氣孔對鋁合金鑄件性能的影響
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鋁合金型材出廠狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)和注意事項
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(dāng)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,是鋁合金中有害的氣體,也是鋁合金中溶解度大的氣體。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=Al2O36[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=MgO2[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:
4mAl3CmHn=mAl4C33n[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。
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GB-89進行,當(dāng)有爭議時按表2規(guī)定執(zhí)行;X射線照相按GB-89鋁合金鑄件針孔分級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,該標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)指出的是,由于鑄件壁厚效應(yīng)的影響,即使針孔嚴(yán)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(dāng)大的范圍內(nèi)波動。
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