关键词：氢 针孔度 形成
1、前 言
随着汽车行业的快速发展, 更多的企业开始投身于汽车轮毂的研制开发和生产, 随之而来的是, 整个市场对铝锭的需求量越来越大。但是由于铝合金需要严格的工艺过程控制才能够生产出优质的产品。因此相当一部分因产品质量不达标而不能满足实际生产的 需要, 虽然很多的企业也经过不少的技术改进, 可客户对质量问题的反馈却没有减少。
2、目前A356铝合金质量主要存在的问题
A356铝合金的针孔等级不能达到实际要求, 而氢是造成铝合金针孔的主要原因, 氢的主要来源是由于水蒸气在铝液的高温下分解所产生的。因此, 在铝合金的熔炼生产过程中造成水蒸气产生的原因, 也就是直接影响针孔形成的主要因素。
3、A356铝合金针孔的形成过程
3.1 A356铝合金中针孔的介绍
由于A356铝合金具有严重的氧化和吸气倾向, 熔炼过程中又直接与炉气、外界人气相接触, 因此, 如在熔炼过程中控制稍许不当, 就很容易吸收气体而形成针孔。针孔通常是指铸件中小于的析出性气孔, 多呈圆形, 不均匀分布在铸件整个截面上, 特别是在铸件的厚大断面和冷却速度较小的部位。
根据A356铝合金的生产实践证明, 铝合金因吸气而形成气孔的主要气体成分是氢, 并且无一定的规律可循, 往往是一个炉次的全部或多数铸件均存在有针孔现象。
3.2 针孔的形成
A356铝液在熔炼和浇注时, 能吸收大量的氢气, 冷却时则因溶解度的下降而不断析出。目前有不少资料介绍A356铝合金中溶解有较多的氢, 其溶解度随铝液温度的升高而增长, 随温度的下降而减少, 由液态转变成固态时, 氢在A356铝合金中的溶解度下降19倍。因此铝液在冷却的过程中, 氢的某一时刻, 氢的含量超过了其溶解度即以气泡的形式析出。因过饱和的氢析出而形成的氢气泡, 来不及上浮排出, 就在凝固过程中形成细小、分散的气孔, 即平常我们所说的针孔。在氢气泡形成前达到的过饱和是氢气泡形核数目的函数, 而氧化物和其他夹杂物则在起气泡核心的作用。
对A356铝合金而言, 如果结晶温度范围较大, 则产生针孔的机率也就大得多。这是因为在一般铸造生产条件下, 铝锭具有宽的凝固温度范围, 使铝合金容易形成发达的树状结晶。在凝固后期, 树枝状结晶间隙部分的残留铝液可能相互隔绝, 分别存在于近似封闭的小小空间之中, 由于它们受到外界大气压力和合金液体的静压作用较小, 当残留铝液进一步冷却收缩时能形成一定程度的真空, 从而使合金中过饱和的氢气析出而形成针孔。
3.3 形成气孔的氢的来源与析出
A356铝合金中气孔的产生是由于吸取水蒸气而形成的, 但气体分子状态的气体一般不能溶解于合金液中, 只有当气体分子分解为活性原子时, 才有可能溶解。这就是铝液吸收氢的原理。在A356铝合金熔炼过程中, 如果使用电炉熔炼, 则炉气中的水蒸气压力受空气湿度、炉料、溶剂及工具的干燥程度等因素的影响, 一般为399.9—1999.5Pa。对于火焰炉而言, 其燃料一般是天然气、煤气、重油, 燃烧后会含有不同比例的氧、氮、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物及二氧化硫等气体。在完全燃烧的情况下, 炉气中约含有25%的水蒸气, 二氧化碳约为9%, 其余为氮。但实际上燃料不可能完全燃烧, 因此在炉气中水蒸气的蒸汽压不低于6665Pa,水气含量是很大的。
A356铝合金中最有害的气体, 氢是唯一能大量溶解于铝液的气体, 是导致形成气孔的主
要原因, 也是铝液中溶解度最大的气体。在凝固过程中由于氢的析出而产生的孔隙, 不仅减少了铝锭的实际截面积, 而且还是裂纹源。氢在液态铝或铝合金中的溶液解度很大, 而几乎不溶解于固态铝。（在室温条件下, 共溶解度约在0.003%以下。）
在A356铝合金熔炼时, 周围空气中的氢气含量并不多, 氢的最通常的来源是铝和水蒸气的反应, 而水蒸气主要来源于我们上面所说的炉气中的水分、设备及工具吸附的水分、一些材料的结晶水等, 其反应式如下
3H2O（水蒸气） 2AL=AL2O3 6（H）
回炉料带入的油污、有机物、盐类熔剂等与铝液反应也能生成氢：
4m AL 3CmHn=mAIC3 3n(H)
不同温度下活性氢原子在铝液或铝合金中的溶解度见表1。
4、A356铝合金锭针孔形成的主要因素
针孔是A356铝合金中容易出现的且对产品质量致命影响一种铸造缺陷, 而氢是造成针孔的主要原因, 而氢的主要来源是水蒸气分解所产生的。因此, 在熔炼过程中造成水蒸气产生的原因, 也就是直接影响针孔的主要因素。
A356铝合金针孔形成的主要因素有：
4.1 原材料、辅助材料的影晌
在A356铝合金熔炼的过程中, 所使用的原材料、辅助材料等一些材料中含有不少结晶水、潮气加入炉内后, 如果此时边倒入铝液, 便会被铝液吸收, 会因水蒸气的分解而产生大量的氢, 这些氢含量的增加就在铝锭中形成气孔。因此在加入原辅料前一定进行预热处理, 加入工业硅后, 进行高温烘烤1个小时左右, 称为烤硅。
因对铝液要进行精炼, 而精炼剂如果潮湿也会带进去很多的氢, 曾经有人做过这样的实验,测定铝合金中氢的含量：
（1）未经预热处理的精炼剂直接使用：0.83cm3/(100g)
（2） 在400℃的温度下进行干燥处理的精炼剂: 0.21cm3/（100g）
因此可以看出, 对精炼剂进行预热处理是有很大好处的。
4.2 熔炼设备及工具的影响
使用的工具如精炼管、渣耙, 渣铲等, 在使用前应将表面残余的金属、氧化皮等污物清除干净, 然后涂上防护涂料并进行预热烘干。如果预热不好, 表面吸附的水分, 会在熔炼浇注过程因加热形成水蒸气而产生大量的气体, 导致A356铝合金针孔的形成。
4.3气候的影响
一般情况下, 周围空气中的氢气含量并不多, 但空气中如果相对湿度大, 则会增加合金液中气体的溶解度, 形成季节性气孔, 如在雨季, 由于空气温度大, A356铝合金熔炼时针孔产生的现象就严重些。当然, 空气湿度大时, 辅助材料、熔炼设备、工具等也会因空气潮湿而增加表面水分的吸附量, 因此更应注意采取有力预热烘干防护措施, 以减少气孔的产生。
某厂历年的记录及统计资料指出, 该地区每年5-10月份是空气湿度最大的时期, 这期间绝对湿度最高可达5198.7Pa（空气中水蒸气的气压）。也就是说在, 1CM3空气中含有39克水。每年的这段时间内生产A356铝合金就会出现严重的针孔。
4.4 熔炼工艺对含氢量的影响
生产实践表明, 铝液吸氢是在表面进行的, 它不仅与铝液表面的分压有关, 还与合金熔炼温度、熔炼时间等有较大的关系。合金熔炼温度越高, 熔炼时间和熔炼后铝液保持时间越长,氢在铝液中扩散就越充分, 铝液吸氢量就越大, 出现针孔的几率就越大。有人曾做试验, 铝液存放时间越长, 铝合金内含气量近似成比例增加。因此, 为了减少铝合金熔炼时吸收氢气, 一定要严格执行铝合金熔炼工艺规程, 一般铝合金熔炼保持时间不能超过2H(见表2), 铝合金熔炼温度也不能过高。见表3
5、预防铝合金锭针孔形成的主要措施
由以上分析可知, A356铝合金容易产生针孔缺陷。它与铝合金本身特性有关系, 也与一系列的外界因素有关。为了避免或减少铝合金在熔炼时产生针孔, 保证A356铝合金具有优良品质, 可针对性地采取适当的预防措施予以预防。
5.1 认真做好熔炼浇注时的准备工作
1）严格按工艺规程要求, 正确处理好炉料。
2）铸模、熔炼工具, 使用前应将表面油污、杂物等清除干净, 喷涂脱模剂。
3）有锈蚀的工具, 使用前应将表面清除干净, 并进行预热处理, 以除去所吸附的水分及其它化学物质。
4）己经涂料的锭模、熔炼工具在使用前, 均须预热。
5.2力求做到快速熔炼、保持合理的静皿时间
A356铝合金在熔炼时, 要力求做到快速熔炼, 缩短高温下停留时间。铝合金熔化后保持时间过长时, 必要用熔剂覆盖铝液面, 一旦在生产过程中出现异常, 要及时与现场技术人员取得联系,采取果断措施预以处理。精炼后的炉内铝液必须正确确定合适的静置时间, 静置时间指的是精炼结束后至铸造开始的时间。
5.3 加强潮湿季节预防措施
在雨季或空气潮湿时节铸造铝合金, 我们更应加注意采取防护措施, 对熔炼用具、锭模、炉料等都要严格按规范进行预热处理, 以防带入过多的水分和油污等, 引起各类针孔的产生。
要根据空气中湿度的变化决定溶化后到浇注结束的时间。如4表所示
5.4 采用合适的方式精炼除气除渣
除气就是除去合金中的气体, “ 精炼” 就是指去除合金中的夹杂物。因铝合金熔炼时, 除气和精炼两个工序多合并在一起进行, 故在生产实践中习惯将这两个工序称为精炼。目前除气的主要办法是在铝液中通过精炼除气剂制造大量的气体, 利用分压原理, 让溶解于铝液中的氢原子向气泡扩散（此时气泡的分压为零）, 由于气泡比重轻, 当气泡上浮到铝液表面时, 气泡破裂, 氢气逸入大气之中, 最终达到去除氢气的目的。
目前采用精炼的方式大多是均匀活动式精炼, 很少采用定点式精炼, 活动式精炼采用的是对炉内的各个角落和上中下三层铝液进行精炼处理, 可以不留死角。而定点式精炼达不到这种效果。如下表5, 表6
6、结语
通过以上分析得出铝合金气孔形成的主要因素, 并针对性地论述了一系列相应的预防措施, 目的就是要在合金锭中防止生成针孔和夹渣, 获得的优良品质。从铸造工艺角度综合分析, 预防针孔的生成, 消除气孔和氧化夹渣, 我们可以用“ 防”、“ 排”、“ 溶” 三字原则来概括。
“ 防” 就是要防止潮湿空气、水份及各种污物进入混合炉内。
“ 排” 就是要通过各种方式排除铝液中的氧化夹渣和氢气, 因为只有有效除去悬浮在铝液中的弥散状的夹杂物（主要是AL2O3）, 才能防止铝液增氢, 消除氢析出的障碍, 从而获得纯净的铝液, 浇出合格的产品。
“ 溶” 就是要使铝液中的氢在凝固时能部分地或者全部在固溶在合金组织中, 不致在铸件中形成气孔。
当然, A356铝合金熔炼时, 贯彻“ 以防为主, 以排为辅” 的原则, 正确实施“ 防” 、“ 排” 、“ 溶”三套工艺措施, 还必须具有过硬的熔炼操作基本功, 熔炼操作基本功包括精炼设备、熔炉工具的准备和处理, 精炼剂的预制, 精炼、变质除渣的技巧, 搅拌操作的技巧和合理浇注等, 我们只有具备了过硬的操作基本功, 才能真正有效地预防A356铝合金锭气孔的形成。
参考文献
王祝堂,田荣璋，铝合金及其加工手册，长沙，中国工业大学出版社
向凌甘，原铝及其合金的熔炼与铸造，北京，冶金工业出版社
