铝合金铸件中产生气孔的机理及其未来发展分析

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铝合金铸件中产生气孔的机理及其未来发展分析
　　 以其良好的力学性能和优良的铸造性能，在工业中被广泛使用，是汽车、造船、航空航天及其他制造业的重要结构材料。生产中对铝合金铸件的品质要求也越来越高，除了保证化学成分、力学性能和尺寸精度外，不允许铸件有缩孔、缩松、气孔和夹渣等铸造缺陷。实际生产中，铝合金铸件会出现多种缺陷，气孔缺陷是砂型铸造中经常产生的缺陷，是影响铝铸件质量的重要问题。气孔缺陷常出现在大型铝铸件的厚大部位，以及中小型铝铸件的冒口根部和加工端面。气孔的产生除与型砂的水分、透气性有关外，还与合金的熔炼质量及合金的原材料有关，消除该缺陷值得铸造工作者重视。
　　铝合金铸件工艺性能，通常理解为在充满铸型、结晶和冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。流动性、收缩性、气密性、铸造应力、吸气性。铝合金这些特性取决于合金的成分，但也与铸造因素、合金加热温度、铸型的复杂程度、浇冒口系统、浇口形状等有关。
　　1、流动性。流动性是指合金液体充填铸型的能力。流动性的大小决定合金能否铸造复杂的铸件。在铝合金中共晶合金的流动性最好。影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及合金液体中存在金属氧化物、金属化合物及其他污染物的固相颗粒，但外在的根本因素为浇注温度及浇注压力的高低。
　　2、收缩性。收缩性是铸造铝合金的主要特征之一。一般讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷到室温，共分为三个阶段，分别为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。合金的收缩性对铸件质量有决定性的影响，它影响着铸件的缩孔大小、应力的产生、裂纹的形成及尺寸的变化。通常铸件收缩又分为体收缩和线收缩，在实际生产中一般应用线收缩来衡量合金的收缩性。
　　铝合金铸件的内部裂痕怎样检测：
　　1、超声波探伤，各类金属管材、板材、铸件、锻件和焊缝的超声波检测和超声波测厚。当超声波在传播中遇到裂缝、空洞、离析等缺陷时，超声波的声速、振幅、频率等声学参数会因此改变。根据仪器测量这些改变，可以判断缺陷的存在，并能确定其具体位置。超声波脉冲从探头射人被检测物体，如果其内部有缺陷，缺陷与材料之间便存在界面，则一部分人射的超声波在缺陷处被反射或折射，则原来单方向传播的超声能量有一部分被反射，通过此界面的能量就相应减少。这时，在反射方向可以接到此缺陷处的反射波；在传播方向接收到的超声能量会小于正常值，这两种情况的出现都能证明缺陷的存在。在探伤中，利用探头接收脉冲信号的性能也可检查出缺陷的位置及大小。前者称为反射法，后者称为穿透法。
　　2、磁粉探伤。适宜于铁磁性材料如铸造、锻造和其它机加工部件的无损检测。
　　3、紫外线灯。价格低廉、可靠高和操作简单，各种管道的泄漏探查、涂镀层是否均匀的检验、杂质或污点的检测、半导体和生物领域、医疗、舞台特除艺术效果。
　　4、射线探伤。射线探伤可以分为X射线、γ射线和高能射线探伤三种。X射线照相法探伤是利用射线在物质中的衰减规律和对某些物质产生的光化及荧光作用为基础进行探伤的。从射线强度的角度看，当照射在工件上射线强度为J0，由于工件材料对射线的衰减，穿过工件的射线被减弱至Jc。若工件存在缺陷时，因该点的射线透过的工件实际厚度减少，则穿过的射线强度Ja、Jb比没有缺陷的点的射线强度大一些。从射线对底片的光化作用角度看，射线强的部分对底片的光化作用强烈，即感光量大。感光量较大的底片经暗室处理后变得较黑。因此，工件中的缺陷通过射线在底片上产生黑色的影迹，这就是射线探伤照相法的探伤原理。
　　 具是指为了获得零件的结构外形，预先用其他轻易成型的材料做成零件的结构外形，然后再在砂型中放入模具，于是砂型中就形成了一个和零件结构尺寸一样的空腔，再在该空腔中浇注流动性液体，该液体冷却凝固之后就能形成和模具外形结构完全一样的零件了。
　　铝合金铸件中产生气孔的机理：
　　铝合金铸件形成气孔的主要原因是合金中含有过量的H2，氢含量占所含气体总含量的80%～90%，其余是N2、O2、CO等，而H2则来源于大气及各种金属原材料、熔剂和涂料中的水分受热分解，在高温条件下发生H2O=2H++O²¯反应，这是一个可逆反应。分解出来的氧又容易与金属液生成熔点较高的Al2O3，反应方程式为：2Al3++3O2¯=Al2O3，这样就促进了水蒸气的高温分解，氢离子便不断向合金液中扩散。氢以两种方式存在于铝液中：第一种是分解为原子状态溶解在铝液中，称为溶解型，约占90%；第二种氢则以分子状态气泡形式吸附于夹杂物的表面或缝隙中，称为吸附型。由于氢在铝合金液中的溶解度是随温度上升而增大的，所以在熔炼过程中合金液将吸入大量的H2。而在结晶凝固的过程中，由于温度降低，合金液表层首先凝固且合金的粘度增大，虽然氢的溶解度降低需从金属液中析出，但是已经很困难了，这样滞留在合金液中便形成了气孔缺陷。熔化、保温时间越长，氢含量越高。而氢在合金液中的溶解度除与温度成正比外，还与压力及空气的湿度即氢分压成正比。合金元素及其含量对溶解度也有一定的影响，硅、铜含量增加则氢的溶解度降低，镁含量增加则氢的溶解度增加。合金成分不同，合金液中氢的临界含量也不同，ZL104铝合金为亚共晶型铝硅合金时吸氢量最大。
　　要防止砂型铸造中铝合金铸件气孔缺陷的产生，就要采取有效措施尽量减少原材料的水分，强化熔炼质量管理，合理选择铸造工艺，提高铸型的排气能力。具体有以下几个方面：
　　1、所有原材料及熔炼用工具都要仔细清除表面的锈迹、油污及熔渣等，中间合金和回炉料的质量也要控制好，质量差的回炉料如碎金属屑、浇冒口不宜大量使用。金属原材料、变质剂、精炼剂、浇包和搅拌勺等在使用前都应烘干，而坩埚则应预热至暗红色方可加入熔料。通常在金属表面除了凝聚水外，还有与金属氧化膜作用形成的结晶水，在200～300℃低温烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水，只有在500℃以上才能较容易除去大部分结晶水。
　　2、操作中应尽量缩短熔炼时间，减少合金的吸气量。熔炼温度不宜过高，温度越高，吸气量越大，一般不超过800℃，熔炼过程要有测温装置控制。另外，还要控制变质时间，变质时间越长，变质温度越高，氧化与吸气越严重。由于铝合金液面的氧化膜有保护作用，可以防止金属液直接与大气中的水分反应。在熔炼、浇注过程中要尽量避免破坏液面的氧化膜，精炼、变质时搅拌勺在液面下平稳搅动，特别是精炼操作要细心，精炼工序是防止气孔重要的一环。金属液浇注时应平稳，速度均匀，浇包和铸型之间保持最小的垂直距离。
　　铝合金铸件未来发展分析：
　　降低能耗，减少环境污染以及节约有限资源是当今各国面临的一个十分重要而紧迫的任务。在汽车等产品轻量化的总趋势的推动下，可以预计，今后10年，我国轻金属铸件市场将会有大幅度的发展。各铸件生产大国的铝、镁合金铸件所占比例在13%～19%之间，有些国家更是高达30%～40%，而我国的铝、镁合金铸件所占的比例不到10%。发达国家90%以上的铝铸件用于汽车零件制造业，在我国，铝合金铸件要形成规模化生产并满足汽车轻量化的要求要解决的问题还很多：汽车对 的要求向薄壁、形状复杂、高强度、高质量的方向发展。为适应这种要求，应进一步优化铸造工艺并进行新合金材料的开发。应从设计和工艺的角度降低生产成本，如使用一模多件技术和自动化技术以提高生产率、延长模具使用寿命，并采用一体化的设计减少零件数量。采用计算机模拟技术，缩短工艺方案的开发周期。第四，加大铝的回收力度。再生铝是铝铸造的主要原料，我国在发展铸造业的同时应重视再生铝资源的利用，开发从复合材料和异种材料组合的废料中的有效分离铝的技术，并建立广泛的废料回收体系。
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