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金屬液面氧化膜對(duì)鋁合金重力鑄造件質(zhì)量的影響
“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(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于這種氧化膜對(duì)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題，很少作更進(jìn)一步的探討。 英國(guó)Birmingham大學(xué)的J...
“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(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于這種氧化膜對(duì)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題，很少作更進(jìn)一步的探討。
英國(guó)Birmingham大學(xué)的J. Campbell等，基于多年的研究，從宏觀和微觀方面發(fā)現(xiàn)折疊的氧化膜夾層(bi-films)對(duì)鋁合金鑄件的質(zhì)量有非常重要的影響。Campbell等認(rèn)為，對(duì)氧化膜夾層(bi-films)的認(rèn)識(shí)是一項(xiàng)最令人振奮的發(fā)現(xiàn)。目前，我們暫將Campbell等得到的初步結(jié)論和見解稱為‘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(duì)鑄件質(zhì)量的影響大體上可分為兩個(gè)方面：一是宏觀方面，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；另一是微觀方面，對(duì)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(qiáng)，基本上不可能單獨(dú)存在。FeO可以與SiO2結(jié)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(jié)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(dāng)，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題。
鋁合金和鎂合金的情況則與此完全不同，現(xiàn)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(qiáng)，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(wěn)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題。
二.氧化膜夾層的形成及其有害作用
鋁合金在熔煉過程中、自熔爐內(nèi)傾出時(shí)、變質(zhì)處理過程中、以高氣流速度進(jìn)行噴吹凈化處理時(shí)以及澆注過程中，鋁合金液都會(huì)受到強(qiáng)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?dāng)U展、折疊、斷開。氧化膜斷開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(cè)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(tuán)。由于Al2O3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(wěn)定性，小團(tuán)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(nèi)長(zhǎng)時(shí)間靜置過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(wěn)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(qiáng)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。
金屬液充滿型腔后，即處于靜止?fàn)顟B(tài)，被擠壓成團(tuán)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以下后，枝狀晶的生核和長(zhǎng)大，又是促進(jìn)被擠壓成團(tuán)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(dāng)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(duì)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(zhǎng)大也需要很大的能量，而且只有在新相的尺寸超過某一臨界值后才有可能長(zhǎng)大。尺寸小于臨界值的新相核心不可能長(zhǎng)大，只會(huì)自行消失。
理論上，氣相在液相中生核、長(zhǎng)大是非常困難的。實(shí)際上。如果沒有其他誘發(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(dāng)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(duì)氫而言是真空，溶于金屬液中的氫向空氣泡中擴(kuò)散是非常方便的。氫向小空氣泡中擴(kuò)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(bǔ)縮條件不好，凝固收縮過程中會(huì)產(chǎn)生縮孔。由于氧化膜夾層中是空的，易于拉開，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(kuò)散，使孔洞擴(kuò)大。
綜上所述，可以認(rèn)為：對(duì)于鋁合金鑄件，氧化膜夾層是使材質(zhì)力學(xué)性能降低、導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生針孔氣孔類缺陷的主要原因。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(qiáng)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(rèn)識(shí)氧化膜夾層的作用為時(shí)不久，目前，對(duì)于減少或消除鋁合金液中的氧化膜夾層，還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)，這正是今后我們所要面對(duì)的課題。按目前的認(rèn)知，原則上可從以下幾方面入手：
合金熔煉過程中，應(yīng)盡量避免液面氧化膜的擾動(dòng)。但液面以下金屬液的對(duì)流和攪動(dòng)不會(huì)導(dǎo)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(yīng)盡量降低氣流速度，使其對(duì)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(duì)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(wěn)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(guī)工藝制造的鑄件；工藝設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求澆注系統(tǒng)中的金屬液流平穩(wěn)，不產(chǎn)生紊流，最好采用底注方式。
此外，應(yīng)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(duì)于可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)社會(huì)是非常必要的。鋁和鋁合金重力鑄造制品的一個(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。
需要強(qiáng)調(diào)的是，再生鋁錠的質(zhì)量差別很大。用不同廠家生產(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)過程中，對(duì)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(qiáng)再生鋁錠生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制外，鋁合金鑄件生產(chǎn)廠家選用再生鋁錠時(shí)，一定要特別注意來(lái)料的質(zhì)量考核，而且應(yīng)有試生產(chǎn)階段。有些廠家寧可以較高的價(jià)格購(gòu)買原生鋁錠配料，也不是沒有道理的。
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