鑄造鋁合金由于其密度小，比強度高，具有良好的綜合性能，因此被廣泛用于航空航天、傳奇私服汽車制造、動力儀表、工具及民用器具等制造業(yè)。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展及世界經(jīng)濟一體化進程的推進，其生產(chǎn)量和消耗民量大幅增長。但是，鑄造鋁合金的針孔缺陷較突出，本文結(jié)合筆者在鋁合金鑄件生產(chǎn)實踐中積累的經(jīng)驗，談?wù)勪X合金鑄件針孔缺陷的產(chǎn)生和預(yù)防。

一、鑄造鋁合金針孔的產(chǎn)生

針孔是鋁合金在凝固過程中，溶解在鋁熔液中的氣體(99％H₂)逸出后又沒有完全浮到鋁液表面造成的。

鋁合金在熔煉和澆注時，會吸入大量的氫氣，冷卻時則因溶解度的下降而不斷析出。鋁合金中溶解的氫，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(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時，氫在鋁合金中的溶解度下降19倍。因此鋁合金液在冷卻凝固過程中，當氫的含量超過了其溶解度時即以氣泡的形式析出。因過飽和的氫析出而形成的氫氣泡，若來不及上浮排出，就會在凝固過程中形成細小、分散的氣孔，即通常所說的針孔。在氫氣泡形成前達到的過飽和度是氫氣泡形核數(shù)目的函數(shù)，而氧化物和其他夾雜物則起氣泡核心的作用。

在一般生產(chǎn)條件下，特別是在厚大的砂型鑄件中很難避免針孔的產(chǎn)生。在相對濕度大的氣氛中熔煉和澆注鋁合金，鑄件中的針孔尤其嚴重。這就是干燥的季節(jié)要比多雨潮濕的時節(jié)產(chǎn)生的鋁合金鑄件針孔缺陷少些的原因。

對鋁合金而言，如果結(jié)晶溫度范圍較大，則產(chǎn)生網(wǎng)狀針孔。這是因為在一般鑄造生產(chǎn)條件下，鑄件具有寬的凝固溫度范圍，使鋁合金容易形成發(fā)達的樹枝狀結(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空間中，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，從而使合金中過飽和的氫氣析出并形成針孔。

二、鑄造鋁合金針孔度的評定

鑄造鋁合金機械加工表面1cm²范圍內(nèi)孔洞的數(shù)量和尺寸稱為針孔度。針孔對鋁合金性能的影響主要表現(xiàn)在會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(chǎn)實踐中，力口強氣孔等級對力學性能影響的研究，通過控制針孔等級來保證鋁合金鑄件品質(zhì)是非常重要的。針孔等級評定，低倍檢驗按GB 10851—1989進行；X射線檢測按GBll346—1989鋁合金鑄件針孔分級標準執(zhí)行。根據(jù)《鋁合金鑄件針孔度日測評定法》，針孔度分為5級，參考圖像如附表中所示。

三、鑄造鋁合金針孔缺陷的防止

1.形成針孔的氫氣采源與析出

鋁合金中氣孔的產(chǎn)生，是由于鋁合金吸氣而形成的，但分子狀態(tài)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(shù)量多少，不僅與分子是否容易分解為活性原子有關(guān)，還直接與氣體原子類別有關(guān)。在鋁合金熔煉過程中，通常接觸的爐氣有H2、02、H20、C02及S02等，這些氣體主要是由燃料燃燒后產(chǎn)生的，而耐火材料、金屬爐料、熔劑以及與氣體接觸的工具等均會帶入一定量的氣體。另外，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(jié)合的氫才能充分從粘結(jié)劑中釋放出來。一般而言，爐氣成分是由燃料種類及空氣量來決定的。例如，普通焦炭坩堝爐，爐氣成分主要為C0₂、S0₂和N₂；煤氣、重油坩堝爐主要為H₂0、N₂；而對目前大多數(shù)熔煉廠家使用的電爐熔煉來說，爐氣成分主要是H₂。因此，采用不同的熔煉爐生產(chǎn)時，鋁合金的吸氣量和產(chǎn)生氣孔的程度是不同的。

鋁合金生產(chǎn)實踐證明，氫能大量溶解于鋁或鋁合金中，是導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)形成鋁的化合物，如A1₂0₃、A1C1₃、A1N及A1₄C₃等。

在鋁合金熔煉時，周圍空氣中的氫氣含量并不多，氫的來源通常是鋁與水蒸汽的反應(yīng)，而水蒸汽主要來源于爐氣中的水分，設(shè)備及工具吸附的水分，一些材料的結(jié)晶水，以及鋁銹Al(0H)2分解出來的水分等。

因此針孔的解決，應(yīng)從防止鋁合金熔液吸氣和加強鋁熔液除氣來入手。

2．預(yù)防鋁合金鑄件針孔形成的主要措施

由以上分析可知，鋁熔液很容易吸收氫氣，極少量的水蒸汽就可以輕易毀掉整爐的鋁液，因此首先要防吸氣。鋁合金鑄件容易產(chǎn)生針孔缺陷，這既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)。為避免或減少鋁合金在熔煉時產(chǎn)生針孔，保證鋁合金鑄件具有優(yōu)良品質(zhì)，可針對性地采取適當?shù)念A(yù)防措施。

(1)明確“精料、精工”原則，對爐料和熔煉設(shè)備和工具進行預(yù)處理。爐料使用前應(yīng)先用吹砂或其他方法去除表面的銹跡、泥沙等污物，并進行爐料預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350-450℃，并保持3h以上，嚴防帶入水分和油污等。

坩堝、錠模和熔煉工具，使用前應(yīng)將表面油污、臟物等清除干凈，并預(yù)熱至120—250℃，涂刷防護涂料。

新坩堝、新砌爐子及有銹蝕的舊坩堝，使用前應(yīng)用吹砂或其他方法將表面清除干凈，并進行烘爐處理，一般應(yīng)加熱至700-800℃，并保溫2-4h，以去除坩堝所吸附的水分及其他化學物質(zhì)。熔煉工具應(yīng)預(yù)熱至200-400℃，保持2h以上。

(2)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。A1—Mg合金和其他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，以防止吸氣，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，采取果斷措施予以處理。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760t，坩堝底部涂料厚度需≥60mm。

(3)加強在潮濕季節(jié)熔煉的預(yù)防措施。在雨季或空氣潮濕季節(jié)鑄造鋁合金，更應(yīng)注意采取去氣防護措施，對熔煉用具、錠模、坩堝和爐料等都要嚴格按規(guī)范進行預(yù)熱處理，以防帶人過多的水分和油污而引起各類針孔的產(chǎn)生。

(4)采取必要的精煉工藝，去除鋁合金中的氣體。一般情況下，所謂“去氣”就是去除合金中的氣體，“精煉”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在一起進行，故在生產(chǎn)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，去氣也就是去除氫氣。目前去氣的主要方法是通過在鋁合金中加入精煉除氣劑來制造大量的氣體(氣泡中的氣體可能是鋁液內(nèi)部經(jīng)化學反應(yīng)產(chǎn)生的，也可能性是由部分精煉除氣劑直接帶入的)，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)，由于氣泡密度輕，當氣泡上浮到鋁液表面時，氣泡破裂，氫氣逸入大氣中，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加入氯鹽和氯化物除氣。采用氯鹽和氯化物除氣劑除氣時，要用鐘罩將除氣劑壓入距坩堝底部100mm處，沿坩堝直徑1／3(距坩堝內(nèi)壁)的圓周勻速移動。為防止鋁液大量噴濺，除氣劑可分批加入，除氣結(jié)束除渣，并按規(guī)定的時間進行靜置。

(5)采用鑄造工藝方法進行除氣。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。在設(shè)計金屬型時就必須有排氣預(yù)防措施：①利用分型面或型腔零件組合面的間隙進行排氣。②開排氣槽。即在分型面或型腔零件的組合面上，以及芯座與頂桿表面上做排氣槽，這樣既能排氣，又能蓄氣。③設(shè)排氣孔。排氣孔一般開設(shè)在金屬型的最高處，或金屬型內(nèi)可能產(chǎn)生“氣阻”的地方。④設(shè)置排氣塞。排氣塞是金屬型常用的排氣設(shè)施。在一平面上需要設(shè)置數(shù)個排氣塞時，可用一個排氣環(huán)來代替，將它設(shè)計在型腔的“氣阻”處，或型腔的大平面上，以便排氣暢通。

四、結(jié)語

以上分析了鋁合金鑄件氣孔形成的主要因素，并有針對性地論述了一系列相應(yīng)的預(yù)防措施，目的就是要防止在鑄件中生成氣孔，獲得優(yōu)良品質(zhì)的鑄件。從鑄造工藝角度綜合分析，預(yù)防氣孔的生成和消除氣孔可以用“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煉爐中。

“排”：就是要排除鋁液中的氧化夾雜和氫氣。

“溶”：就是要使鋁液中的氫在凝固時能部分或全部固溶在合金組織中，避免在鑄件中形成氣孔。

因此，在鋁合金熔煉安排和選擇“防”、“排”、“溶”三方面的工藝措施時，必須遵循“以防為主，以排為輔”的工藝