摘要：A356鋁合金要求良好工藝過程控制來保證良好的針孔度和斷口組織, 因此如果能夠很好的排除鋁液中氫的含量, 減少氣孔, 在A356鋁合金生產(chǎn)中, 將對質(zhì)量的提高起到關(guān)鍵性的作用。
關(guān)鍵詞：氫 針孔度 形成
1、前 言
隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展, 更多的企業(yè)開始投身于汽車輪轂的研制開發(fā)和生產(chǎn), 隨之而來的是, 整個市場對鋁錠的需求量越來越大。但是由于鋁合金需要嚴(yán)格的工藝過程控制才能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。因此相當(dāng)一部分因產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而不能滿足實際生產(chǎn)的 需要, 雖然很多的企業(yè)也經(jīng)過不少的技術(shù)改進, 可客戶對質(zhì)量問題的反饋卻沒有減少。
2、目前A356鋁合金質(zhì)量主要存在的問題
A356鋁合金的針孔等級不能達(dá)到實際要求, 而氫是造成鋁合金針孔的主要原因, 氫的主要來源是由于水蒸氣在鋁液的高溫下分解所產(chǎn)生的。因此, 在鋁合金的熔煉生產(chǎn)過程中造成水蒸氣產(chǎn)生的原因, 也就是直接影響針孔形成的主要因素。
3、A356鋁合金針孔的形成過程
3.1 A356鋁合金中針孔的介紹
由于A356鋁合金具有嚴(yán)重的氧化和吸氣傾向, 熔煉過程中又直接與爐氣、外界人氣相接觸, 因此, 如在熔煉過程中控制稍許不當(dāng), 就很容易吸收氣體而形成針孔。針孔通常是指鑄件中小于的析出性氣孔, 多呈圓形, 不均勻分布在鑄件整個截面上, 特別是在鑄件的厚大斷面和冷卻速度較小的部位。
根據(jù)A356鋁合金的生產(chǎn)實踐證明, 鋁合金因吸氣而形成氣孔的主要氣體成分是氫, 并且無一定的規(guī)律可循, 往往是一個爐次的全部或多數(shù)鑄件均存在有針孔現(xiàn)象。
3.2 針孔的形成
A356鋁液在熔煉和澆注時, 能吸收大量的氫氣, 冷卻時則因溶解度的下降而不斷析出。目前有不少資料介紹A356鋁合金中溶解有較多的氫, 其溶解度隨鋁液溫度的升高而增長, 隨溫度的下降而減少, 由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時, 氫在A356鋁合金中的溶解度下降19倍。因此鋁液在冷卻的過程中, 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, 就在凝固過程中形成細(xì)小、分散的氣孔, 即平常我們所說的針孔。在氫氣泡形成前達(dá)到的過飽和是氫氣泡形核數(shù)目的函數(shù), 而氧化物和其他夾雜物則在起氣泡核心的作用。
對A356鋁合金而言, 如果結(jié)晶溫度范圍較大, 則產(chǎn)生針孔的機率也就大得多。這是因為在一般鑄造生產(chǎn)條件下, 鋁錠具有寬的凝固溫度范圍, 使鋁合金容易形成發(fā)達(dá)的樹狀結(jié)晶。在凝固后期, 樹枝狀結(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(dāng)殘留鋁液進一步冷卻收縮時能形成一定程度的真空, 從而使合金中過飽和的氫氣析出而形成針孔。
3.3 形成氣孔的氫的來源與析出
A356鋁合金中氣孔的產(chǎn)生是由于吸取水蒸氣而形成的, 但氣體分子狀態(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, 才有可能溶解。這就是鋁液吸收氫的原理。在A356鋁合金熔煉過程中, 如果使用電爐熔煉, 則爐氣中的水蒸氣壓力受空氣濕度、爐料、溶劑及工具的干燥程度等因素的影響, 一般為399.9—1999.5Pa。對于火焰爐而言, 其燃料一般是天然氣、煤氣、重油, 燃燒后會含有不同比例的氧、氮、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔锛岸趸虻葰怏w。在完全燃燒的情況下, 爐氣中約含有25%的水蒸氣, 二氧化碳約為9%, 其余為氮。但實際上燃料不可能完全燃燒, 因此在爐氣中水蒸氣的蒸汽壓不低于6665Pa,水氣含量是很大的。
A356鋁合金中最有害的氣體, 氫是唯一能大量溶解于鋁液的氣體, 是導(dǎo)致形成氣孔的主
要原因, 也是鋁液中溶解度最大的氣體。在凝固過程中由于氫的析出而產(chǎn)生的孔隙, 不僅減少了鋁錠的實際截面積, 而且還是裂紋源。氫在液態(tài)鋁或鋁合金中的溶液解度很大, 而幾乎不溶解于固態(tài)鋁。（在室溫條件下, 共溶解度約在0.003%以下。）
在A356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(yīng), 而水蒸氣主要來源于我們上面所說的爐氣中的水分、設(shè)備及工具吸附的水分、一些材料的結(jié)晶水等, 其反應(yīng)式如下
3H2O（水蒸氣） 2AL=AL2O3 6（H）
回爐料帶入的油污、有機物、鹽類熔劑等與鋁液反應(yīng)也能生成氫：
4m AL 3CmHn=mAIC3 3n(H)
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、A356鋁合金錠針孔形成的主要因素
針孔是A356鋁合金中容易出現(xiàn)的且對產(chǎn)品質(zhì)量致命影響一種鑄造缺陷, 而氫是造成針孔的主要原因, 而氫的主要來源是水蒸氣分解所產(chǎn)生的。因此, 在熔煉過程中造成水蒸氣產(chǎn)生的原因, 也就是直接影響針孔的主要因素。
A356鋁合金針孔形成的主要因素有：
4.1 原材料、輔助材料的影晌
在A356鋁合金熔煉的過程中, 所使用的原材料、輔助材料等一些材料中含有不少結(jié)晶水、潮氣加入爐內(nèi)后, 如果此時邊倒入鋁液, 便會被鋁液吸收, 會因水蒸氣的分解而產(chǎn)生大量的氫, 這些氫含量的增加就在鋁錠中形成氣孔。因此在加入原輔料前一定進行預(yù)熱處理, 加入工業(yè)硅后, 進行高溫烘烤1個小時左右, 稱為烤硅。
因?qū)︿X液要進行精煉, 而精煉劑如果潮濕也會帶進去很多的氫, 曾經(jīng)有人做過這樣的實驗,測定鋁合金中氫的含量：
（1）未經(jīng)預(yù)熱處理的精煉劑直接使用：0.83cm3/(100g)
（2） 在400℃的溫度下進行干燥處理的精煉劑: 0.21cm3/（100g）
因此可以看出, 對精煉劑進行預(yù)熱處理是有很大好處的。
4.2 熔煉設(shè)備及工具的影響
使用的工具如精煉管、渣耙, 渣鏟等, 在使用前應(yīng)將表面殘余的金屬、氧化皮等污物清除干凈, 然后涂上防護涂料并進行預(yù)熱烘干。如果預(yù)熱不好, 表面吸附的水分, 會在熔煉澆注過程因加熱形成水蒸氣而產(chǎn)生大量的氣體, 導(dǎo)致A356鋁合金針孔的形成。
4.3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(jié)性氣孔, 如在雨季, 由于空氣溫度大, A356鋁合金熔煉時針孔產(chǎn)生的現(xiàn)象就嚴(yán)重些。當(dāng)然, 空氣濕度大時, 輔助材料、熔煉設(shè)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(yīng)注意采取有力預(yù)熱烘干防護措施, 以減少氣孔的產(chǎn)生。
某廠歷年的記錄及統(tǒng)計資料指出, 該地區(qū)每年5-10月份是空氣濕度最大的時期, 這期間絕對濕度最高可達(dá)5198.7Pa（空氣中水蒸氣的氣壓）。也就是說在, 1CM3空氣中含有39克水。每年的這段時間內(nèi)生產(chǎn)A356鋁合金就會出現(xiàn)嚴(yán)重的針孔。
4.4 熔煉工藝對含氫量的影響
生產(chǎn)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(guān), 還與合金熔煉溫度、熔煉時間等有較大的關(guān)系。合金熔煉溫度越高, 熔煉時間和熔煉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(xiàn)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(nèi)含氣量近似成比例增加。因此, 為了減少鋁合金熔煉時吸收氫氣, 一定要嚴(yán)格執(zhí)行鋁合金熔煉工藝規(guī)程, 一般鋁合金熔煉保持時間不能超過2H(見表2), 鋁合金熔煉溫度也不能過高。見表3
5、預(yù)防鋁合金錠針孔形成的主要措施
由以上分析可知, A356鋁合金容易產(chǎn)生針孔缺陷。它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)。為了避免或減少鋁合金在熔煉時產(chǎn)生針孔, 保證A356鋁合金具有優(yōu)良品質(zhì), 可針對性地采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施予以預(yù)防。
5.1 認(rèn)真做好熔煉澆注時的準(zhǔn)備工作
1）嚴(yán)格按工藝規(guī)程要求, 正確處理好爐料。
2）鑄模、熔煉工具, 使用前應(yīng)將表面油污、雜物等清除干凈, 噴涂脫模劑。
3）有銹蝕的工具, 使用前應(yīng)將表面清除干凈, 并進行預(yù)熱處理, 以除去所吸附的水分及其它化學(xué)物質(zhì)。
4）己經(jīng)涂料的錠模、熔煉工具在使用前, 均須預(yù)熱。
5.2力求做到快速熔煉、保持合理的靜皿時間
A356鋁合金在熔煉時, 要力求做到快速熔煉, 縮短高溫下停留時間。鋁合金熔化后保持時間過長時, 必要用熔劑覆蓋鋁液面, 一旦在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常, 要及時與現(xiàn)場技術(shù)人員取得聯(lián)系,采取果斷措施預(yù)以處理。精煉后的爐內(nèi)鋁液必須正確確定合適的靜置時間, 靜置時間指的是精煉結(jié)束后至鑄造開始的時間。
5.3 加強潮濕季節(jié)預(yù)防措施
在雨季或空氣潮濕時節(jié)鑄造鋁合金, 我們更應(yīng)加注意采取防護措施, 對熔煉用具、錠模、爐料等都要嚴(yán)格按規(guī)范進行預(yù)熱處理, 以防帶入過多的水分和油污等, 引起各類針孔的產(chǎn)生。
要根據(jù)空氣中濕度的變化決定溶化后到澆注結(jié)束的時間。如4表所示
5.4 采用合適的方式精煉除氣除渣
除氣就是除去合金中的氣體, “ 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(chǎn)實踐中習(xí)慣將這兩個工序稱為精煉。目前除氣的主要辦法是在鋁液中通過精煉除氣劑制造大量的氣體, 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(dāng)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(dá)到去除氫氣的目的。
目前采用精煉的方式大多是均勻活動式精煉, 很少采用定點式精煉, 活動式精煉采用的是對爐內(nèi)的各個角落和上中下三層鋁液進行精煉處理, 可以不留死角。而定點式精煉達(dá)不到這種效果。如下表5, 表6
6、結(jié)語
通過以上分析得出鋁合金氣孔形成的主要因素, 并針對性地論述了一系列相應(yīng)的預(yù)防措施, 目的就是要在合金錠中防止生成針孔和夾渣, 獲得的優(yōu)良品質(zhì)。從鑄造工藝角度綜合分析, 預(yù)防針孔的生成, 消除氣孔和氧化夾渣, 我們可以用“ 防”、“ 排”、“ 溶” 三字原則來概括。
“ 防” 就是要防止潮濕空氣、水份及各種污物進入混合爐內(nèi)。
“ 排” 就是要通過各種方式排除鋁液中的氧化夾渣和氫氣, 因為只有有效除去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, 消除氫析出的障礙, 從而獲得純凈的鋁液, 澆出合格的產(chǎn)品。
“ 溶” 就是要使鋁液中的氫在凝固時能部分地或者全部在固溶在合金組織中, 不致在鑄件中形成氣孔。
當(dāng)然, A356鋁合金熔煉時, 貫徹“ 以防為主, 以排為輔” 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(shè)備、熔爐工具的準(zhǔn)備和處理, 精煉劑的預(yù)制, 精煉、變質(zhì)除渣的技巧, 攪拌操作的技巧和合理澆注等, 我們只有具備了過硬的操作基本功, 才能真正有效地預(yù)防A356鋁合金錠氣孔的形成。
參考文獻(xiàn)
王祝堂,田榮璋，鋁合金及其加工手冊，長沙，中國工業(yè)大學(xué)出版社
向凌甘，原鋁及其合金的熔煉與鑄造，北京，冶金工業(yè)出版社
