气孔对铝合金铸件性能的影响

形成气孔的氢气的来源与析出

　　铝合金中气孔的产生，是由于铝合金吸气而形成的，但气体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：氢气、氧气、水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等，这些气体主要是由燃料燃烧后产生的，而耐火材料、金属炉料及熔剂、与气体接触的工具等也可以带入一定量的气体，如新砌的炉衬、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以及空气量来决定的。普通焦炭坩埚炉，炉气成分主要为二氧化碳、二氧化硫和氮气；煤气、重油坩埚炉主要为水蒸气、氮气；而对目前大多数熔炼厂家使用的电炉熔炼来说，炉气成分主要是氢气。因此，采用不同的熔炼炉熔炼时，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，氢是唯一能大量溶解于铝或铝合金中的气体，是导致铝合金形成气孔的主要原因，是铝合金中有害的气体，也是铝合金中溶解度大的气体。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Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。由图1可知，氢在液态铝或铝合金中的溶液解度很大，而几乎不溶解于固态铝（在室温条件下，其溶解度约在0.003﹪以下）。

　　在铝合金熔炼时，周围空气中的氢气含量并不多，氢的通常的来源是铝和水蒸气的反应，而水蒸气主要来源于炉气中的水分、设备及工具吸附的水分、一些材料的结晶水与铝锈Al(OH)2分解出来的水分等，其反应式如下：

　　3H2O(水蒸气) 2Al=Al2O3 6[H](1)

　　含镁铝合金由于还发生下列反应，更容易吸收氢：

　　H2O(水蒸气) Mg=MgO 2[H](2)

　　另外，金属炉料或回炉料带入的油污、有机物、盐类熔剂等与铝液反应也能生成氢：

　　4mAl 3CmHn=mAl4C3 3n[H] (3)

　　镁、钠、锂可以改变铝的表面的氧化膜，使活性氢原子容易进入；金属氟和铍则能在铝的表面形成更致密的氧化膜，降低氢向铝液或铝合金中扩散的速度，对铝合金起到保护作用。形成氢化物的元素，如钙、钛、锂、铯等金属均能强烈地扩大氢在铝液中的溶解度。

气孔对铝合金铸件性能的影响

　　针孔对铝合金性能的影响主要表现在能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，加强对气孔等级对力学性能的影响研究，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GB10851-89进行，当有争议时按表2规定执行；X射线照相按GB11346-89铝合金铸件针孔分级标准执行，该标准选用目前工业生产中常用的两种合金ZL101（Al-Si-Mg系）和ZL201（Al-Cu-Mn系）, 并在T4状态测定бb和σ5的试验结果表明（ZL101T4、ZL201ST4各种针孔试样的力学性能分别见表3、表4）：铸件力学性能与针孔等级之间是线性相关关系，随着针孔等级级别增加，力学性能逐步下降；针孔等级每增加一级，力学性бb下降3%左右，σ5下降 5%左右。对铝合金铸件切取性能试样要求，铸件允许存在的针孔级别详见GB9438-8

　　这里应当指出的是，由于铸件壁厚效应的影响，即使针孔严重程度相同，壁厚大的部位力学性能下降，壁厚小的则较高。由于铸件的力学性能取决于多种因素，不仅与针孔等级有关，还与合金的化学成分的波动、铸 件的凝固速度、热处理效果、其他缺陷的存在因素有关，所以同一级别的针孔试样，力学性能将在一个相当大的范围内波动。