铝合金铸锭气孔与疏松缺陷分析

一般将铝合金铸锭宏观组织中的黑色针孔称为疏松。

1)疏松的宏观组织特征。将铸锭试片车面或铣面，再经碱水溶液浸蚀后，用肉眼即可观察到试样表面上所存在的黑色针孔状疏松。疏松断口的宏观特征是，断口组织粗糙、不致密，疏松超过二级时，呈白色絮状断口，生产中按四级标准对铸锭疏松定级，疏松级别愈高，疏松愈严重，黑色针孔不 但数量多，尺寸也大，在低倍试片上尺寸在几十至几百微米之间。

2)疏松的显微组织特点。在显微组织中，疏松呈由棱角形成的黑洞，铸锭变形后，有的变成裂纹，有的仍然保持原貌，不管试样浸蚀与否，疏松都能看见，不过还是浸蚀后容易观察。断口用扫描电镜或电子显微镜观察，疏松内壁表面有梯田花样梯田花样为枝晶露头的结晶台阶。



3)疏松的形成机理。一般将疏松分收缩疏松和气体疏松两种，收缩疏松产生的机理是，金属铸造结晶时，从液态凝固成固态，体积收缩，在树枝晶枝杈间因液体金属补缩不足而形成空腔，这种空腔即为收缩疏松。收缩疏松一般尺寸很小，从铸造技术上讲收缩疏松难以避免。气体疏松产生的机理是，熔体中未除去的气体氢气含量较高，气体被隐蔽在树 枝晶枝杈间隙内，随着结晶的进行，树枝晶枝杈互相搭接形成骨架，枝权间的气体 和凝固时析出的气体无法逸出而集聚，结晶后这些气体占据的位置成为空腔，这个空腔就是由气体形成的气体疏松。铸锭疏松的分布规律是，一般在圆铸锭中心和尾部较多，扁铸锭多分布在距离宽面0.5~30mm的表皮层内。   

      疏松是铝合金铸锭在凝固过程中，由于合金在液态和凝固态的体收缩得不到补充而产生的一种细小而分散的孔洞性缺陷。连续铸造时铸锭中处于过渡带结晶骨架间的残余熔体被分割为--个个互不沟通的小熔池或被“监禁”在树枝晶之间和晶枝之间，当这些熔体进一步结晶时，因液态收缩和凝固收缩所造成的体积收缩大于固态收缩所造成的体积缩减，由此造成的空隙又得不到新液体的补充，于是便导致了宏观和显微收缩疏松的形成。
铸锭中疏松的形成条件可用下面的不等式表示：

 P_g+P_S﹥P_a+(20σ/r)+P_H

式中，P_g——在某一温度下金属中气体的析出压力；
      P_S——对疏松孔洞补缩的阻力；
      P_a——凝固时液面上方的大气压力；
      P_H——疏松孔洞上的金属压头；
      σ——气液界面上的表面张力；
      r——疏松孔洞的半径。
    在正常的连续铸造条件下，变化的参数为P_g和P_S，所以，影响疏松形成的因素主要是熔体中气体的含量和铸锭中过渡带的尺寸、形状及结构。熔体中气体含量愈多，则铸锭结晶时随气体溶解度变化而析出的气体压力愈大，熔体补缩更为困难，形成疏松的可能性更大。铸锭中过渡带的尺寸、形状和结构，决定了补缩沟道的长度和弯曲程度，即补缩阻力的大小。一切促使过渡带加宽的因素都使形成疏松的倾向增加。
    气孔是铸锭中一种内表面光滑的球状孔洞性缺陷。它是金属液在冷却和凝固过程中，以气泡形式析出的气体来不及跑出液面而留在铸锭中形成的。溶于熔体中的气体以气泡析出，必须具备三个条件：①溶解的气体处于过饱和状态；②气泡内各种气体分压之和大于作用于气泡的外压力；③有大于临界尺寸的气泡核。在实际铸造条件下，由于熔体中总是存在着大量非金属夹杂物、结晶体和精炼时未逸出的气泡，因此熔体中的非自发气泡核很容易形成。另外，经过精炼后的熔体，含氢量虽然低于平衡浓度，但在凝固过程中的气体浓度再分配结果，使结晶前沿的液体中造成局部氢含量的过饱和，因而为形成气泡创造了有利条件。当结晶前沿液体中的氢分压增大到大于外部压力时，便可能形成气泡。但是，如果形成的气泡的上浮力小于固相表面对气泡的粘附力，或者气泡的上浮速度小于铸锭的结晶速度，则气泡就停留在铸锭中成为气孔。
    金属或合金产生气孔的倾向可用金属或合金从液相点到固相点温度范围内的相对含气量的变化来表示，称为气孔准则数。即，

  η=(S_液-S_固)/S_固

式中，η——气体准则数；
      S_液，S_固——气体在液相点和固相点的溶解度。
    该气体准则数表示了金属或合金结晶时，结晶界面上液相的气体浓度比原始液相浓度所增加的倍数。因此η愈大，则结晶界面上液相的气体过饱和程度愈大，形成气孔愈容易。表2—4—7列出了氢在几种常见金属中的η值。可见，铝的η值最大，因此，铝及铝合金在凝固时形成气孔的倾向性较大。

表2—4—7氢在几种金属中的气孔准则数