铝合金金属型铸造气孔如何解决

铝合金金属型铸造气孔如何解决
铝液除气尽量降低铝液浇注温度保持砂芯尽量少的树脂含量以及含水量,保持磨具排气通畅,由于铝比大多数的的金属密度低，组织松软。

显得轻。

假如浇注的时候有空气，就会相对与其他金属浇注更容易混入液态铝中，浇注形成气孔缺陷。

影响其使用，使铸件报废。

首先是预防，要保持炉料和坩埚已经各种熔炼工具的清洁，熔炼前需要预热。

其次是排除气体，待温度提高至730℃左右时，用钟罩加入精练剂(常用的是C2C1），精练剂（C2C1）应分多次加入，防止铝液剧烈翻腾，精练完毕后铝液静置3～8 min，让铝液中的气体、熔渣和夹渣物充分浮出液面。

然后扒去铝液表面的渣子，铝液检验合格后浇注铸件。

精练剂是去除铝合金铸造气孔的最佳选择了。

预防气孔产生的措施：
一是修改不合理的浇冒口系统，使液流平稳，避免气体卷入。

二是模具与型芯应预先预热，后上涂料，结束后必须要烘透方可使用。

三是设计模具与型芯应考虑足够的排气措施。

摘要：越过分析砂型冶炼铝合金铸件桥孔缺陷发生的机理，提出从克制原人才的水分、克制型砂及砂芯的漏气性、精心冶炼等几个范围来消灭该缺陷。

实际生产中，铝合金铸件会出现多种缺陷，桥孔缺陷是砂型冶炼中经常发生的缺陷，是反应铝铸件质量的重要题材。

桥孔缺陷常出现在大型铝铸件的厚大地位，以及大小型铝铸件的冒口结合部和加工端面。

桥孔的发生除与型砂的水分、漏气性关于外，铸造材料还与合金的冶炼质量及合金的原人才关于，如何消灭该缺陷值得冶炼工作力重视。

本文拟探究砂型冶炼中铝合金铸件桥孔发生的原因，提出消灭的措施。

1. 铝合金铸件中发生桥孔的机理
铝合金铸件形成桥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% ，其他是N2 、O2 CO等，而H2则根源于气氛及各种五金原人才、熔剂和涂料中的水分受暑解释，在高温环境下出现H2O= 2H + + O2 - 效用，这是一度可逆效用。

铸造材料解释出来的氧又困难与五金液生成熔点较高的Al2O3 ，效用方程式为：2Al3 + + 3O2 - = Al2O3 ，这样就促进了水水蒸气的高温解释，氢离子便不断向合金液中扩散。

氢以两种方式存取决铝液中：第一种是解释为原子形状溶解在铝液中，称为溶解型，约占90%；第二种氢则以成员形状卵泡形式吸附于夹杂物的表盘或缝隙中，称为吸附型。

由于氢在铝合金液中的溶解度是随量度上升而增大的( 如下图所示) ，铸造材料因为在冶炼过程中合金液将吸入大量的H2 。

而在结晶凝固的过程中，由于量度降低，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五金液中析出，但是已经很困难了，这样滞留在合金液中便形成了桥孔缺陷。

熔化、保温时期越长，氢含量越高。

氢在合金液中的溶解度除与量度成正比例外，铸造材料还与压力及气氛的湿度即氢分压成正比例。

证据西华特定律，氢在铝五金液中的溶解度[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特定的反应，硅、铜含量增多则氢的溶解度降低，镁含量增多则氢的溶解度增多。

合金因素不同，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. 防止铝合金铸件桥孔缺陷的措施
要防止砂型冶炼中铝合金铸件桥孔缺陷的发生，铸造材料就要采取有效措施过分减少原人才的水分，强化冶炼质量管理，合理选择冶炼工艺，提高铸型的排气能力。

具体有以下几个范围：
(1) 所有原人才及冶炼用机器都要仔细清除表盘的旧迹、血污及熔渣等，中间合金和回锅料的质量也要克制好，质量差的回锅料如碎五金屑、浇冒口不宜大量使用。

五金原人才、质变剂、精炼剂、浇包和搅拌勺等在使用前都应烘干，而坩埚则应传热至深红色方可参加熔料。

通常在五金表盘除了凝聚水外，还有与五金氧化膜作用形成的结晶水，铸造材料在200～300℃低温烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水，除非在500 ℃以上性格较困难除了大部分结晶水。

(2) 操作中应过分缩短冶炼时期，减少合金的吸胆量。

冶炼量度不宜过高，量度越高，吸胆量越大，一般不超过800℃，冶炼过程要有测温设备克制。

此外，还要克制质变时期，质变时期越长，质变量度越高，氧化与吸气越严重。

由于铝合金液面的氧化膜有保护作用，象样防止五金液直接与气氛中的水分效用。

在冶炼、浇注过程中要过分防止破坏液面的氧化膜，精炼、质变时搅拌勺在液面下平稳搅动，特别是精炼操作要细心，精炼工序是防止桥孔重要的一环。

铸造材料五金液浇注时应平稳，速度均匀，浇包和铸型之间保持最小的垂直相距。

(3) 克制砂型的漏气性。

砂型的漏气性过高困难使五金液渗入砂粒间而形成机器粘砂，或铸件表盘粗糙度大、分寸超差等缺陷；漏气性过低则形成桥孔缺陷的倾向大。

一般砂型面砂的漏气性宜较小，表盘角度较低；而背砂的漏气性应偏高些，同时角度也应高些，以便搬运，有有利保证书铸型的整体漏气性。

在不塌箱的大前提下，型砂漏气性一般为80～100 。

此外，还要严格克制砂型中的水分含量，一般克制在4%～5% 。

砂型水分含量过高，桥孔缺陷加剧。

型腔缝补时，刷水不能太多。

浇注场地不宜撒水，保持气氛凉爽是一度不能疏忽的题材。

(4) 在砂型的上型及下型应扎通桥孔，以增大在浇注过程中气体的排放。

桥孔的顶端与型壁应有特定的相距，一般为4～6mm，相距太大顺利排气。

大型铸件的下型排气更为重要，除扎出桥孔外，还可将铸型用砂垫高。

同样，型砂也要保持干净，铸造材料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。

大型单纯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发生一容量的气体，要设法排放。

通常的方法是在砂芯中安装排气道、埋放蜡线、扎桥孔等，容积较大的砂芯可填放钢渣或焦炭块，这些措施都非常有效。

此外，在砂芯的芯头处应配有桥孔排气，如果砂芯的芯头与砂型的间隙较大，可用石棉绳阻拦五金液，防止五金液堵住排桥孔。

大型单纯铝铸件在浇注时还应在排气系统输出处烧火“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。

粘结剂的发胆量一般很大，在保证书砂芯使用性能的大前提下应过分减少参加量。

对于桐油砂芯，桐油参加量一般为2% ～3%。

为提高砂芯的湿强度和表盘角度，参加糊精的量一般为1%～2% ，糊精的发胆量很大，铸造材料因此参加量要严格克制。

于是，砂芯在使用前应长时期烘烤，待冷却前方可放入铸型。

(6) 增强冷铁排气。

为形成顺序凝固，有些铸件会停放冷铁以提高冷凝速度，而冷铁的排气性较差。

为好转冷铁的排气性，可在冷铁上开通气槽并涂上耐火涂料。

3. 序言
砂型冶炼中铝合金铸件的桥孔缺陷克制是一度单纯的题材，欲望从多范围入手，除操作者要严格、精心操作外，工艺措施要恰当，并增强管理，强化工艺过程中的质量调查，缺陷是能够消灭的。

1．气孔类别
由于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或外界大气相接触，因此，如熔炼过程中控制稍许不当，铝合金就很容易吸收气体而形成气孔，最常见的是针孔。

针孔（gas porosity/pin-hole），通常是指铸件中小于1mm的析出性气孔，多呈圆形，不均匀分布在铸件整个断面上，特别是在铸件的厚大断面和冷却速度较小的部位。

根据铝合金析出性气孔的分布和形状特征，针孔又可以分为三类①，即：(1) 点状针孔：在低倍组织中针孔呈圆点状，针孔轮廓清晰且互不连续，能数出每平方厘米面积上针孔的数目，并能测得出其直径。

这种针孔容易与缩孔、缩松等予以区别开来。

(2) 网状针孔：在低倍组织中针孔密集相连成网状，有少数较大的孔洞，不便清查单位面积上针孔的数目，也难以测出针孔的直径大小。

(3) 综合性气孔：它是点状针孔和网状针孔的中间型，从低倍组织上看，大针孔较多，但不是圆点状，而呈多角形。

铝合金生产实践证明，铝合金因吸气而形成气孔的主要气体成分是氢气，并且其出现无一定的规律可循，往往是一个炉次的全部或多数铸件均存在有针孔现象；材料也不例外，各种成分的铝合金都容易产生针孔。

2．针孔的形成：铝合金在熔炼和浇注时，能吸收大量的氢气，冷却时则因溶解度的下降而不断析出。

有的资料介绍②，铝合金中溶解的较多的氢，其溶解度随合金液温度的升高而增大，随温度的下降而减少，由液态转变成固态时，氢在铝合金中的溶解度下降19倍。

（氢在纯铝中的溶解度与温度的关系见图1③）。

因此铝合金液在冷却的凝固过程中，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，来不及上浮排出的，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（gas porosity）。

在氢气泡形成前达到的过饱和度是氢气泡形核的数目的函数，而氧化物和其他夹杂物则在起气泡核心的作用
在一般生产条件下，特别是在厚大的砂型铸件中很难避免针孔的产生。

在相对湿度大的气氛中溶炼和浇注铝合金，铸件中的针孔尤其严重。

这就是我们在生产中常常有人纳闷干燥的季节总比多雨潮湿的时节铝合金铸件针孔缺陷少些的原因。

一般说来，对铝合金而言，如果结晶温度范围较大，则产生网状针孔的机率也就大得多③。

这是因为在一般铸造生产条件下，铸件具有宽的凝固温度范围，使铝合金容易形成发达的树枝状结晶。

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（即补缩通道被阻塞），从而使合金中过饱和的氢气析出而形成针孔。

3．形成气孔的氢气的来源与析出
铝合金中气孔的产生，是由于铝合金吸气而形成的，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。

合金液中气体能溶解的数量多少，不仅与分子是否容易分解为活性原子有关，还直接与气体原子类别有关。

在铝合金熔炼过程中，通常接触的炉气有：氢气、氧气、水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等，这些气体主要是由燃料燃烧后产生的，而耐火材料、金属炉料及熔剂、与气体接触的工具等也可以带入一定量的气体，如新砌的炉衬、炉子的耐火材料、坩埚等，通常需要使用几天或几周的时间，其化学结合的氢才能充分从粘结剂中释放出来。

一般而言，炉气成分是由燃料种类以及空气量来决定的。

普通焦炭坩埚炉，炉气成分主要为二氧化碳、二氧化硫和氮气；煤气、重油坩埚炉主要为水蒸气、氮气；而对目前大多数熔炼厂家使用的电炉熔炼来说，炉气成分主要是氢气。

因此，采用不同的熔炼炉熔炼时，铝合金的吸气量和产生气孔的程度是不同的。

铝合金生产实践证明，氢是唯一能大量溶解于铝或铝合金中的气体，是导致铝合金形成气孔的主要原因，是铝合金中最有害的气体，也是铝合金中溶解度最大的气体。

在铸件凝固过程中由于氢的析出而产生的孔隙，不仅减少了铸件的实际截面积而且是裂纹源。

惰性气体不能溶于铝或铝合金，其他气体一般与铝或铝合金反应形成铝的化合物，如Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。

由图1可知，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，其溶解度约在0.003﹪以下）。

在铝合金熔炼时，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炉气中的水分、设备及工具吸附的水分、一些材料的结晶水与铝锈Al(OH)2分解出来的水分等，其反应式如下：3H2O(水蒸气)+2Al=Al2O3+6[H](1)
含镁铝合金由于还发生下列反应，更容易吸收氢：
H2O(水蒸气)+ Mg=MgO+2[H](2)
另外，金属炉料或回炉料带入的油污、有机物、盐类熔剂等与铝液反应也能生成氢：
4mAl+3CmHn=mAl4C3+3n[H] (3)
镁、钠、锂可以改变铝的表面的氧化膜，使活性氢原子容易进入；金属氟和铍则能在铝的表面形成更致密的氧化膜，降低氢向铝液或铝合金中扩散的速度，对铝合金起到保护作用。

形成氢化物的元素，如钙、钛、锂、铯等金属均能强烈地扩大氢在铝液中的溶解度。

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．气孔对铝合金铸件性能的影响
针孔对铝合金性能的影响主要表现在能使铸件组织致密度降低，力学性能下降。

为此，在铝合金
铸件生产实践中，加强对气孔等级对力学性能的影响研究，通过控制针孔等级来保证铝合金铸件品质是非常重要的。

针孔等级评定，低倍检验按GB10851-89进行，当有争议时按表2规定执行；X射线照相按GB11346-89铝合金铸件针孔分级标准执行，该标准选用目前工业生产中常用的两种合金ZL101（Al-Si-Mg系）和ZL201（Al-Cu-Mn系）, 并在T4状态测定бb和σ5的试验结果表明（ZL101T4、ZL201ST4各种针孔试样的力学性能分别见表3、表4）：铸件力学性能与针孔等级之间是线性相关关系，随着针孔等级级别增加，力学性能逐步下降；针孔等级每增加一级，力学性бb下降3%左右，σ5下降5%左右。

对铝合金铸件切取性能试样要求，铸件允许存在的针孔级别详见GB9438-8
这里应当指出的是，由于铸件壁厚效应的影响，即使针孔严重程度相同，壁厚大的部位力学性能下降，壁厚小的则较高。

由于铸件的力学性能取决于多种因素，不仅与针孔等级有关，还与合金的化学成分的波动、铸件的凝固速度、热处理效果、其他缺陷的存在因素有关，所以同一级别的针孔试样，力学性能将在一个相当大的范围内波动。

5．铝合金铸件针孔形成的主要因素
综上所述，针孔是铝合金铸件中容易出现的且对铸件品质造成一定影响的一种铸造缺陷，氢是造成针孔的主要原因（有的资料介绍，铝液中所溶解的气体中80%-90%是氢），而氢的主要来源是水蒸气分解所产生的。

因此，铝合金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形成的主要因素。

影响针孔形成的主要因素有：
5.1 原材料、辅助材料的影响
在铝合金熔炼浇注过程中，所使用的原材料、辅助材料、一些材料中的结晶水和铝锈AL（OH）2分解会产生水分，造型材料中有多种有机和无机辅料带有的水分，铸型材料中的辅料、涂料等因为预热不良含有的水分等等，在铝合金熔炼浇注时，会因水蒸气的分解而产生大量的气体，这些气体都有可能导致铸件产生气孔。

涂料中粘结剂，虽然可以增加涂层厚度，但也相应增大了发气量。

5.2 熔炼设备及工具的影响
不同熔炼设备熔化铝合金时，铝合金的吸气量和形成气孔的程度是不同的。

新坩埚及有锈蚀、污物的旧坩埚，使用前应吹砂或用其他方法清除干净，并加热至700℃-800℃，保温2h-4 h，以去除坩埚所吸附的水分和其它化学物质，否则会因含有水分而在熔炼浇注时产生水蒸气而导致形成气孔。

新砌的炉子，通常也需要使用几天或几周的时间进行烘炉干燥处理，否则耐火材料中含有的水分及化学结合的氢就无法释放而导致熔炼时形成气孔。

熔炼用的工具如浇包、除气用的钟罩等，使用前应将表面残余的金属、氧化皮等污物清除干净；铝镁合金使用的工具，使用前则要求放在光卤石等熔剂中洗涤干净。

然后涂上防护涂料并进行预热烘干。

如果预热不良，表面吸咐的水分，会在熔炼浇注过程因加热形成水蒸气而产生大量的气体，导致铸件针孔的形成。

5.3 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，由于空气湿度大，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，铝合金锭、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。

5.4 熔化操作的影响
铝合金熔炼时，由于氢气溶解到铝液中需要一个过程，因此加强熔炼过程的控制，对控制铝合金吸气量是大有文章可做的。

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。

合金熔化温度越高，熔化时间和熔化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，我们在大量生产条件下，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，一般铝合金熔化后保持时间不能超过3h-5h，铝合金熔化温度也不能过高，一般控制在760℃以下，最高初始熔炼温度不应超过920℃。

5.5 砂型铸造铸型的影响
铸型含水量高，铝合金中含氢量就越高。

有人用同炉合金浇入不同含水量的铸型，经测定合金中氢气含量有很大区别③：铸型含水量为5%时，铸型中含氢量为1.5ml/100g；铸型含水量为6%时，铸型中含氢量为2.5ml/100g；铸型含水量为8%时，铸型中含氢量为3.0ml/100g。

因此砂型铸造铝合金时，最好采用干燥或表面干燥型，如用湿型，含水量应控制在6%以下。

这是因为湿型铸造时，由于水分的汽化温度低，当加热到铝液熔化温度时，砂型中会产生大量的气体，随着压力增大，体积发生膨胀，压力大的气体就会进入型腔或型腔中的铝液，导致侵入性气孔的形成。

5.6 金属型铸造型腔的影响
由于金属型铸造没有退让性和无透气性等特点，金属型在充填和浇注过程中，型腔内的气体一方面随着铝液金属的充填被压缩；另一方面又被迅速强烈加热，引起压力升高，结果造成充型反压力，阻碍铝液金属充填型腔，当压力超过一定极限时，气体就可能冲破金属液流束的表层，通过内浇口向外逸出，破坏金属液连续流动，并造成强烈氧化，在气体穿越金属液时，如果受到初晶或凝固层的阻挡，便会留在金属液中形成气孔。

当带有砂型的金属型铸造时，液体金属在充填过程中，砂型受到粘结剂分解以及涂料未烘干或金属型预热不充分的影响，都会增加型腔内的气体量，当型腔内的气体不能充分排出时，气体便滞留于铸件形成气孔，而部分残留气体则富集于铸型壁与金属液之间形成“气阻”，这些气阻则使铸件出现浇不足或冷隔缺陷。

6．预防铝合金铸件针孔形成的主要措施
由以上分析可知，铝合金铸件容易产生针孔缺陷。

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，保证铝合金铸件具有优良品质，可针对性地采取适当的预防措施予以预防。

6.1 认真做好熔炼浇注时的准备工作
6.1.1 严格按工艺规程要求，正确处理好炉料。

炉料使用前应用吹砂或其它方法去除炉料表面的锈迹、
泥沙等污物，并进行炉料预热，预热温度：350℃-450℃，保持3h以上，严防带入水分和油污等。

按QJ169-75要求的I类铸件，只允许使用一级回炉料，Ⅱ、Ⅲ类铸件允许使用二级回炉料，但Ⅱ类铸件回炉料的总量不允许超过70%，三级回炉料不允许用于基本产品的生产。

6.1.2 坩埚、锭模、熔炼工具，使用前应将表面油污、脏物等清除干净。

并预热至120℃-250℃，涂以防护涂料。

6.1.3 新坩埚、新砌炉子、有锈蚀的旧坩埚，使用前应用吹砂其他方法将表面清除干净，并进行烘炉处理。

一般应加热至700℃-800℃，保温2h-4h，以去除坩埚所吸附的水分及其它化学物质。

6.1.4 已经涂料的坩埚、锭模、熔炼工具使用前，均须预热，坩埚应预热至暗红色（500℃-600℃）；熔炼工具应预热至200℃-400℃，保持2h以上（除使用感应炉熔炼合金时，坩埚可不预热外。

）
6.2 严格执行工艺规程，力求做到快速熔炼
铝合金在熔炼时，要力求做到快速熔炼，缩短高温下停留的时间。

Al-Mg合金和其它铝合金熔化后保持时间过长时，需要用熔剂覆盖铝合金液面，以防止铝合金吸气，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，采取果断措施予以处理。

根据QJ1182-87标准，每一炉合金从开始熔化到浇注完毕的时间，砂型铸造不得超过4h；金属型铸造不得超过6h；压铸不得超过8h；合金最高温度一般不超过760℃，坩埚底部涂料厚度不得小于６0ｍｍ。

6.3 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预防去气防护措施，对熔炼用具、锭模、坩埚、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。

6.4 精炼去气，去除铝合金中的气体
一般情况下，所谓“去气”（又叫“除气”）就是去除合金中的气体，“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。

由于铝合金中的气体主要是氢气，去气也就是主要去除氢气。

目前去气的主要办法是在铝合金中通过精炼除气剂制造大量的气体（气泡中的气体可能是铝液内部经化学反应产生的，也可能性是经由部分精炼除气剂加入直接带入的），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（氯气及氯盐去气原理示意图见图２）。

目前，为了消除铝合金铸件针孔，最常用的办法是在熔化过程中用氯盐和氯化物除气，用氯气、氮气除气，用真空除气，用超声波除气，过滤除气等方法。

，常用精炼除气剂的用途见表5。

采用氯盐和氯化物除气剂除气时，要用钟罩将除气剂压入坩埚底部100mm，沿坩埚直径1/3处（距坩埚内壁）的圆周匀速移动。

为了不使铝液大量喷溅，除气剂可分批加入，除气结束除渣，并按表6规定的时间进行静置。

6.5 增加气体在合金中的溶解度
采用快速或高压下凝固的方法，提高气体在铝合金中的溶解度，促进气体来不及或不能析出，从而达到消除针孔的目的。

具体方法限于篇幅，在此不做过多阐述。