè)排氣塞時(shí)，可用一個(gè)排氣環(huán)來(lái)代替，將它設(shè)計(jì)在型腔的“氣阻”處，或型腔的大平面上，以便排氣暢通。四、結(jié)語(yǔ)以上分析了鋁合金鑄件氣孔形成的主要因素，并有針對(duì)性地論述了一系列相應(yīng)的預(yù)防措施，目的就是要防止在鑄件中生成氣孔，獲得優(yōu)良品質(zhì)的鑄件。從鑄造工藝角度綜合分析，預(yù)防氣孔的生成和消除氣孔可以用“防”