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    鋁合金鑄件氣孔與預防

    來源:連云港江南精工機械有限公司  閱讀次數: 2459


    引言:
    在純鋁中加入一些金屬或非金屬元素所熔制的鋁合金是一種新型的合金材料,由于其比重小,比強度高,具有良好的綜合性能,因此被廣泛用于航空工業、汽車制造業、動力儀表、工具及民用器具制造等方面。隨著國民經濟的發展以及經濟一體化進程的推進,其生產量和耗用量大有超過鋼鐵之勢。加強對鋁合金材料性能的研究,保證鋁合金鑄件具有優良品質,既是我們每一個科技工作者義不容辭的責任,也是同我們的日常生活息息相關的頭等大事。本文結合作者鋁合金鑄件生產實踐經驗談談鋁合金鑄件氣孔與預防問題。
    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1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Al2O3SPAN>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和其它化學物質,否則會因含有水分而在熔煉澆注時產生水蒸氣而導致形成氣孔。新砌的爐子,通常也需要使用幾天或幾周的時間進行烘爐干燥處理,否則耐火材料中含有的水分及化學結合的氫就無法釋放而導致熔煉時形成氣孔。
    熔煉用的工具如澆包、除氣用的鐘罩等,使用前應將表面殘余的金屬、氧化皮等污物清除干凈;鋁鎂合金使用的工具,使用前則要求放在光鹵石等熔劑中洗滌干凈。然后涂上防護涂料并進行預熱烘干。如果預熱不良,表面吸咐的水分,會在熔煉澆注過程因加熱形成水蒸氣而產生大量的氣體,導致鑄件針孔的形成。
    5.3 氣候的影響
    一般情況下,周圍空氣中的氫氣含量并不多,但空氣中如果相對濕度大,則會增加合金液中氣體的溶解度,形成季節性氣孔,如在雨季,由于空氣濕度大,鋁合金熔煉時針孔產生的現象就嚴重些。當然,空氣濕度大時,鋁合金錠 、熔煉設備、工具等也會因空氣潮濕而增加表面水分的吸附量,因此更應注意采取有力預熱烘干防護措施,以減少氣孔的產生。
    5.4 熔化操作的影響
    鋁合金熔煉時,由于氫氣溶解到鋁液中需要一個過程,因此加強熔煉過程的控制,對控制鋁合金吸氣量是大有文章可做的。生產實踐表明,鋁液吸氫是在表面進行的,它不僅與鋁液表面的分壓有關,還與合金熔煉溫度、熔煉時間等有較大的關系。合金熔化溫度越高,熔化時間和熔化后鋁液保持時間越長,氫在鋁液中擴散就越充分,鋁液吸氫量就越大,出現針孔的幾率就越大。有人曾做試驗,鋁液存放時間越長,鋁合金內含氣量近似成比例增加。因此,我們在大量生產條件下,為了減少鋁合金熔煉時吸收氫氣,一定要嚴格執行鋁合金熔煉工藝規程,一般鋁合金熔化后保持時間不能超過3h-5h,鋁合金熔化溫度也不能過高,一般控制在760℃以下,最高初始熔煉溫度不應超過920℃。
    5.5 砂型鑄造鑄型的影響
    鑄型含水量高,鋁合金中含氫量就越高。有人用同爐合金澆入不同含水量的鑄型,經測定合金中氫氣含量有很大區別③:鑄型含水量為5%時,鑄型中含氫量為1.5ml/100g;鑄型含水量為6%時,鑄型中含氫量為2.5ml/100g;鑄型含水量為8%時,鑄型中含氫量為3.0ml/100g。因此砂型鑄造鋁合金時,最好采用干燥或表面干燥型,如用濕型,含水量應控制在6%以下。這是因為濕型鑄造時,由于水分的汽化溫度低,當加熱到鋁液熔化溫度時,砂型中會產生大量的氣體,隨著壓力增大,體積發生膨脹,壓力大的氣體就會進入型腔或型腔中的鋁液,導致侵入性氣孔的形成。
    5.6 金屬型鑄造型腔的影響
    由于金屬型鑄造沒有退讓性和無透氣性等特點,金屬型在充填和澆注過程中,型 腔內的氣體一方面隨著鋁液金屬的充填被壓縮;另一方面又被迅速強烈加熱,引起壓力升高,結果造成充型反壓力,阻礙鋁液金屬充填型腔,當壓力超過一定極限時,氣體就可能沖破金屬液流束的表層,通過內澆口向外逸出,破壞金屬液連續流動,并造成強烈氧化,在氣體穿越金屬液時,如果受到初晶或凝固層的阻擋,便會留在金屬液中形成氣孔。當帶有砂型的金屬型鑄造時,液體金屬在充填過程中,砂型受到粘結劑分解以及涂料未烘干或金屬型預熱不充分的影響,都會增加型腔內的氣體量,當型腔內的氣體不能充分排出時,氣體便滯留于鑄件形成氣孔,而部分殘留氣體則富集于鑄型壁與金屬液之間形成“氣阻”,這些氣阻則使鑄件出現澆不足或冷隔缺陷。
    6.預防鋁合金鑄件針孔形成的主要措施
    由以上分析可知,鋁合金鑄件容易產生針孔缺陷。它與鋁合金本身特性有關系,也與一系列的外界因素有關。為了避免或減少鋁合金在熔煉時產生針孔,保證鋁合金鑄件具有優良品質,可針對性地采取適當的預防措施予以預防。
    6.1 認真做好熔煉澆注時的準備工作
    6.1.1 嚴格按工藝規程要求,正確處理好爐料。爐料使用前應用吹砂或其它方法去除爐料表面的銹跡、泥沙等污物,并進行爐料預熱,預熱溫度:350℃-450℃,保持3h以上,嚴防帶入水分和油污等。按QJ169-75要求的I類鑄件,只允許使用一級回爐料,Ⅱ、Ⅲ類鑄件允許使用二級回爐料,但Ⅱ類鑄件回爐料的總量不允許超過70%,三級回爐料不允許用于基本產品的生產。
    6.1.2 坩堝、錠模、熔煉工具,使用前應將表面油污、臟物等清除干凈。并預熱至120℃-250℃,涂以防護涂料。
    6.1.3 新坩堝、新砌爐子、有銹蝕的舊坩堝,使用前應用吹砂其他方法將表面清除干凈,并進行烘爐處理。一般應加熱至700℃-800℃,保溫2h-4h,以去除坩堝所吸附的水分及其它化學物質。
    6.1.4 已經涂料的坩堝 、錠模、熔煉工具使用前,均須預熱,坩堝應預熱至暗紅色(500℃-600℃);熔煉工具應預熱至200℃-400℃,保持2h以上(除使用感應爐熔煉合金時,坩堝可不預熱外。)
    6.2 嚴格執行工藝規程,力求做到快速熔煉
    鋁合金在熔煉時,要力求做到快速熔煉,縮短高溫下停留的時間。Al-Mg合金和其它鋁合金熔化后保持時間過長時,需要用熔劑覆蓋鋁合金液面,以防止鋁合金吸氣,一旦在生產過程中出現異常,要及時與現場技術人員取得聯系,采取果斷措施予以處理。根據QJ1182-87標準,每一爐合金從開始熔化到澆注完畢的時間,砂型鑄造不得超過4h;金屬型鑄造不得超過6h;壓鑄不得超過8h;合金最高溫度一般不超過760℃,坩堝底部涂料厚度不得小于60mm。
    6.3 加強潮濕季節預防措施
    在雨季或空氣潮濕時節鑄造鋁合金,我們更應加注意采取預防去氣防護措施,對熔煉用具、錠模、坩堝、爐料等都要嚴格按規范進行預熱處理,以防帶入過多的水分和油污等,引起各類針孔的產生。
    6.4 精煉去氣,去除鋁合金中的氣體
    一般情況下,所謂“去氣”(又叫“除氣”)就是去除合金中的氣體,“精煉”就是指去除合金中的夾雜物。因鋁合金熔煉時,除氣和精煉兩個工序多合并在一起進行,故在生產實踐中習慣將這兩個工序稱為精煉。由于鋁合金中的氣體主要是氫氣,去氣也就是主要去除氫氣。目前去氣的主要辦法是在鋁合金中通過精煉除氣劑制造大量的氣體(氣泡中的氣體可能是鋁液內部經化學反應產生的,也可能性是經由部分精煉除氣劑加入直接帶入的),利用分壓原理,讓溶解于鋁液中的氫原子向氣泡擴散(此時氣泡的分壓為零),由于氣泡比重輕,當氣泡上浮到鋁液表面時,氣泡破裂,氫氣逸入大氣之中,最終達到去除氫氣的目的。
    目前,為了消除鋁合金鑄件針孔,最常用的辦法是在熔化過程中用氯鹽和氯化物除氣,用氯氣、氮氣除氣,用真空除氣,用超聲波除氣,過濾除氣等方法。,常用精煉除氣劑的用途見表5。采用氯鹽和氯化物除氣劑除氣時,要用鐘罩將除氣劑壓入坩堝底部100mm,沿坩堝直徑1/3處(距坩堝內壁)的圓周勻速移動。為了不使鋁液大量噴濺,除氣劑可分批加入,除氣結束除渣,并按表6規定的時間進行靜置。
    6.5 增加氣體在合金中的溶解度
    采用快速或高壓下凝固的方法,提高氣體在鋁合金中的溶解度,促進氣體來不及或不能析出,從而達到消除針孔的目的。具體方法限于篇幅,在此不做過多闡述。
    6.6 采用工藝方法進行除氣
    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行去氣。這里僅以金屬型鑄造去氣預防措施為例做一簡易介紹。由于金屬型鑄造具有無透氣性特點,在設計金屬型時就必須有排氣預防措施,其生產中常用的排氣方式有:
    (1)利用分型面或型腔零件的組合面的間隙進行排氣:因為金屬型零件在組合時,總會有間隙,一般分型間隙在0.08mm-0.15mm之間,活動零件間隙在0.1mm-0.2mm之間,利用這些間隙可用來排氣,但不允許為了排氣而過分擴大間隙,造成金屬液阻塞,從而使鑄件上毛刺增加,降低鑄件尺寸精度。
    (2)開排氣槽:即在分型面或型腔零件的組合面上,芯座與頂桿表面上做排氣槽,這樣既能排氣,又能蓄氣,阻止液體金屬流入,故在金屬型鑄造和金屬型低壓鑄造時被廣泛采用。
    (3)設排氣孔:排氣孔一般開設在金屬型的最高處,或金屬型內可能產生“氣阻”的地方。
    (4)設計排氣塞:排氣塞是金屬型常用的排氣設施。在一平面上需要設制數個排氣塞時,可用一個排氣環來代替,將它設計在型腔的“氣阻”處,或型腔的大平面上,以便排氣暢通。如在鑄件肥厚部分設計排氣塞,排氣塞可用導熱性好的銅制作,同時還可以起到加強鑄件冷卻的作用。排氣塞安裝的位置和數量,常在金屬型修正時確定。在金屬型小批量生產時,為簡化排氣塞的制作,常在需要設置排氣塞的地方,鉆ф5-10毫米的小孔,孔內塞以水玻璃砂,也可以起到排氣塞的作用。
    7.預防鋁合金鑄件氣孔形成應遵循的工藝原則
      以上分析了鋁合金鑄件氣孔形成的主要因素,并針對性地論述了一系列相應的預防措施,目的就是要在鑄件中防止生成氣孔和夾雜,獲得優良品質的鑄件。從鑄造工藝角度綜合分析,預防氣孔的生成,消除氣孔和氧化夾雜,我們可以用“防”、“排”、“溶”三字工藝原則來概括。
    “防”:就是要防止水分及各種污物進入坩堝或熔爐中。
    “排”

    就是要排除鋁液中的氧化夾雜和氫氣,因為只有有效去除懸浮在鋁液中的彌散狀的夾雜物(主要是Al2O3) 才能防止鋁液增氫,消除去氫障礙,從而獲得純凈的鋁液,澆出合格的鑄件。“渣既盡,氣必除”說的就是這個意思。

    “溶”

    就是要使鋁液中的氫在凝固時能部分地或者全部地固溶在合金組織中,不致在鑄件中形成氣孔。
    因此,在鋁合金熔煉安排和選擇“防”、“排”、“溶”三套工藝措施時,我們必須遵循“以防為主,以排為輔”的工藝原則,但最佳的熔煉或重熔方法,著眼點應仍放在“防”字上。
    當然,鋁合金熔煉或重熔時,貫徹“以防為主,以排隊為輔”的原則,正確實施“防”、“排”、“溶”三套工藝措施,還必須具有過硬的熔煉操作基本功,熔煉操作基本功包括:精煉設備、熔爐煉工具的準備和處理,溶劑、變質劑的預制,精煉、變質除渣的技巧,攪拌操作的技巧和合理澆注等等,我們只有具備了過硬的操作基本功,才能真正有效地預防鋁合金鑄件氣孔的形成。

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