铸造铝合金中的针孔及其防止

铸造铝合金由于其密度小，比强度高，具有良好的综合性能，因此被广泛用于航空航天、汽车制造、动力仪表、工具及民用器具等制造业。随着国民经济的发展及世界经济一体化进程的推进，其生产量和消耗民量大幅增长。但是，铸造铝合金的针孔缺陷较突出，本文结合笔者在铝合金铸件生产实践中积累的经验，谈谈铝合金铸件针孔缺陷的产生和预防。

一、铸造铝合金针孔的产生

针孔是铝合金在凝固过程中，溶解在铝熔液中的气体(99％H₂)逸出后又没有完全浮到铝液表面造成的。

铝合金在熔炼和浇注时，会吸入大量的氢气，冷却时则因溶解度的下降而不断析出。铝合金中溶解的氢，其溶解度随合金液温度的升高而增大，随温度的下降而减少，由液态转变成固态时，氢在铝合金中的溶解度下降19倍。因此铝合金液在冷却凝固过程中，当氢的含量超过了其溶解度时即以气泡的形式析出。因过饱和的氢析出而形成的氢气泡，若来不及上浮排出，就会在凝固过程中形成细小、分散的气孔，即通常所说的针孔。在氢气泡形成前达到的过饱和度是氢气泡形核数目的函数，而氧化物和其他夹杂物则起气泡核心的作用。

在一般生产条件下，特别是在厚大的砂型铸件中很难避免针孔的产生。在相对湿度大的气氛中熔炼和浇注铝合金，铸件中的针孔尤其严重。这就是干燥的季节要比多雨潮湿的时节产生的铝合金铸件针孔缺陷少些的原因。

对铝合金而言，如果结晶温度范围较大，则产生网状针孔。这是因为在一般铸造生产条件下，铸件具有宽的凝固温度范围，使铝合金容易形成发达的树枝状结晶。在凝固后期，树枝状结晶间隙部分的残留铝液可能相互隔绝，分别存在于近似封闭的小空间中，由于它们受到外界大气压力和合金液体的静压作用较小，当残留铝液进一步冷却收缩时能形成一定程度的真空，从而使合金中过饱和的氢气析出并形成针孔。

二、铸造铝合金针孔度的评定

铸造铝合金机械加工表面1cm ²范围内孔洞的数量和尺寸称为针孔度。针孔对铝合金性能的影响主要表现在会使铸件组织致密度降低，力学性能下降。为此，在铝合金铸件生产实践中，力口强气孔等级对力学性能影响的研究，通过控制针孔等级来保证铝合金铸件品质是非常重要的。针孔等级评定，低倍检验按GB 10851—1989进行；X射线检测按GBll346—1989铝合金铸件针孔分级标准执行。根据《铝合金铸件针孔度日测评定法》，针孔度分为5级，参考图像如附表中所示。

严重程度	参考图象	在 1cm ²范围内孔洞的数量尺寸
0		在被检表面上无可见孔洞
1		不超过5个，其中， 4个不超过 0.1mm ，1不超过 0.2 mm
2		不超过10个，其中， 8个不超过 0.1 mm ，2个不超过 0.2 mm
3		不超过15个，其中， 12个不超过 0.3 mm ，3个不超过 0.5 mm
4		不超过20个，其中， 14个不超过 0.5mm ，6个不超过 1.0 mm
5		不超过25个，其中。 15个不超过 0.5 mm ， 7个不超过 1.0 mm ， 3个不超过 1.5 mm

三、铸造铝合金针孔缺陷的防止

1.形成针孔的氢气采源与析出

铝合金中气孔的产生，是由于铝合金吸气而形成的，但分子状态的气体一般不能溶解于合金液中，只有当气体分子分解为活性原子时，才有可能溶解。合金液中气体能溶解的数量多少，不仅与分子是否容易分解为活性原子有关，还直接与气体原子类别有关。在铝合金熔炼过程中，通常接触的炉气有H2、02、H20、C02及S02等，这些气体主要是由燃料燃烧后产生的，而耐火材料、金属炉料、熔剂以及与气体接触的工具等均会带入一定量的气体。另外，新砌的炉衬、炉子的耐火材料、坩埚等，通常需要使用几天或几周的时间，其化学结合的氢才能充分从粘结剂中释放出来。一般而言，炉气成分是由燃料种类及空气量来决定的。例如，普通焦炭坩埚炉，炉气成分主要为C0₂、S0₂和N₂；煤气、重油坩埚炉主要为H₂0、N₂；而对目前大多数熔炼厂家使用的电炉熔炼来说，炉气成分主要是H₂。因此，采用不同的熔炼炉生产时，铝合金的吸气量和产生气孔的程度是不同的。

 

铝合金生产实践证明，氢能大量溶解于铝或铝合金中，是导致铝合金形成气孔的主要原因，是铝合金中最有害的气体，也是铝合金中溶解度最大的气体。在铸件凝固过程中，由于氢的析出而产生的孔隙，不仅减少了铸件的实际截面积，而且是裂纹源。惰性气体不能溶于铝或铝合金，其他气体一般与铝或铝合金反应形成铝的化合物，如A1₂0₃、A 1C 1₃、A1N及A 1₄C ₃等。

在铝合金熔炼时，周围空气中的氢气含量并不多，氢的来源通常是铝与水蒸汽的反应，而水蒸汽主要来源于炉气中的水分，设备及工具吸附的水分，一些材料的结晶水，以及铝锈Al(0H)2分解出来的水分等。

因此针孔的解决，应从防止铝合金熔液吸气和加强铝熔液除气来入手。

2．预防铝合金铸件针孔形成的主要措施

由以上分析可知，铝熔液很容易吸收氢气，极少量的水蒸汽就可以轻易毁掉整炉的铝液，因此首先要防吸气。铝合金铸件容易产生针孔缺陷，这既与铝合金本身特性有关系，也与一系列的外界因素有关。为避免或减少铝合金在熔炼时产生针孔，保证铝合金铸件具有优良品质，可针对性地采取适当的预防措施。

(1)明确“精料、精工”原则，对炉料和熔炼设备和工具进行预处理。炉料使用前应先用吹砂或其他方法去除表面的锈迹、泥沙等污物，并进行炉料预热，预热温度为350 -450℃ ，并保持3h以上，严防带入水分和油污等。

坩埚、锭模和熔炼工具，使用前应将表面油污、脏物等清除干净，并预热至120— 250℃ ，涂刷防护涂料。

新坩埚、新砌炉子及有锈蚀的旧坩埚，使用前应用吹砂或其他方法将表面清除干净，并进行烘炉处理，一般应加热至700 -800℃ ，并保温2-4h，以去除坩埚所吸附的水分及其他化学物质。熔炼工具应预热至200 -400℃ ，保持2h以上。

(2)铝合金在熔炼时，要力求做到快速熔炼，缩短高温下停留时间。A1—Mg合金和其他铝合金熔化后保持时间过长时，需要用熔剂覆盖铝合金液面，以防止吸气，一旦在生产过程中出现异常，要及时与现场技术人员取得联系，采取果断措施予以处理。每一炉合金从开始熔化到浇注完毕的时间，砂型铸造不得超过4h，金属型铸造不得超过6h，压铸不得超过8h，合金最高温度一般不超过760t，坩埚底部涂料厚度需≥ 60mm 。

(3)加强在潮湿季节熔炼的预防措施。在雨季或空气潮湿季节铸造铝合金，更应注意采取去气防护措施，对熔炼用具、锭模、坩埚和炉料等都要严格按规范进行预热处理，以防带人过多的水分和油污而引起各类针孔的产生。

(4)采取必要的精炼工艺，去除铝合金中的气体。一般情况下，所谓“去气”就是去除合金中的气体，“精炼”是指去除合金中的夹杂物。因铝合金熔炼时，除气和精炼两个工序多合在一起进行，故在生产实践中习惯将这两个工序称为精炼。由于铝合金中的气体主要是氢气，去气也就是去除氢气。目前去气的主要方法是通过在铝合金中加入精炼除气剂来制造大量的气体(气泡中的气体可能是铝液内部经化学反应产生的，也可能性是由部分精炼除气剂直接带入的)，利用分压原理，让溶解于铝液中的氢原子向气泡扩散(此时气泡的分压为零)，由于气泡密度轻，当气泡上浮到铝液表面时，气泡破裂，氢气逸入大气中，最终达到去除氢气的目的。

目前，为了消除铝合金铸件针孔，最常用的办法是在熔化过程中加入氯盐和氯化物除气。采用氯盐和氯化物除气剂除气时，要用钟罩将除气剂压入距坩埚底部 100mm 处，沿坩埚直径1／3(距坩埚内壁)的圆周匀速移动。为防止铝液大量喷溅，除气剂可分批加入，除气结束除渣，并按规定的时间进行静置。

 

(5)采用铸造工艺方法进行除气。通常情况下，砂型铸造也可以采用静置、多扎出气孔和加大冒口等方法进行去气。在设计金属型时就必须有排气预防措施：①利用分型面或型腔零件组合面的间隙进行排气。②开排气槽。即在分型面或型腔零件的组合面上，以及芯座与顶杆表面上做排气槽，这样既能排气，又能蓄气。③设排气孔。排气孔一般开设在金属型的最高处，或金属型内可能产生“气阻”的地方。④设置排气塞。排气塞是金属型常用的排气设施。在一平面上需要设置数个排气塞时，可用一个排气环来代替，将它设计在型腔的“气阻”处，或型腔的大平面上，以便排气畅通。

四、结语

以上分析了铝合金铸件气孔形成的主要因素，并有针对性地论述了一系列相应的预防措施，目的就是要防止在铸件中生成气孔，获得优良品质的铸件。从铸造工艺角度综合分析，预防气孔的生成和消除气孔可以用“防”、“排”、“溶”三字工艺原则来概括。

“防”：就是要防止水分及各种污物进入坩埚或熔炼炉中。

“排”：就是要排除铝液中的氧化夹杂和氢气。

“溶”：就是要使铝液中的氢在凝固时能部分或全部固溶在合金组织中，避免在铸件中形成气孔。

因此，在铝合金熔炼安排和选择“防”、“排”、“溶”三方面的工艺措施时，必须遵循“以防为主，以排为辅”的工艺原则，但着眼点应仍放在“防”字上。