鋁合金鑄件中產(chǎn)生氣孔的機理及其未來發(fā)展分析

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鋁合金鑄件中產(chǎn)生氣孔的機理及其未來發(fā)展分析
　　 以其良好的力學(xué)性能和優(yōu)良的鑄造性能，在工業(yè)中被廣泛使用，是汽車、造船、航空航天及其他制造業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。生產(chǎn)中對鋁合金鑄件的品質(zhì)要求也越來越高，除了保證化學(xué)成分、力學(xué)性能和尺寸精度外，不允許鑄件有縮孔、縮松、氣孔和夾渣等鑄造缺陷。實際生產(chǎn)中，鋁合金鑄件會出現(xiàn)多種缺陷，氣孔缺陷是砂型鑄造中經(jīng)常產(chǎn)生的缺陷，是影響鋁鑄件質(zhì)量的重要問題。氣孔缺陷常出現(xiàn)在大型鋁鑄件的厚大部位，以及中小型鋁鑄件的冒口根部和加工端面。氣孔的產(chǎn)生除與型砂的水分、透氣性有關(guān)外，還與合金的熔煉質(zhì)量及合金的原材料有關(guān)，消除該缺陷值得鑄造工作者重視。
　　鋁合金鑄件工藝性能，通常理解為在充滿鑄型、結(jié)晶和冷卻過程中表現(xiàn)最為突出的那些性能的綜合。流動性、收縮性、氣密性、鑄造應(yīng)力、吸氣性。鋁合金這些特性取決于合金的成分，但也與鑄造因素、合金加熱溫度、鑄型的復(fù)雜程度、澆冒口系統(tǒng)、澆口形狀等有關(guān)。
　　1、流動性。流動性是指合金液體充填鑄型的能力。流動性的大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動性最好。影響流動性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力的高低。
　　2、收縮性。收縮性是鑄造鋁合金的主要特征之一。一般講，合金從液體澆注到凝固，直至冷到室溫，共分為三個階段，分別為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。合金的收縮性對鑄件質(zhì)量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應(yīng)力的產(chǎn)生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮，在實際生產(chǎn)中一般應(yīng)用線收縮來衡量合金的收縮性。
　　鋁合金鑄件的內(nèi)部裂痕怎樣檢測：
　　1、超聲波探傷，各類金屬管材、板材、鑄件、鍛件和焊縫的超聲波檢測和超聲波測厚。當(dāng)超聲波在傳播中遇到裂縫、空洞、離析等缺陷時，超聲波的聲速、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)會因此改變。根據(jù)儀器測量這些改變，可以判斷缺陷的存在，并能確定其具體位置。超聲波脈沖從探頭射人被檢測物體，如果其內(nèi)部有缺陷，缺陷與材料之間便存在界面，則一部分人射的超聲波在缺陷處被反射或折射，則原來單方向傳播的超聲能量有一部分被反射，通過此界面的能量就相應(yīng)減少。這時，在反射方向可以接到此缺陷處的反射波；在傳播方向接收到的超聲能量會小于正常值，這兩種情況的出現(xiàn)都能證明缺陷的存在。在探傷中，利用探頭接收脈沖信號的性能也可檢查出缺陷的位置及大小。前者稱為反射法，后者稱為穿透法。
　　2、磁粉探傷。適宜于鐵磁性材料如鑄造、鍛造和其它機加工部件的無損檢測。
　　3、紫外線燈。價格低廉、可靠高和操作簡單，各種管道的泄漏探查、涂鍍層是否均勻的檢驗、雜質(zhì)或污點的檢測、半導(dǎo)體和生物領(lǐng)域、醫(yī)療、舞臺特除藝術(shù)效果。
　　4、射線探傷。射線探傷可以分為X射線、γ射線和高能射線探傷三種。X射線照相法探傷是利用射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律和對某些物質(zhì)產(chǎn)生的光化及熒光作用為基礎(chǔ)進行探傷的。從射線強度的角度看，當(dāng)照射在工件上射線強度為J0，由于工件材料對射線的衰減，穿過工件的射線被減弱至Jc。若工件存在缺陷時，因該點的射線透過的工件實際厚度減少，則穿過的射線強度Ja、Jb比沒有缺陷的點的射線強度大一些。從射線對底片的光化作用角度看，射線強的部分對底片的光化作用強烈，即感光量大。感光量較大的底片經(jīng)暗室處理后變得較黑。因此，工件中的缺陷通過射線在底片上產(chǎn)生黑色的影跡，這就是射線探傷照相法的探傷原理。
　　 具是指為了獲得零件的結(jié)構(gòu)外形，預(yù)先用其他輕易成型的材料做成零件的結(jié)構(gòu)外形，然后再在砂型中放入模具，于是砂型中就形成了一個和零件結(jié)構(gòu)尺寸一樣的空腔，再在該空腔中澆注流動性液體，該液體冷卻凝固之后就能形成和模具外形結(jié)構(gòu)完全一樣的零件了。
　　鋁合金鑄件中產(chǎn)生氣孔的機理：
　　鋁合金鑄件形成氣孔的主要原因是合金中含有過量的H2，氫含量占所含氣體總含量的80%～90%，其余是N2、O2、CO等，而H2則來源于大氣及各種金屬原材料、熔劑和涂料中的水分受熱分解，在高溫條件下發(fā)生H2O=2H++O2ˉ反應(yīng)，這是一個可逆反應(yīng)。分解出來的氧又容易與金屬液生成熔點較高的Al2O3，反應(yīng)方程式為：2Al3++3O2ˉ=Al2O3，這樣就促進了水蒸氣的高溫分解，氫離子便不斷向合金液中擴散。氫以兩種方式存在于鋁液中：第一種是分解為原子狀態(tài)溶解在鋁液中，稱為溶解型，約占90%；第二種氫則以分子狀態(tài)氣泡形式吸附于夾雜物的表面或縫隙中，稱為吸附型。由于氫在鋁合金液中的溶解度是隨溫度上升而增大的，所以在熔煉過程中合金液將吸入大量的H2。而在結(jié)晶凝固的過程中，由于溫度降低，合金液表層首先凝固且合金的粘度增大，雖然氫的溶解度降低需從金屬液中析出，但是已經(jīng)很困難了，這樣滯留在合金液中便形成了氣孔缺陷。熔化、保溫時間越長，氫含量越高。而氫在合金液中的溶解度除與溫度成正比外，還與壓力及空氣的濕度即氫分壓成正比。合金元素及其含量對溶解度也有一定的影響，硅、銅含量增加則氫的溶解度降低，鎂含量增加則氫的溶解度增加。合金成分不同，合金液中氫的臨界含量也不同，ZL104鋁合金為亞共晶型鋁硅合金時吸氫量最大。
　　要防止砂型鑄造中鋁合金鑄件氣孔缺陷的產(chǎn)生，就要采取有效措施盡量減少原材料的水分，強化熔煉質(zhì)量管理，合理選擇鑄造工藝，提高鑄型的排氣能力。具體有以下幾個方面：
　　1、所有原材料及熔煉用工具都要仔細(xì)清除表面的銹跡、油污及熔渣等，中間合金和回爐料的質(zhì)量也要控制好，質(zhì)量差的回爐料如碎金屬屑、澆冒口不宜大量使用。金屬原材料、變質(zhì)劑、精煉劑、澆包和攪拌勺等在使用前都應(yīng)烘干，而坩堝則應(yīng)預(yù)熱至暗紅色方可加入熔料。通常在金屬表面除了凝聚水外，還有與金屬氧化膜作用形成的結(jié)晶水，在200～300℃低溫烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水，只有在500℃以上才能較容易除去大部分結(jié)晶水。
　　2、操作中應(yīng)盡量縮短熔煉時間，減少合金的吸氣量。熔煉溫度不宜過高，溫度越高，吸氣量越大，一般不超過800℃，熔煉過程要有測溫裝置控制。另外，還要控制變質(zhì)時間，變質(zhì)時間越長，變質(zhì)溫度越高，氧化與吸氣越嚴(yán)重。由于鋁合金液面的氧化膜有保護作用，可以防止金屬液直接與大氣中的水分反應(yīng)。在熔煉、澆注過程中要盡量避免破壞液面的氧化膜，精煉、變質(zhì)時攪拌勺在液面下平穩(wěn)攪動，特別是精煉操作要細(xì)心，精煉工序是防止氣孔重要的一環(huán)。金屬液澆注時應(yīng)平穩(wěn)，速度均勻，澆包和鑄型之間保持最小的垂直距離。
　　鋁合金鑄件未來發(fā)展分析：
　　降低能耗，減少環(huán)境污染以及節(jié)約有限資源是當(dāng)今各國面臨的一個十分重要而緊迫的任務(wù)。在汽車等產(chǎn)品輕量化的總趨勢的推動下，可以預(yù)計，今后10年，我國輕金屬鑄件市場將會有大幅度的發(fā)展。各鑄件生產(chǎn)大國的鋁、鎂合金鑄件所占比例在13%～19%之間，有些國家更是高達30%～40%，而我國的鋁、鎂合金鑄件所占的比例不到10%。發(fā)達國家90%以上的鋁鑄件用于汽車零件制造業(yè)，在我國，鋁合金鑄件要形成規(guī)?；a(chǎn)并滿足汽車輕量化的要求要解決的問題還很多：汽車對 的要求向薄壁、形狀復(fù)雜、高強度、高質(zhì)量的方向發(fā)展。為適應(yīng)這種要求，應(yīng)進一步優(yōu)化鑄造工藝并進行新合金材料的開發(fā)。應(yīng)從設(shè)計和工藝的角度降低生產(chǎn)成本，如使用一模多件技術(shù)和自動化技術(shù)以提高生產(chǎn)率、延長模具使用壽命，并采用一體化的設(shè)計減少零件數(shù)量。采用計算機模擬技術(shù)，縮短工藝方案的開發(fā)周期。第四，加大鋁的回收力度。再生鋁是鋁鑄造的主要原料，我國在發(fā)展鑄造業(yè)的同時應(yīng)重視再生鋁資源的利用，開發(fā)從復(fù)合材料和異種材料組合的廢料中的有效分離鋁的技術(shù)，并建立廣泛的廢料回收體系。
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