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发表于 2009-9-15 08:29:38
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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。% q! W8 U# s) e2 q
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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。
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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。/ _/ a9 j& A5 P) K) s4 B
$ \8 l& D3 S( m( {3 H% R% c4 d 1. 铝合金铸件中产生气孔的机理; s D3 ?0 K9 u& a4 C
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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 、O2 CO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。3 v a! i! S s4 O
, h+ o$ g. E) J; s( i4 R 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。* I) g# h4 R- O. Y1 f' e! Z
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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：
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; X9 j& h! s% H, W' f 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。
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6 u2 d0 q( w' j, {5 M0 x D8 w, X1 P 2. 防止铝合金铸件气孔缺陷的措施
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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：3 V8 x3 D" e( Q/ E. }( ^
/ t# A# V' s% b y/ x ( 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。# v; Q6 u/ s: r. o% o0 S2 c' O8 E0 M2 p
+ x) T# _1 D& P, r ( 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。
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; Q4 d0 g ?) a ( 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。
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( 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。" a: _& _) V6 n( x; u/ l
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( 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。
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( 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。
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3. 结语
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) y" w" M# O, I" N: @ 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。 |
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