在純鋁中加入一些金屬或非金屬元素所熔制的鋁合金是一種新型的合金材料，由于其比重小，比強度高，具有良好的綜合性能，因此被廣泛用于航空工業(yè)、汽車制造業(yè)、動力儀表、工具及民用器具制造等方面。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展以及經(jīng)濟一體化進程的推進，其生產(chǎn)量和耗用量大有超過鋼鐵之勢。加強對鋁合金材料性能的研究，保證鋁合金鑄件具有優(yōu)良品質(zhì)，既是我們每一個科技工作者義不容辭的責(zé)任，也是同我們的日常生活息息相關(guān)的頭等大事。本文結(jié)合作者鋁合金鑄件生產(chǎn)實踐經(jīng)驗談?wù)勪X合金鑄件氣孔與預(yù)防問題。
　　1．氣孔類別
　　由于鋁合金具有嚴重的氧化和吸氣傾向，熔煉過程中又直接與爐氣或外界大氣相接觸，因此，如熔煉過程中控制稍許不當，鋁合金就很容易吸收氣體而形成氣孔，最常見的是針孔。針孔（gas porosity/pin-hole），通常是指鑄件中小于1mm的析出性氣孔，多呈圓形，不均勻分布在鑄件整個斷面上，特別是在鑄件的厚大斷面和冷卻速度較小的部位。根據(jù)鋁合金析出性氣孔的分布和形狀特征，針孔又可以分為三類①，即：
　　(1) 點狀針孔：在低倍組織中針孔呈圓點狀，針孔輪廓清晰且互不連續(xù)，能數(shù)出每平方厘米面積上針孔的數(shù)目，并能測得出其直徑。這種針孔容易與縮孔、縮松等予以區(qū)別開來。
　　(2) 網(wǎng)狀針孔： 在低倍組織中針孔密集相連成網(wǎng)狀，有少數(shù)較大的孔洞，不便清查單位面積上針孔的數(shù)目，也難以測出針孔的直徑大小。
　　(3) 綜合性氣孔：它是點狀針孔和網(wǎng)狀針孔的中間型，從低倍組織上看，大針孔較多，但不是圓點狀，而呈多角形。
　　鋁合金生產(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氣，并且其出現(xiàn)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；材料也不例外，各種成分的鋁合金都容易產(chǎn)生針孔。
　　2． 針孔的形成
　　鋁合金在熔煉和澆注時，能吸收大量的氫氣，冷卻時則因溶解度的下降而不斷析出。有的資料介紹②，鋁合金中溶解的較多的氫，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。（氫在純鋁中的溶解度與溫度的關(guān)系見圖1③）。因此鋁合金液在冷卻的凝固過程中，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，來不及上浮排出的，就在凝固過程中形成細小、分散的氣孔，即平常我們所說的針孔（gas porosity）。在氫氣泡形成前達到的過飽和度是氫氣泡形核的數(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。
　　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溶煉和澆注鋁合金，鑄件中的針孔尤其嚴重。這就是我們在生產(chǎn)中常常有人納悶干燥的季節(jié)總比多雨潮濕的時節(jié)鋁合金鑄件針孔缺陷少些的原因。
　　一般說來，對鋁合金而言，如果結(jié)晶溫度范圍較大，則產(chǎn)生網(wǎng)狀針孔的機率也就大得多③。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，當殘留鋁液進一步冷卻收縮時能形成一定程度的真空（即補縮通道被阻塞），從而使合金中過飽和的氫氣析出而形成針孔。
　　3． 形成氣孔的氫氣的來源與析出
　　鋁合金中氣孔的產(chǎn)生，是由于鋁合金吸氣而形成的，但氣體分子狀態(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：氫氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等，這些氣體主要是由燃料燃燒后產(chǎn)生的，而耐火材料、金屬爐料及熔劑、與氣體接觸的工具等也可以帶入一定量的氣體，如新砌的爐襯、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(xué)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以及空氣量來決定的。普通焦炭坩堝爐，爐氣成分主要為二氧化碳、二氧化硫和氮氣；煤氣、重油坩堝爐主要為水蒸氣、氮氣；而對目前大多數(shù)熔煉廠家使用的電爐熔煉來說，爐氣成分主要是氫氣。因此，采用不同的熔煉爐熔煉時，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，氫是唯一能大量溶解于鋁或鋁合金中的氣體，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Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。由圖1可知，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，其溶解度約在0.003﹪以下）。
　　在鋁合金熔煉時，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)晶水與鋁銹Al(OH)2分解出來的水分等，其反應(yīng)式如下：
　　3H2O(水蒸氣)+2Al=Al2O3+6[H](1)
　　含鎂鋁合金由于還發(fā)生下列反應(yīng)，更容易吸收氫：
　　H2O(水蒸氣)+ Mg=MgO+2[H](2)
　　另外，金屬爐料或回爐料帶入的油污、有機物、鹽類熔劑等與鋁液反應(yīng)也能生成氫：
　　4mAl+3CmHn=mAl4C3+3n[H] (3)
　　鎂、鈉、鋰可以改變鋁的表面的氧化膜，使活性氫原子容易進入；金屬氟和鈹則能在鋁的表面形成更致密的氧化膜，降低氫向鋁液或鋁合金中擴散的速度，對鋁合金起到保護作用。形成氫化物的元素，如鈣、鈦、鋰、銫等金屬均能強烈地擴大氫在鋁液中的溶解度。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．氣孔對鋁合金鑄件性能的影響
　　針孔對鋁合金性能的影響主要表現(xiàn)在能使鑄件組織致密度降低，力學(xué)性能下降。為此，在鋁合金鑄件生產(chǎn)實踐中，加強對氣孔等級對力學(xué)性能的影響研究，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GB10851-89進行，當有爭議時按表2規(guī)定執(zhí)行；X射線照相按GB11346-89鋁合金鑄件針孔分級標準執(zhí)行，該標準選用目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的兩種合金ZL101（Al-Si-Mg系）和ZL201（Al-Cu-Mn系）, 并在T4狀態(tài)測定бb和σ5的試驗結(jié)果表明（ZL101T4、ZL201ST4各種針孔試樣的力學(xué)性能分別見表3、表4）：鑄件力學(xué)性能與針孔等級之間是線性相關(guān)關(guān)系，隨著針孔等級級別增加，力學(xué)性能逐步下降；針孔等級每增加一級，力學(xué)性бb下降3%左右，σ5下降 5%左右。對鋁合金鑄件切取性能試樣要求，鑄件允許存在的針孔級別詳見GB9438-8
　　這里應(yīng)當指出的是，由于鑄件壁厚效應(yīng)的影響，即使針孔嚴重程度相同，壁厚大的部位力學(xué)性能下降，壁厚小的則較高。由于鑄件的力學(xué)性能取決于多種因素，不僅與針孔等級有關(guān)，還與合金的化學(xué)成分的波動、鑄 件的凝固速度、熱處理效果、其他缺陷的存在因素有關(guān)，所以同一級別的針孔試樣，力學(xué)性能將在一個相當大的范圍內(nèi)波動。
　　5． 鋁合金鑄件針孔形成的主要因素
　　綜上所述，針孔是鋁合金鑄件中容易出現(xiàn)的且對鑄件品質(zhì)造成一定影響的一種鑄造缺陷，氫是造成針孔的主要原因（有的資料介紹，鋁液中所溶解的氣體中80%-90%是氫），而氫的主要來源是水蒸氣分解所產(chǎn)生的。因此，鋁合金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形成的主要因素。影響針孔形成的主要因素有：
　　5.1 原材料、輔助材料的影響
　　在鋁合金熔煉澆注過程中，所使用的原材料、輔助材料、一些材料中的結(jié)晶水和鋁銹AL（OH）2分解會產(chǎn)生水分，造型材料中有多種有機和無機輔料帶有的水分，鑄型材料中的輔料、涂料等因為預(yù)熱不良含有的水分等等，在鋁合金熔煉澆注時，會因水蒸氣的分解而產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體都有可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔。涂料中粘結(jié)劑，雖然可以增加涂層厚度，但也相應(yīng)增大了發(fā)氣量。
　　5.2 熔煉設(shè)備及工具的影響
　　不同熔煉設(shè)備熔化鋁合金時，鋁合金的吸氣量和形成氣孔的程度是不同的。新坩堝及有銹蝕、污物的舊坩堝，使用前應(yīng)吹砂或用其他方法清除干凈，并加熱至700℃-800℃，保溫2h-4 h，以去除坩堝所吸附的水分
　　和其它化學(xué)物質(zhì)，否則會因含有水分而在熔煉澆注時產(chǎn)生水蒸氣而導(dǎo)致形成氣孔。新砌的爐子，通常也需要使用幾天或幾周的時間進行烘爐干燥處理，否則耐火材料中含有的水分及化學(xué)結(jié)合的氫就無法釋放而導(dǎo)致熔煉時形成氣孔。
　　熔煉用的工具如澆包、除氣用的鐘罩等，使用前應(yīng)將表面殘余的金屬、氧化皮等污物清除干凈；鋁鎂合金使用的工具，使用前則要求放在光鹵石等熔劑中洗滌干凈。然后涂上防護涂料并進行預(yù)熱烘干。如果預(yù)熱不良，表面吸咐的水分，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)致鑄件針孔的形成。
　　5.3 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，由于空氣濕度大，鋁合金熔煉時針孔產(chǎn)生的現(xiàn)象就嚴重些。當然，空氣濕度大時，鋁合金錠 、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。
　　5.4 熔化操作的影響
　　鋁合金熔煉時，由于氫氣溶解到鋁液中需要一個過程，因此加強熔煉過程的控制，對控制鋁合金吸氣量是大有文章可做的。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。合金熔化溫度越高，熔化時間和熔化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，我們在大量生產(chǎn)條件下，為了減少鋁合金熔煉時吸收氫氣，一定要嚴格執(zhí)行鋁合金熔煉工藝規(guī)程，一般鋁合金熔化后保持時間不能超過3h-5h，鋁合金熔化溫度也不能過高，一般控制在760℃以下，最高初始熔煉溫度不應(yīng)超過920℃。
　　5.5 砂型鑄造鑄型的影響
　　鑄型含水量高，鋁合金中含氫量就越高。有人用同爐合金澆入不同含水量的鑄型，經(jīng)測定合金中氫氣含量有很大區(qū)別③：鑄型含水量為5%時，鑄型中含氫量為1.5ml/100g；鑄型含水量為6%時，鑄型中含氫量為2.5ml/100g；鑄型含水量為8%時，鑄型中含氫量為3.0ml/100g。因此砂型鑄造鋁合金時，最好采用干燥或表面干燥型，如用濕型，含水量應(yīng)控制在6%以下。這是因為濕型鑄造時，由于水分的汽化溫度低，當加熱到鋁液熔化溫度時，砂型中會產(chǎn)生大量的氣體，隨著壓力增大，體積發(fā)生膨脹，壓力大的氣體就會進入型腔或型腔中的鋁液，導(dǎo)致侵入性氣孔的形成。
　　5.6 金屬型鑄造型腔的影響
　　由于金屬型鑄造沒有退讓性和無透氣性等特點，金屬型在充填和澆注過程中，型 腔內(nèi)的氣體一方面隨著鋁液金屬的充填被壓縮；另一方面又被迅速強烈加熱，引起壓力升高，結(jié)果造成充型反壓力，阻礙鋁液金屬充填型腔，當壓力超過一定極限時，氣體就可能沖破金屬液流束的表層，通過內(nèi)澆口向外逸出，破壞金屬液連續(xù)流動，并造成強烈氧化，在氣體穿越金屬液時，如果受到初晶或凝固層的阻擋，便會留在金屬液中形成氣孔。當帶有砂型的金屬型鑄造時，液體金屬在充填過程中，砂型受到粘結(jié)劑分解以及涂料未烘干或金屬型預(yù)熱不充分的影響，都會增加型腔內(nèi)的氣體量，當型腔內(nèi)的氣體不能充分排出時，氣體便滯留于鑄件形成氣孔，而部分殘留氣體則富集于鑄型壁與金屬液之間形成“氣阻”，這些氣阻則使鑄件出現(xiàn)澆不足或冷隔缺陷。
【來源：中鋁網(wǎng)】