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铝金铸件的金属液面氧化模对其质量的影响

作者: 时间:2019-10-31128 次浏览

铸造是液态金属成形工艺。众所周知,处于高温的液态金属在大气中表面会被氧化,并产生氧化膜。但是,长期以来关于这种氧化膜对铝(Al)型材铸件质量的影响,基本上都只考虑金属液中卷入非金属夹杂物的问题,很少做更进一步的探讨。

 基于多年的研究,英国Birmingham大学的J.Campbell等,从宏观和微观方面发现折叠的氧化膜夹层对铝(Al)型材铸件的质量有非常重要的影响。campbeH等认为,对氧化膜夹层的认识是一项最令人振奋的发现。目前,我们暂将Campbell等得到的初步结论和见解称为 ;氧化膜夹层说 ;。
液态铝型材中卷入氧化膜夹层后,其对铸件质量的影响大体上可分为两个方面:一是宏观方面,除割裂金属基体使力学性能降低(reduce)外,还会诱发气孔和小缩孔等铸造缺陷;二是微观方面,对晶粒大小、枝晶间距、铝硅合金中Na和Sr的变质效果等都有重要的影响。
本文从 ;氧化膜夹层说 ;的角度简单地介绍氧化膜夹层对铸件质量影响的宏观方面,供生产企业的技术人员参考,暂不涉及微观方面的影响。读者如有兴趣,请参阅J.Campbell等近年陆续发表的文章。

  一、液态金属表面氧化膜的特性常用铸造合金(铸钢、铸铁、铝型材和镁合金)中所见到的主要氧化物的密度及其熔点见表1。工业铝材是一种以铝为主要成份的合金材料,铝棒通过热熔,挤压从而得到不同截面形状的铝材料,但添加的合金的比例不同,生产出来的工业铝型材的机械性能和应用领域也不同。执行标准按GB/T5237.1-2004。分析氧化膜的特性,不能不同时考虑其所依附的金属母液的密度和熔点。铁、铝和镁的熔点及相关铸造合金在熔融状态下密度的近似值见表2。在钢、铁方面,以铸钢件生产为例加以说明。铡液被氧化产生的FeO,熔点和密度都比钢液低得多,且在高温下的活性很强,基本上不可能单独存在。FeO可与SiO2结合生成低熔点的FeO·SiO2,也可与钢中的硅和锰作用生成MnO和SiO2并进而结合成MnO·SiO2,还可与钢中的碳作用生成CO,此外会有小部分溶于钢液。如果脱氧处理不当,或出钢后钢液被二次氧化,都会使钢中非金属夹杂物增多,或使铸件产生气孔或表面夹渣之类的缺陷。但是,钢液表面产生的氧化物,熔点都低于钢板温度,只能聚集,不可能折叠成氧化膜夹层悬浮于钢液中,因而也就不会有氧化膜夹层所造成的各种问题(Emerson)。
铝型材和镁合金的情况则与此完全不同,现以铝型材为例简要说明如下。铝在液态下的活性很强,铝液表面极易与大气中的氧作用生成Al2O3薄膜。Al2O3的熔点比液态铝型材的温度高得多,且非常稳定,Al2O3,的密度又略高于铝液,因此Al2O3薄膜易悬浮在铝液中,不会聚集而与铝型材液分离。
在铝(Al)型材液发生扰动时,表面的Al2O3,薄膜就会折叠成夹层,并被卷入金属液中,从而造成铝型材所特有的许多问题(Emerson)。铝托盘涂膜的一些物理指标较其他表面处理膜有明显提高,如硬度、耐磨性、耐酸性,可有效地延长铝型材的使用寿命。

  二、氧化膜夹层的形成及其有害作用铝型材在熔炼过程中自熔炉内倾出时、变质处理过程中、以高气流速度进行喷吹净化处理时,以及浇注过程中,铝型材液都会受到强烈的扰动。液态金属表面的扰动,会拉动其表面上的氧化膜,使之扩展、折叠(含义:把物体的一部分折过)和断开。氧化膜断开处露出的清洁合金液面,又会被氧化而产生新的氧化膜。氧化膜的折叠会使其朝向大气一侧的干燥表面互相贴合,并在两干燥表面间裹入少量的空气,成为 ;氧化膜夹层 ;如图1所示。
氧化膜夹层易于卷入金属液中,还会在扰动的金属液作用下被挤成小团。纺织铝配件对毛料的表面质量要求标准有明显降低,粉末涂层并且可以完全覆盖型材表面的挤压纹,掩盖一部分铝型材表面的瑕疵,提高铝型材成品的表面质量。由于Al2O3的熔点比铝(Al)型材液的温度高1000℃以上,且具有高度的化学稳定(解释:稳固安定;没有变动)性,小团氧化膜夹层不会熔合,也不会溶于铝型材中。虽然Al2O3的密度略高于铝型材液,但裹入空气后的氧化膜夹层的密度就比较接近于铝型材液。因此,除在大型保温炉内长时间静置过程中氧化膜夹层可能下沉外,在一般铸造生产条件下都会比较稳定地悬浮于铝型材液中。
已经悬浮有氧化膜夹层的铝型材液再次受到扰动时,又会产生更多的氧化膜夹层。铸件生产过程中,合金的熔炼、自熔炉倾出、变质处理、净化处理及浇注等作业都会使铝型材液产生强烈的扰动,铝型材液中除保留原有的氧化膜夹层外,还会因再次扰动而不断增加新的氧化膜夹层。因此,进入型腔(mold cavity)的金属液中都含有大量微小的氧化膜夹层。
 金属液充满型腔后,即处于静止状态,被挤压成团的氧化膜夹层会逐渐舒展成为小片状。金属液冷却到液相线以下后,枝状晶的生核和长大,又是促进被挤压成团的氧化膜夹层舒展的因素,如图2a所示。
铸件凝固后,大量小片状氧(Oxygen)化膜夹层本身就是小裂纹,起切割金属基体的作用,当然会使合金的力学性能降低,而危害更大的却是诱发气孔和小缩孔的产生。随着液态金属温度的逐渐降低,氢(Hydrogen)在金属液中的溶解度不断下降,但氢以气孔的形式自液态金属中析出是非常困难的。均匀的液相中产生另一种新相(气相)时,总是先由几个原子或分子聚集而成,其体积(volume)很小。这种体积微小的新相,其比表面积(即单位体积的表面积)极大,要产生新的界面,就需要对其作功,这就是新相的界面能,即其表面面积与表面张力(解释:物体受到拉力作用时的相互牵引力)的乘积。实际上,铝型材液在冷却过程中要得到这样大的能量是不可能的。即使产生了新相的核心,其长大也需要很大的能量,且只有在新相的尺寸超过某一临界值后才有可能长大,而尺寸小于临界值的新相核心不可能长大,只会自行消失。理论上,气相在液相中生核、长大是非常困难的。实际上,如果没有其他诱发因素,在氢包含比重基本正常的条件下,均匀的铝型材中因氢气析出而产生气孔的情况是不可能发生的。
 金属液中含有大量悬浮的氧化膜夹层时,情况(Condition)就大不相同了。氧化膜夹层中大都裹有少量空气,当金属液的温度降低且氢在其中的溶解度下降时,氧化膜夹层中的小空气泡对氢而言是真空,溶于金属液中的氢向空气泡中扩散是非常方便的。而氢向小空气泡中扩散,使氧化膜夹层涨大,就会在铸件中造成气孔缺陷,如图2b所示。
如果铝型材液的净化处理(chǔ lǐ)作业良好,金属液中的氢(Hydrogen)包含比重很低,铸件中产生的气孔就会很少。但是,如果金属液中没有氧化膜夹层,即使金属液中氢含量较高,凝固(solidification)时氢也只能以过饱和(saturation)状态固溶于合金中,不可能产生气孔。
 如果铸件的补缩条件不好,凝固收缩过程中会产生缩孔。由于氧化膜夹层中是空的,易于拉开,缩孔也大都在氧化膜夹层处形成。在这种情况下,溶于金属液中的氢也会向其中扩散,使孔洞扩大,如图2c所示。
综上所述,可以认为:对于铝型材铸件,氧化膜夹层是使材质力学性能降低,并导致铸件产生针孔、气孔类缺陷的主要原因。为提高材质的力学性能,提高铸件的致密度,采取措施消除氧化膜夹层比加强脱气净化作业更为重要。
 
  三、减少乃至消除氧化膜夹层的措施
由于认识氧化膜夹层的作用为时不久,目前对于减少或消除铝型材液中的氧化膜夹层还没有成熟的经验,这正是今后我们所要面对的课题。按目前的认知,原则上可从以下几方面入手。
  (1)在合金熔炼过程中,应尽量避免液面氧化(oxidation)膜的扰动。但液面以下金属液的对流和搅动不会导致氧化膜的卷入。
  (2)采用喷吹净化处理,也有脱除悬浮于金属液中的氧化膜(oxidation film)的作用,但处理时应尽量降低气流速度,使其对液面氧化膜的破坏作用降到更低程度。
  (3)采用 ;浇包烧注 ;方式时,更好采用茶壶嘴式浇包,以减轻对液面氧化膜(oxidation film)的扰动。
  (4)采用低压铸造工艺时,如能保持液流平稳地进入型腔,则铸件本体的力学性能会明显高于用常规工艺制造的铸件。
  (5)工艺设计时,必须力求浇注系统中的金属液流平稳,不产生紊流,更好采用底注方式。此外,应特别注意作为炉料的铝型材锭的质量。
 废金属的回收、再利用,对于可持续发展的工业社会是非常必要的。铝和铝型材制品的一个重要优点就是易于回收和再利用,与原生铝相比,再生铝可更大化减少能耗约95%。目前,全球再生铝用量约占金属铝总用量的1/3,铸造行业中再生铝锭的用量也很可观。
需要强调的是,再生铝锭的质量差别很大,用不同厂家生产的化学成分相近的铝锭,生产的铸件质量可以大不相同。同一厂家提供的不同炉次的铝锭,质量也可能有很大差别。而再生铝锭生产过程中,对其中氧化膜夹层不加控制,可能是造成这种差别的重要原因之一。
 因此,除大力呼吁加强再生铝锭生产过程中的质量控制(Quality Control)外,铝型材铸件生产厂家选用再生铝锭时,一定要特别注意来料的质量考核,且应有试生产阶段。因此,有些厂家宁愿以较高的价格购买原生铝锭配料,也不是没有道理的。
由于金属铝(Al)及铝型材具有很好的流动性和可塑性,而且铸造加工是在有压力的压铸机中铸造,因此铝压铸件可以做出各种较复杂的形状,也可作出较高的精度(度)和光洁度,从而很大程度的减少了铸件的机械加工量和金属铝或铝型材的铸造余量,不仅节约了电力、金属材料、还大大节约了劳动成本;而铝及铝型材具有优良的导热性,较小的比重和高可加工性;从而铝压铸件被广泛(extensive)应用于汽车制造、内燃机生产、摩托车制造、电动机制造、油泵制造、传动机械制造、精密仪器、园林美化、电力建设、建筑装饰等各个行业。
铝压铸件可以被制造为铝压铸汽车配件、铝压铸汽车发动机(Engine)管件、铝压铸发动机气缸、铝压铸汽油机气缸缸盖、铝压铸气门摇臂、铝压铸气门支座、铝压铸电力配件、铝压铸电机端盖、铝压铸壳体、铝压铸泵壳体、铝压铸建筑配件、铝压铸装饰配件、铝压铸护栏配件、铝压铸铝轮等等零件。 
 
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