【铝合金气孔的形成与防止】
气孔是铝合金铸件的常见缺陷之一，它不但降低合金的机械性能、抗腐蚀性能、抗裂纹扩展性能，同时还影响铸件表面粗糙度。因此，铝合金气孔的形成和防止受到国内外铸造界的普遍重视，并为此开发了许多除气新方法。 欧美国家通常用质量指数来评定铸件质量。如A356、A357铝合金的质量指数表示为：Q=UTS+150log(AE) 式中，Q为质量指数；UTS为抗拉强度；A为延伸率 随着气孔尽寸增加，抗拉强度、延伸率和质量指数都降低。李华基等用回归分析方法系统地研究了各种Al-Si合金中孔隙度与抗拉强度的关系，结果表明，孔隙度会降低A1-Si合金的抗拉强度。在大气压下，纯铝从固态转变为液态时，氢原子的溶解度从0．04ml／100g增加到0．7ml／100g以上，温度较高时，溶解度竟达3ml／100g以上。铸造铝合金中，由于含有Si、Cu、Mn、Ni等元素，气体的溶解度降低。A356、A357合金的氢溶解度为纯铝的2／3。A206合金为纯铝的73%。A512合金为纯铝的95%，A319合金为纯铝的56%。铝合金液固态氢溶解度差别如此之大，使其凝固时，氢原子几乎同时突然游离出来，在粥状液体的固液界面上重新化合成氢分子，一部分从液体排出，一部分在液体内聚集形成小圆形气泡。一般在晶界上形成珠链似的气孔。一般来说，液体合金中气泡生成的条件可用下式来表示：  (1)式中，Pg为气孔内压；Ps为收缩负压；σ为铝合金液体表面张力；r为气孔半径；Pa为大气压；Ph为合金液体静压力。 在定向凝固情况下，凝固期间液体收缩可以得到完全的补缩，收缩负压Ps可视为零。另外，液体合金的静压力比其他压力值少得多，可不予考虑。这样(1)式就可以表示为
在液体凝固过程中，气体压力不断增加，当满足(2)式时便可产生气泡。气体压力与合金的初始含氢量有关，合金液体的初始含氢量高，气孔数量就多。铝硅合金中气孔的形状受界面形态及凝固速度的影响。当合金以平滑界面凝固(凝固速度10cm／h)时，气孔为细长的管状。当凝固界面凹凸不平或以树枝方式生长时，由于二次枝晶阻碍气泡的生长，气孔的分布便比较弥散，形成分散性显微气孔。在铸件凝固过程中，实际上凝固与所含气体同时发生作用，形成一种含气体的缩松，通常称之为缩气孔。缩气孔的形成机理是在合金凝固过程中，由于气体在固相中的溶解度小于液相中的溶解度，因而液体的气体不断析出，并被排斥到固液界面前沿的液相中，使液相中的气体含量不断增大，与之平衡的气体分压也不断增加。当枝晶间液沟根部的气体分压式满足(2)式时，析出的气体通过扩散不断进入液沟根部因凝固收缩得不到充分补充而产生的缩松中，使缩松得以长大。铝合金铸件形成的气孔可能多数为缩气孔。Q．T．Fang和D．A．Granger用定向凝固技术研究了变质与非变质A356铝合金气孔的形成，结果表明，合金含氢量一定时，气孔率与气孔大小随冷却速度的增加而降低。在一定的冷却速度下，合金的气孔率与气孔大小随合金含氢量的降低而减小。在给定的冷却速度下，相应有一个临界含氢量，在此临界含氢量下有一定的残留气孔率。冷却速度越大，临界含氢量越高。晶粒细化既降低气孔率，又降低气孔尺寸，还促进气孔分布更加均匀。锶变质提高了A356铝合金的气孔率与气孔尺寸。A356铝合金中圆形气孔形态是由于该合金中共晶组织含量比较高所致。日本品田与志荣等用定向凝固技术对铝合金气孔形成的研究也表明，合金气孔率随含氢量的增加而增加。铝－4%铜合金形成气孔所需的临界含氢量为0．15ml／100g。当含氢量小于此值时，合金凝固速度影响气孔的尺寸，当凝固速度为6cm／h时，气孔为30μm。达到12cm／h时，气孔为20μm左右。达到60cm／h左右时，气孔达10μm。品田与志等的定向凝固试验认为合金的临界含氢量是一个固定值，而Q．T．Fang等认为合金的临界含氢量不是固定值，而是随合金冷却速度而变化的。铝与氧有很强的亲和力，铝有很大的吸氢倾向。在工业生产条件下，要完全避免铝的氧化和吸氢是不可能的。铝合金熔化最有害的炉气成分是水蒸气，它与铝反应生成氧化铝和氢。把炉料烘干、预热炉衬与浇包、熔化工具上涂料、熔剂烘干或重熔等可以去除湿气。在熔剂覆盖下可以减少铝的氧化和氢的饱和。无论工艺如何控制，铝水中总是含有氧化物和氢。因此，有必要精炼铝水，去除夹杂物，把含氢量降低到尽可能低的范围内，以便在铸件本体的冷却速度下，防止出现气孔，或者把气孔率降低到铸件允许的范围内。最常用的除气方法有真空除气、六氯乙烷除气、吹氮气、覆盖熔剂等。近几年国外又开发成功熔剂喷射法、旋转叶轮除气法、MIX14无毒混合气体法等方法。1．熔剂喷射法。英国HEPWORTH公司研制出一种新颖的熔剂喷射机，用于处理铝合金液体。该设备的处理容量为20kg到30t。30t以上的可用两个以上的喷射机。该设备操作简便，易自动化，越来越多的铸造厂想利用这种工艺脱气、去除氧化物夹杂、变质和细化铝合金，以便缩短处理时间，降低处理成本。这种现代化的喷射机由喷射装置、喷注枪和粉末处理剂组成。结构坚固并可移动，可安放在铸造车间的任何地方。它有一个处理剂存贮室，一个螺旋输送器及其他自动化操作所需的传动设备和控制设备。喷射精炼用熔剂的主要成分是氯盐、氟盐，还有其他盐类和化合物。所有组分都要进行热处理，去除吸附水和结晶水。按照作用把熔剂分为两种类型，一种是以除渣作用为主的除渣剂，一种是以除气作用为主的除气剂。除渣剂的组分是CaF2、NaF、Na3AlF6、少量热分解气体物质和调整熔剂熔点、密度的碱金属氯化物。除气剂的组分是Na2SiF6、CaF、C2Cl6金属氯化物。不论哪种溶剂都兼有除渣除气作用，只是各有侧重。选用时可根据生产的具体情况而定。当铸件以气孔缺陷为主时，就选用以除气作用为主的除气剂。当铸件夹渣缺陷较多时，就选用除渣剂。两种缺陷皆有时，就选用两种溶剂适当搭配使用。处理剂从螺旋输送器送出，在低压(20～35kPa)惰性气体气流作用下，将0．2%FESFLUXNF20／4熔剂喷射到合金溶液中。开始喷射时，合金的含氢量为0．35ml／100g，5min之后，合金的含氢量降低到0．08ml／100g，10～15min后，合金的含氢量降为0．05～0．04ml／100g。喷注枪有两种，一种由简单的钢管和石墨套组成，用于620C以上熔化的处理剂。另一种是绝热喷注枪，用于喷射溶点较低的熔剂。化学熔剂喷射装置可迅速地除气，降低铝水的含氢量，同时去除金属氧化物和非金属夹杂，细化晶粒，合金的流动性提高20%～25%。喷枪在溶池中的高度和角度能够准确调整，熔剂的注入速度为25～250g／min。2．RID法。一般来说，铝合金熔体的净化是往熔体中通入惰性气体或者活性气体。最常用的是单组分的氮气或者氮气与氯气的混合气体。只吹氮气，除气速度缓慢，与氯气混合使用，易形成烟雾，且输送困难。为此，英国FOSECO公司研制一种FDU设备。该设备采用气泡浮游原理，用旋转喷头自铝液底部喷入气体。在离心力和上浮力联合作用下，把气体分离成许多弥散、均布的小气泡，在铝液中气泡沿螺旋形路径上升，从而有效地增大了气泡－铝液接触界面面积，促进气泡－铝液界面的更新，延长气泡－铝液接触作用时间。同时缩小氢气通过铝液扩散到气泡的距离，减缓气泡上升的速度，这种除气方式叫RID法。SNIF法与RID相类似。将氮气或者氮气与氯气的混合气体通入FDU装置，经3～5min就能够处理完容量为250kg的浇包。RID法的主要优点是除气速度快。在实际生产中，其除气时间仅为六氯乙烷、喷射法、多孔塞法等的1／2～1／3。明显地提高了生产率，降低了熔化成本，节省了氮气、氟里昂或者六氯乙烷等用量。同时，它比其他除气方法能够达到更低的气体含量。这样，在潮湿的天气不至于停工停产。RID法不但除氢，用少量卤素气体还能够去除非金属夹杂。最近，BNF金属技术中心研制成功移动式除气装置MDU，用于处理100～200kg小型熔化炉。FOSECO公司专门制造这种设备。该设备有一个坚固的基座，上装带石墨轴的转子，可变速电动机带动传动皮带和皮带轮，传动皮带带动转子。气体通过旋转阀送入转子，同时注入金属。整个装置固定在一个升降架上，使转子能够在浇包中上升或者降低。MDU设备的除气效果是令人满意的。3．无毒混合气体除气法。铝合金最有效的净化剂是氯气。因有毒性，近几年开发了许多氯气的代用品，但其去除氢气、氧化物夹杂、碱金属等的能力还不及氯气。3个较合适的代用品是：(1)Ar等能够有效地除气，对碱土金属和固体杂质不易去除。(2)六氯乙烷等固体除气剂能够把气体、杂质去除到某种程度，但净化质量达不到用户要求，同时还产生有毒气体。(3)用氟利昂除气和精炼铝合金，但它会破坏地球的臭氧层。美国AGA公司为了去除铝合金的氧化物、夹杂物和氢气，研究一种混合气体MIX14，能够有效地去除所有的杂质，而且无毒无腐蚀。MIX14在去除夹杂物、杂质、氧化物和氢气中有两种机制，第一是氢气由铝水向上升的气泡中扩散；第二是渣粒附着于气泡表面且上浮到熔池表面。根据DavidV．Neff报导，MIXl4是SF6与氩气或者氮气的混合气体。SF6所占比例通常小于5%。美国铝硅合金铸造厂在小型坩埚(≤45．4kg)中普遍采用这种混合气体精炼铝合金。MIX14是除气和精炼铝合金的最好产品，既安全又有效，除气与精炼效果通常比氯气还好，远远超过N2、Ar2、氟利昂－12和六氯乙烷的能力。(中船总公司第十二研究所邢俊德撰) |