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金屬液面氧化膜對鋁合金鑄件的影響

發布日期:2015-08-07   作者:   來源:
核心提示:

   “鑄造是液態金屬成形工藝。處于高溫的液態金屬,在大氣中表面會被氧化,并產生氧化膜,這是眾所周知的。但是,長期以來,關于這種氧化膜對鋁合金鑄件質量的影響,基本上都只考慮金屬液中卷入非金屬夾雜物的問題,很少作更進一步的探討。

 

 英國Birmingham大學的J.Campbell等,基于多年的研究,從宏觀和微觀方面發現折疊的氧化膜夾層(bi-films)鋁合金鑄件的質量有非常重要的影響。Campbell等認為,對氧化膜夾層(bi-films)的認識是一項最令人振奮的發現。目前,我們暫將Campbell等得到的初步結論和見解稱為氧化膜夾層(bi-films)。
  液態鋁合金中卷入的氧化膜夾層后,其對鑄件質量的影響大體上可分為兩個方面:一是宏觀方面,除割裂金屬基體使力學性能降低外,還會誘發氣孔和小縮孔等鑄造缺陷;另一是微觀方面,對晶粒大小、枝晶間距、鋁硅合金中NaSr的變質效果等都有重要的影響。
    一、液態金屬表面氧化膜的特性

 

分析氧化膜的特性,不能不同時考慮其所依附的金屬母液的密度和熔點。在鋼、鐵方面,以鑄鋼件生產為例加以說明。鋼液被氧化產生的FeO,熔點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結合成低熔點的FeO.SiO2,可以與鋼中的硅和錳作用生成MnOSiO2并進而結合成MnO.SiO2,也可以與鋼中的碳作用生成CO,還會有小部分溶于鋼液。如果脫氧處理不當,或出鋼后鋼液被二次氧化,都會使鋼中非金屬夾雜物增多,或使鑄件產生氣孔或表面夾渣之類的缺陷。但是,鋼液表面產生的氧化物,熔點都低于鋼液溫度,只能聚集,不可能折疊成氧化膜夾層懸浮于鋼液中,因而也就不會有氧化膜夾層所造成的各種問題。

 

鋁合金鎂合金的情況則與此完全不同,現以鋁合金為例簡要地說明如下:

 

鋁在液態下的活性很強,鋁液表面極易與大氣中的氧作用生成Al2O3薄膜。Al2O3的熔點比液態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,不會聚集而與鋁合金液分離。
   在鋁合金液發生擾動時,表面的Al2O33薄膜就會折疊成夾層,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、自熔爐內傾出時、變質處理過程中、以高氣流速度進行噴吹凈化處理時以及澆注過程中,鋁合金液都會受到強烈的擾動。液態金屬表面的擾動,會拉動其表面上的氧化膜,使之擴展、折疊、斷開。氧化膜斷開處露出的清潔合金液面,又會被氧化而產生新的氧化膜。氧化膜的折疊會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,還會在擾動的金屬液作用下被擠成小團。由于Al2O3的熔點比鋁合金液的溫度高一千多攝氏度,而且具有高度的化學穩定性,小團不會熔合,也不會溶于鋁合金中。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時間靜置過程中氧化膜夾層可能下沉外,在一般鑄造生產條件下,都會比較穩定地懸浮于鋁合金液中。
已經懸浮有氧化膜夾層的鋁合金液,再次受到擾動時,又會產生更多的氧化膜夾層。鑄件生產過程中,合金的熔煉、自熔爐傾出、變質處理、凈化處理、澆注等作業都會使鋁合金液產生強烈的擾動,鋁合金液中除保留原有的氧化膜夾層外,還會因再次擾動而不斷增加新的氧化膜夾層。因此,進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,即處于靜止狀態,被擠壓成團的氧化膜夾層會逐漸舒展成為小片狀。金屬液冷卻到液相線以下后,枝狀晶的生核和長大,又是促進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,當然會使合金的力學性能降低,而危害更大的卻是誘發氣孔和小縮孔的產生。
  隨著液態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金屬中析出是非常困難的。均勻的液相中產生另一種新相(氣相)時,總是先由幾個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。鋁合金液冷卻過程中要得到這樣大的能量,實際上是不可能的。
  即使產生了新相的核心,其長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大。尺寸小于臨界值的新相核心不可能長大,只會自行消失。
  理論上,氣相在液相中生核、長大是非常困難的。實際上。如果沒有其他誘發因素,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生氣孔的情況,是不可能發生的。
  金屬液中含有大量懸浮的氧化膜夾層時,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,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良好,金屬液中的氫含量很低,鑄件中產生的氣孔就會很少。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,凝固時氫也只能以過飽和狀態固溶于合金中,不可能產生氣孔。
  如果鑄件的補縮條件不好,凝固收縮過程中會產生縮孔。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力學性能降低、導致鑄件產生針孔氣孔類缺陷的主要原因。為提高材質的力學性能,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不久,目前,對于減少或消除鋁合金液中的氧化膜夾層,還沒有成熟的經驗,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:
  合金熔煉過程中,應盡量避免液面氧化膜的擾動。但液面以下金屬液的對流和攪動不會導致氧化膜卷入;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,最好采用茶壺嘴式澆包,以減輕對液面氧化膜的擾動;采用低壓鑄造工藝時,如能保持液流平穩地進入型腔,則鑄件本體的力學性能會明顯高于用常規工藝制造的鑄件;工藝設計時,必須力求澆注系統中的金屬液流平穩,不產生紊流。
  此外,應特別注意作為爐料的鋁合金錠的質量。