鋁表面處理：鋁合金制品的氣孔與其預(yù)防
引言：在純鋁中加入一些金屬或非金屬元素所熔制的鋁合金是一種新型的合金材料，由于其比重小，比強(qiáng)度高，具有良好的綜合性能，因此被廣泛用于航空工業(yè)、汽車制造業(yè)、動力儀表、工具及民用器具制造等方面。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的推進(jìn)，其生產(chǎn)量和耗用量大有超過鋼鐵之勢。加強(qiáng)對鋁合金材料性能的研究，保證鋁合金鑄件具有優(yōu)良品質(zhì)，既是我們每一個科技工作者義不容辭的責(zé)任，也是同我們的日常生活息息相關(guān)的頭等大事。本文結(jié)合作者鋁合金鑄件生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)談?wù)勪X合金鑄件氣孔與預(yù)防問題。
1.氣孔類別
由于鋁合金具有嚴(yán)重的氧化和吸氣傾向，熔煉過程中又直接與爐氣或外界大氣相接觸，因此，如熔煉過程中控制稍許不當(dāng)，鋁合金就很容易吸收氣體而形成氣孔，最常見的是針孔。針孔（gas porosity/pin-hole），通常是指鑄件中小于1mm的析出性氣孔，多呈圓形，不均勻分布在鑄件整個斷面上，特別是在鑄件的厚大斷面和冷卻速度較小的部位。根據(jù)鋁合金析出性氣孔的分布和形狀特征，針孔又可以分為三類①，即：
(1) 點(diǎn)狀針孔：在低倍組織中針孔呈圓點(diǎn)狀，針孔輪廓清晰且互不連續(xù)，能數(shù)出每平方厘米面積上針孔的數(shù)目，并能測得出其直徑。這種針孔容易與縮孔、縮松等予以區(qū)別開來。
(2) 網(wǎng)狀針孔： 在低倍組織中針孔密集相連成網(wǎng)狀，有少數(shù)較大的孔洞，不便清查單位面積上針孔的數(shù)目，也難以測出針孔的直徑大小。
(3) 綜合性氣孔：它是點(diǎn)狀針孔和網(wǎng)狀針孔的中間型，從低倍組織上看，大針孔較多，但不是圓點(diǎn)狀，而呈多角形。
鋁合金生產(chǎn)實(shí)踐證明，鋁合金因吸氣而形成氣孔的主要?dú)怏w成分是氫氣，并且其出現(xiàn)無一定的規(guī)律可循，往往是一個爐次的全部或多數(shù)鑄件均存在有針孔現(xiàn)象；材料也不例外，各種成分的鋁合金都容易產(chǎn)生針孔。
2.針孔的形成
鋁合金在熔煉和澆注時(shí)，能吸收大量的氫氣，冷卻時(shí)則因溶解度的下降而不斷析出。有的資料介紹②，鋁合金中溶解的較多的氫，其溶解度隨合金液溫度的升高而增大，隨溫度的下降而減少，由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)，氫在鋁合金中的溶解度下降19倍。（氫在純鋁中的溶解度與溫度的關(guān)系見圖1③）。因此鋁合金液在冷卻的凝固過程中，氫的某一時(shí)刻，氫的含量超過了其溶解度即以氣泡的形式析出。因過飽和的氫析出而形成的氫氣泡，來不及上浮排出的，就在凝固過程中形成細(xì)小、分散的氣孔，即平常我們所說的針孔（gas porosity）。在氫氣泡形成前達(dá)到的過飽和度是氫氣泡形核的數(shù)目的函數(shù)，而氧化物和其他夾雜物則在起氣泡核心的作用
在一般生產(chǎn)條件下，特別是在厚大的砂型鑄件中很難避免針孔的產(chǎn)生。在相對濕度大的氣氛中溶煉和澆注鋁合金，鑄件中的針孔尤其嚴(yán)重。這就是我們在生產(chǎn)中常常有人納悶干燥的季節(jié)總比多雨潮濕的時(shí)節(jié)鋁合金鑄件針孔缺陷少些的原因。
一般說來，對鋁合金而言，如果結(jié)晶溫度范圍較大，則產(chǎn)生網(wǎng)狀針孔的機(jī)率也就大得多③。這是因?yàn)樵谝话汨T造生產(chǎn)條件下，鑄件具有寬的凝固溫度范圍，使鋁合金容易形成發(fā)達(dá)的樹枝狀結(jié)晶。在凝固后期，樹枝狀結(jié)晶間隙部分的殘留鋁液可能相互隔絕，分別存在于近似封閉的小小空間之中，由于它們受到外界大氣壓力和合金液體的靜壓作用較小，當(dāng)殘留鋁液進(jìn)一步冷卻收縮時(shí)能形成一定程度的真空（即補(bǔ)縮通道被阻塞），從而使合金中過飽和的氫氣析出而形成針孔。
3.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(shí)，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(shí)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?dú)猓幻簹狻⒅赜哇釄鍫t主要為水蒸氣、氮?dú)猓欢鴮δ壳按蠖鄶?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(shí)，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(shí)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，是鋁合金中最有害的氣體，也是鋁合金中溶解度最大的氣體。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(shí)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。