铝合金制品的气孔与其预防

在纯铝中加入一些金属或非金属元素所熔制的工业铝型材是一种新型的合金材料，由于其比重小，比强度高，具有良好的综合性能，因此被广泛(extensive)用于航空工业、汽车制造业、动力仪表、工具及民用器具制造等方面。随着国民经济的发展以及经济一体化进程的推进，其生产量和耗用量大有超过钢铁之势。加强对工业铝型材材料性能的研究，保证工业铝型材铸件具有优良品质，既是我们每一个科技工作者义不容辞的责任，也是同我们的日常生活息息相关的头等大事。本文结合作者工业铝型材铸件生产实践经验（experience)谈谈工业铝型材铸件气孔与预防问题。

1.气孔类别
由于工业铝型材具有严重的氧化和吸气倾向，工业铝型材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，工业铝型材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（jūn yún)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。根据工业铝型材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（Continuity)，能数出每平方厘米面积上针孔的数目，并能测得出其直径。铝型材规格可分为1024、2011、6063、6061、6082、7075等合金牌号铝型材，其中6系的最为常见.不同的牌号区别在于各种金属成分的配比是不一样的。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。 
工业铝（Al)型材生产实践证明，工业铝型材因吸气而形成气孔的主要气体成分是氢(Hydrogen)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，各种成分的工业铝型材都容易产生针孔。工业铝型材有简单、实用、效果佳等优点。 
2.针孔的形成
工业铝型材在熔炼和浇注时，能吸收大量的氢气，冷却时则因溶解度的下降而不断析出。铝型材报价高性能铝合金窗价格通常比塑钢窗的价格要高一些。但从长远考虑，高性能铝合金窗价格虽然高，但使用年限长；而塑钢窗虽然价格较便宜，但使用年限短。有的资料介绍
　　②，工业铝型材中溶合的较多的氢，其溶解度随合金(alloy)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，氢在工业铝型材中的溶解度下降19倍。（氢在纯铝中的溶解度与温度的关系见图1
　　③）。因此工业铝型材液在冷却的凝固过程(guò chéng)中，氢(Hydrogen)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工业铝型材，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工业铝型材铸件针孔缺陷少些的原因。 
一般说来，对工业铝型材来说，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。铝型材品牌因装饰性好、使用寿命长、色彩丰富等，使铝型材更具竞争优势。这是因为在一般铸造生产(Produce)条件下，铸件具有宽的凝固温度范围(fàn wéi)，使工业铝型材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(Hydrogen)气析出而形成针孔。 
3.形成气孔的氢气的来源与析出
工业铝型材中气孔的产生，是由于工业铝型材吸气而形成的，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。在工业铝型材熔炼过程(guò chéng)中，通常接触的炉气有：氢气、氧气、水蒸气、二氧化碳(C)、二氧化硫（化学符号：S）等，这些气体主要是由燃料燃烧后产生的，而防火材料、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，工业铝型材的吸气量和产生气孔的程度是不同的。 
工业铝型材生产实践证明，氢是唯一能大量溶解于铝或工业铝型材中的气体，是导致工业铝型材形成气孔的主要原因，是工业铝型材中最有害的气体，也是工业铝型材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，不仅最大化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工业铝型材，其他气体一般与铝或工业铝型材反应形成铝的化合物，如Al2O3、AlCl3、Al
　　N、Al4C3等等。铝型材品牌因装饰性好、使用寿命长、色彩丰富等，使铝型材更具竞争优势。由图1可知，氢(Hydrogen)在液态铝或工业铝型材中的溶液解度很大，而几乎不溶解于固态铝（在室温条件下，其溶解度约在0.003。