消除砂型铸造铝合金铸件气孔缺陷的探索

消除砂型铸造铝合金铸件气孔缺陷的探索newmaker摘要：通过分析砂型铸造铝合金铸件气孔缺陷产生的机理，提出从控制原材料的水分、控制型砂及砂芯的透气性、精心熔炼等几个方面来消除该缺陷。铝合金以其良好的力学性能(较高的比强度、比刚度)和优良的铸造性能，在工业中被广泛使用，是汽车、造船、航空航天及其他制造业的重要结构材料。生产中对铝合金铸件的品质要求也越来越高，除了保证化学成分、力学性能和尺寸精度外，不允许铸件有缩孔、缩松、气孔和夹渣等铸造缺陷。实际生产中，铝合金铸件会出现多种缺陷，气孔缺陷是砂型铸造中经常产生的缺陷，是影响铝铸件质量的重要问题。气孔缺陷常出现在大型铝铸件的厚大部位，以及中小型铝铸件的冒口根部和加工端面。气孔的产生除与型砂的水分、透气性有关外，还与合金的熔炼质量及合金的原材料有关，如何消除该缺陷值得铸造工作者重视。本文拟探讨砂型铸造中铝合金铸件气孔产生的原因，提出消除的措施。1.铝合金铸件中产生气孔的机理铝合金铸件形成气孔的主要原因是合金中含有过量的H2，氢含量占所含气体总含量的80%～90%，其余是N2、O2CO等，而H2则来源于大气及各种金属原材料、熔剂和涂料中的水分受热分解，在高温条件下发生H2O=2H++O2-反应，这是一个可逆反应。分解出来的氧又容易与金属液生成熔点较高的Al2O3，反应方程式为：2Al3++3O2-=Al2O3，这样就促进了水蒸气的高温分解，氢离子便不断向合金液中扩散。氢以两种方式存在于铝液中：第一种是分解为原子状态溶解在铝液中，称为溶解型，约占90%；第二种氢则以分子状态气泡形式吸附于夹杂物的表面或缝隙中，称为吸附型。由于氢在铝合金液中的溶解度是随温度上升而增大的(如下图所示)，所以在熔炼过程中合金液将吸入大量的H2。而在结晶凝固的过程中，由于温度降低，合金液表层首先凝固且合金的粘度增大，虽然氢的溶解度降低需从金属液中析出，但是已经很困难了，这样滞留在合金液中便形成了气孔缺陷。熔化、保温时间越长，氢含量越高。氢在合金液中的溶解度除与温度成正比外，还与压力及空气的湿度即氢分压成正比。根据西华特定律，氢在铝金属液中的溶解度[H]与液面上氢分压PH2有如下关系式：合金元素及其含量对溶解度也有一定的影响，硅、铜含量增加则氢的溶解度降低，镁含量增加则氢的溶解度增加。合金成分不同，合金液中氢的临界含量也不同，ZL104铝合金为亚共晶型铝硅合金时吸氢量最大。2.防止铝合金铸件气孔缺陷的措施要防止砂型铸造中铝合金铸件气孔缺陷的产生，就要采取有效措施尽量减少原材料的水分，强化熔炼质量管理，合理选择铸造工艺，提高铸型的排气能力。具体有以下几个方面：(1)所有原材料及熔炼用工具都要仔细清除表面的锈迹、油污及熔渣等，中间合金和回炉料的质量也要控制好，质量差的回炉料如碎金属屑、浇冒口不宜大量使用。金属原材料、变质剂、精炼剂、浇包和搅拌勺等在使用前都应烘干，而坩埚则应预热至暗红色方可加入熔料。通常在金属表面除了凝聚水外，还有与金属氧化膜作用形成的结晶水，在200～300℃低温烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水，只有在500℃以上才能较容易除去大部分结晶水。(2)操作中应尽量缩短熔炼时间，减少合金的吸气量。熔炼温度不宜过高，温度越高，吸气量越大，一般不超过800℃，熔炼过程要有测温装置控制。另外，还要控制变质时间，变质时间越长，变质温度越高，氧化与吸气越严重。由于铝合金液面的氧化膜有保护作用，可以防止金属液直接与大气中的水分反应。在熔炼、浇注过程中要尽量避免破坏液面的氧化膜，精炼、变质时搅拌勺在液面下平稳搅动，特别是精炼操作要细心，精炼工序是防止气孔重要的一环。金属液浇注时应平稳，速度均匀，浇包和铸型之间保持最小的垂直距离。(3)控制砂型的透气性。砂型的透气性过高容易使金属液渗入砂粒间而形成机械粘砂，或铸件表面粗糙度大、尺寸超差等缺陷；透气性过低则形成气孔缺陷的倾向大。一般砂型面砂的透气性宜较小，表面硬度较低；而背砂的透气性应偏高些，同时硬度也应高些，以便搬运，有利于保证铸型的整体透气性。在不塌箱的前提下，型砂透气性一般为80～100。另外，还要严格控制砂型中的水分含量，一般控制在4%～5%。砂型水分含量过高，气孔缺陷加剧。型腔修补时，刷水不能太多。浇注场地不宜撒水，保持空气干燥是一个不能忽视的问题。(4)在砂型的上型及下型应扎通气孔，以增大在浇注过程中气体的排放。气孔的顶端与型壁应有一定的距离，一般为4～6mm，距离太大不利于排气。大型铸件的下型排气更为重要，除扎出气孔外，还可将铸型用砂垫高。同样，型砂也要保持干净，回用砂及原砂中的杂质要及时清理。(5)增强砂芯的排气能力。大型复杂铝合金铸件免不了要放砂芯，由于砂芯中的粘结剂在高温浇注时会产生一定量的气体，要设法排放。通常的方法是在砂芯中设置排气道、埋放蜡线、扎气孔等，体积较大的砂芯可填放炉渣或焦炭块，这些措施都非常有效。另外，在砂芯的芯头处应配有气孔排气，如果砂芯的芯头与砂型的间隙较大，可用石棉绳阻拦金属液，防止金属液堵住排气孔。大型复杂铝铸件在浇注时还应在排气系统出口处点火“引气”，以减少排出的压力，有助于气体的排放。砂芯中粘结剂及添加剂的用量应合理。粘结剂的发气量一般很大，在保证砂芯使用性能的前提下应尽量减少加入量。对于桐油砂芯，桐油加入量一般为2%～3%。为提高砂芯的湿强度和表面硬度，加入糊精的量一般为1%～2%，糊精的发气量很大，因此加入量要严格控制。此外，砂芯在使用前应长时间烘烤，待冷却后方可放入铸型。(6)增强冷铁排气。为形成顺序凝固，有些铸件会放置冷铁以提高冷凝速度，而冷铁的排气性较差。为改善冷铁的排气性，可在冷铁上开通气槽并涂上耐火涂料。3.结语砂型铸造中铝合金铸件的气孔缺陷控制是一个复杂的问题，需要从多方面入手，除操作者要严格、精心操作外，工艺措施要得当，并加强管理，强化工艺过程中的质量检查，缺陷是能够消除的。