東莞市大班金屬制品有限公司
188-1911-4123/黎先生
“鑄造”是液態(tài)金屬成形工藝。處于高溫的液態(tài)金屬，在大氣中表面會(huì )被氧化，并產(chǎn)生氧化膜，這是眾所周知的。但是，長(cháng)期以來(lái)，關(guān)于這種氧化膜對鋁合金鑄件質(zhì)量的影響，基本上都只考慮金屬液中卷入非金屬夾雜物的問(wèn)題，很少作更進(jìn)一步的探討。
基于多年的研究，從宏觀(guān)和微觀(guān)方面發(fā)現折疊的氧化膜夾層（bi-films）對鋁合金鑄件的質(zhì)量有非常重要的影響。對氧化膜夾層（bi-films）的認識是一項最令人振奮的發(fā)現。目前，我們暫將得到的初步結論和見(jiàn)解稱(chēng)為‘氧化膜夾層（bi-films）說(shuō)’。
液態(tài)鋁合金中卷入的氧化膜夾層后，其對鑄件質(zhì)量的影響大體上可分為兩個(gè)方面：一是宏觀(guān)方面，除割裂金屬基體使力學(xué)性能降低外，還會(huì )誘發(fā)氣孔和小縮孔等鑄造缺陷；另一是微觀(guān)方面，對晶粒大小、枝晶間距、鋁硅合金中Na和Sr的變質(zhì)效果等都有重要的影響。
一．液態(tài)金屬表面氧化膜的特性
分析氧化膜的特性，不能不同時(shí)考慮其所依附的金屬母液的密度和熔點(diǎn)． 在鋼、鐵方面，以鑄鋼件生產(chǎn)為例加以說(shuō)明。鋼液被氧化產(chǎn)生的FeO，熔點(diǎn)和密度都比鋼液低得多，而且在高溫下的活性很強，基本上不可能單獨存在。FeO可以與SiO2結合成低熔點(diǎn)的FeO.SiO2，可以與鋼中的硅和錳作用生成MnO和SiO2 并進(jìn)而結合成MnO.SiO2，也可以與鋼中的碳作用生成CO，還會(huì )有小部分溶于鋼液。如果脫氧處理不當，或出鋼后鋼液被二次氧化，都會(huì )使鋼中非金屬夾雜物增多，或使鑄件產(chǎn)生氣孔或表面夾渣之類(lèi)的缺陷。但是，鋼液表面產(chǎn)生的氧化物，熔點(diǎn)都低于鋼液溫度，只能聚集，不可能折疊成氧化膜夾層懸浮于鋼液中，因而也就不會(huì )有氧化膜夾層所造成的各種問(wèn)題。
鋁合金和鎂合金的情況則與此完全不同，現以鋁合金為例簡(jiǎn)要地說(shuō)明如下：
鋁在液態(tài)下的活性很強，鋁液表面極易與大氣中的氧作用生成Al2O3薄膜。Al2O3的熔點(diǎn)比液態(tài)鋁合金的溫度高得多，而且非常穩定。Al2O3的密度又略高于鋁液。因此，Al2O3薄膜易懸浮在鋁液中，不會(huì )聚集而與鋁合金液分離。
在鋁合金液發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，表面的Al2O3薄膜就會(huì )折疊成夾層，并被卷入金屬液中，從而造成許多鋁合金所特有的問(wèn)題。
二．氧化膜夾層的形成及其有害作用
鋁合金在熔煉過(guò)程中、自熔爐內傾出時(shí)、變質(zhì)處理過(guò)程中、以高氣流速度進(jìn)行噴吹凈化處理時(shí)以及澆注過(guò)程中，鋁合金液都會(huì )受到強烈的擾動(dòng)。液態(tài)金屬表面的擾動(dòng)，會(huì )拉動(dòng)其表面上的氧化膜，使之擴展、折疊、斷開(kāi)。氧化膜斷開(kāi)處露出的清潔合金液面，又會(huì )被氧化而產(chǎn)生新的氧化膜。氧化膜的折疊會(huì )使其朝向大氣一側的干燥表面互相貼合，并在兩干燥表面間裹入少量空氣，成為‘氧化膜夾層’。
氧化膜夾層易于卷入金屬液中，還會(huì )在擾動(dòng)的金屬液作用下被擠成小團。由于A(yíng)l2O3的熔點(diǎn)比鋁合金液的溫度高一千多攝氏度，而且具有高度的化學(xué)穩定性，小團不會(huì )熔合，也不會(huì )溶于鋁合金中。雖然Al2O3的密度略高于鋁合金液，但裹入空氣后的氧化膜夾層的密度就比較接近于鋁合金液。因此，除在大型保溫爐內長(cháng)時(shí)間靜置過(guò)程中氧化膜夾層可能下沉外，在一般鑄造生產(chǎn)條件下，都會(huì )比較穩定地懸浮于鋁合金液中。
已經(jīng)懸浮有氧化膜夾層的鋁合金液，再次受到擾動(dòng)時(shí)，又會(huì )產(chǎn)生更多的氧化膜夾層。鑄件生產(chǎn)過(guò)程中，合金的熔煉、自熔爐傾出、變質(zhì)處理、凈化處理、澆注等作業(yè)都會(huì )使鋁合金液產(chǎn)生強烈的擾動(dòng)，鋁合金液中除保留原有的氧化膜夾層外，還會(huì )因再次擾動(dòng)而不斷增加新的氧化膜夾層。因此，進(jìn)入型腔的金屬液中都含有大量微小的氧化膜夾層。
金屬液充滿(mǎn)型腔后，即處于靜止狀態(tài)，被擠壓成團的氧化膜夾層會(huì )逐漸舒展成為小片狀。金屬液冷卻到液相線(xiàn)以下后，枝狀晶的生核和長(cháng)大，又是促進(jìn)被擠壓成團的氧化膜夾層舒展的因素。
鑄件凝固后，大量小片狀氧化膜夾層本身就是小裂紋，起切割金屬基體的作用，當然會(huì )使合金的力學(xué)性能降低，而危害更大的卻是誘發(fā)氣孔和小縮孔的產(chǎn)生。
隨著(zhù)液態(tài)金屬溫度的逐漸降低，氫在金屬液中的溶解度不斷下降，但是氫以氣孔的形式自液態(tài)金屬中析出是非常困難的。均勻的液相中產(chǎn)生另一種新相（氣相）時(shí)，總是先由幾個(gè)原子或分子聚集而成，其體積很小。這種體積微小的新相，其比表面積（即單位體積的表面面積）極大，要產(chǎn)生新的界面，就需要對其作功，這就是新相的界面能，即其表面面積與表面張力的乘積。鋁合金液冷卻過(guò)程中要得到這樣大的能量，實(shí)際上是不可能的。
即使產(chǎn)生了新相的核心，其長(cháng)大也需要很大的能量，而且只有在新相的尺寸超過(guò)某一臨界值后才有可能長(cháng)大。尺寸小于臨界值的新相核心不可能長(cháng)大，只會(huì )自行消失。
理論上，氣相在液相中生核、長(cháng)大是非常困難的。實(shí)際上。如果沒(méi)有其他誘發(fā)因素，在氫含量基本正常的條件下，均勻的鋁合金中因氫氣析出而產(chǎn)生氣孔的情況，是不可能發(fā)生的。
金屬液中含有大量懸浮的氧化膜夾層時(shí)，情況就大不相同了。氧化膜夾層中大都裹有少量空氣，當金屬液的溫度降低、氫在其中的溶解度下降時(shí)，氧化膜夾層中的小空氣泡對氫而言是真空，溶于金屬液中的氫向空氣泡中擴散是非常方便的。氫向小空氣泡中擴散，使氧化膜夾層張大，就在鑄件中造成氣孔。
如果鋁合金液的凈化處理作業(yè)良好，金屬液中的氫含量很低，鑄件中產(chǎn)生的氣孔就會(huì )很少。但是，如果金屬液中沒(méi)有氧化膜夾層，即使金屬液中氫含量較高，凝固時(shí)氫也只能以過(guò)飽和狀態(tài)固溶于合金中，不可能產(chǎn)生氣孔。
如果鑄件的補縮條件不好，凝固收縮過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生縮孔。由于氧化膜夾層中是空的，易于拉開(kāi)，縮孔也大都在氧化膜夾層處形成。在這種情況下，溶于金屬液中的氫也會(huì )向其中擴散，使孔洞擴大。
綜上所述，可以認為：對于鋁合金鑄件，氧化膜夾層是使材質(zhì)力學(xué)性能降低、導致鑄件產(chǎn)生針孔氣孔類(lèi)缺陷的主要原因。為提高材質(zhì)的力學(xué)性能，提高鑄件的致密度，采取措施消除氧化膜夾層比加強脫氣凈化作業(yè)更為重要。
三．減少乃至消除氧化膜夾層的措施
由于認識氧化膜夾層的作用為時(shí)不久，目前，對于減少或消除鋁合金液中的氧化膜夾層，還沒(méi)有成熟的經(jīng)驗，這正是今后我們所要面對的課題。按目前的認知，原則上可從以下幾方面入手：
合金熔煉過(guò)程中，應盡量避免液面氧化膜的擾動(dòng)。但液面以下金屬液的對流和攪動(dòng)不會(huì )導致氧化膜卷入；采用噴吹凈化處理，也有脫除懸浮于金屬液中的氧化膜的作用，但處理時(shí)應盡量降低氣流速度，使其對液面氧化膜的破壞作用降到最低程度；采用‘澆包澆注’方式時(shí)，最好采用茶壺嘴式澆包，以減輕對液面氧化膜的擾動(dòng)；采用低壓鑄造工藝時(shí)，如能保持液流平穩地進(jìn)入型腔，則鑄件本體的力學(xué)性能會(huì )明顯高于用常規工藝制造的鑄件；工藝設計時(shí)，必須力求澆注系統中的金屬液流平穩，不產(chǎn)生紊流，最好采用底注方式。
此外，應特別注意作為爐料的鋁合金錠的質(zhì)量。
廢金屬的回收、再利用，對于可持續發(fā)展的工業(yè)社會(huì )是非常必要的。鋁和鋁合金制品的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是易于回收再生和再利用，與原生鋁相比，再生鋁可減少能耗約95％。目前，全球再生鋁用量約占金屬鋁總用量的三分之一。鑄造行業(yè)中再生鋁錠的用量也很可觀(guān)。
需要強調的是，再生鋁錠的質(zhì)量差別很大。用不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的化學(xué)成分相近的鋁錠，生產(chǎn)的鑄件的質(zhì)量可以大不相同。同一廠(chǎng)家提供的不同爐次的鋁錠，質(zhì)量也可以有很大的差別。再生鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中，對其中氧化膜夾層不加控制，可能是造成這種差別的重要原因之一。
除大力呼吁加強再生鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制外，鋁合金鑄件生產(chǎn)廠(chǎng)家選用再生鋁錠時(shí)，一定要特別注意來(lái)料的質(zhì)量考核，而且應有試生產(chǎn)階段。有些廠(chǎng)家寧可以較高的價(jià)格購買(mǎi)原生鋁錠配料，也不是沒(méi)有道理的。
掃一掃查看手機站
