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通過分析砂型鑄造鋁合金鑄件氣孔缺陷產生的機理，提出從控制原材料的水分、控制型砂及砂芯的透氣性、精心熔煉等幾個方面來消除該缺陷。
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- k, \9 e5 z( A% f+ K 鋁合金以其良好的力學性能( 較高的比強度、比剛度) 和優良的鑄造性能，在工業中被廣泛使用，是汽車、造船、航空航天及其他制造業的重要結構材料。生產中對鋁合金鑄件的品質要求也越來越高，除了保證化學成分、力學性能和尺寸精度外，不允許鑄件有縮孔、縮松、氣孔和夾渣等鑄造缺陷。
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) O2 y" y- J# k R; a, e 實際生產中，鋁合金鑄件會出現多種缺陷，氣孔缺陷是砂型鑄造中經常產生的缺陷，是影響鋁鑄件質量的重要問題。氣孔缺陷常出現在大型鋁鑄件的厚大部位，以及中小型鋁鑄件的冒口根部和加工端面。氣孔的產生除與型砂的水分、透氣性有關外，還與合金的熔煉質量及合金的原材料有關，如何消除該缺陷值得鑄造工作者重視。本文擬探討砂型鑄造中鋁合金鑄件氣孔產生的原因，提出消除的措施。
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1. 鋁合金鑄件中產生氣孔的機理, E% t6 [% {1 H0 x
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鋁合金鑄件形成氣孔的主要原因是合金中含有過量的H2，氫含量占所含氣體總含量的80%～90% ，其余是N2 、O2 CO等，而H2則來源于大氣及各種金屬原材料、熔劑和涂料中的水分受熱分解，在高溫條件下發生H2O= 2H + + O2 - 反應，這是一個可逆反應。分解出來的氧又容易與金屬液生成熔點較高的Al2O3 ，反應方程式為：2Al3 + + 3O2 - = Al2O3 ，這樣就促進了水蒸氣的高溫分解，氫離子便不斷向合金液中擴散。! ?# V9 ~; n0 d9 ~
/ O! e( {+ l, A+ y1 ]' P' M 氫以兩種方式存在于鋁液中：第一種是分解為原子狀態溶解在鋁液中，稱為溶解型，約占90%；第二種氫則以分子狀態氣泡形式吸附于夾雜物的表面或縫隙中，稱為吸附型。由于氫在鋁合金液中的溶解度是隨溫度上升而增大的( 如下圖所示) ，所以在熔煉過程中合金液將吸入大量的H2 。而在結晶凝固的過程中，由于溫度降低，合金液表層首先凝固且合金的粘度增大，雖然氫的溶解度降低需從金屬液中析出，但是已經很困難了，這樣滯留在合金液中便形成了氣孔缺陷。熔化、保溫時間越長，氫含量越高。
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. T) D& W( Y9 j0 m8 I' M0 _ 氫在合金液中的溶解度除與溫度成正比外，還與壓力及空氣的濕度即氫分壓成正比。根據西華特定律，氫在鋁金屬液中的溶解度[H] 與液面上氫分壓PH2有如下關系式：1 e9 c3 i7 X N" J1 K' l6 S3 P
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合金元素及其含量對溶解度也有一定的影響，硅、銅含量增加則氫的溶解度降低，鎂含量增加則氫的溶解度增加。合金成分不同，合金液中氫的臨界含量也不同，ZL104 鋁合金為亞共晶型鋁硅合金時吸氫量最大。6 w; C. S5 n1 V
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2. 防止鋁合金鑄件氣孔缺陷的措施
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$ E6 _' M7 }6 r2 q f* ~2 X1 {4 ] 要防止砂型鑄造中鋁合金鑄件氣孔缺陷的產生，就要采取有效措施盡量減少原材料的水分，強化熔煉質量管理，合理選擇鑄造工藝，提高鑄型的排氣能力。具體有以下幾個方面：
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) S3 M! b# M$ H( X* a ( 1) 所有原材料及熔煉用工具都要仔細清除表面的銹跡、油污及熔渣等，中間合金和回爐料的質量也要控制好，質量差的回爐料如碎金屬屑、澆冒口不宜大量使用。金屬原材料、變質劑、精煉劑、澆包和攪拌勺等在使用前都應烘干，而坩堝則應預熱至暗紅色方可加入熔料。通常在金屬表面除了凝聚水外，還有與金屬氧化膜作用形成的結晶水，在200～300℃低溫烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水，只有在500 ℃ 以上才能較容易除去大部分結晶水。/ D+ T2 ]/ o6 Y7 } D
' c; M! K0 b- D* n2 @/ ] ( 2) 操作中應盡量縮短熔煉時間，減少合金的吸氣量。熔煉溫度不宜過高，溫度越高，吸氣量越大，一般不超過800℃，熔煉過程要有測溫裝置控制。另外，還要控制變質時間，變質時間越長，變質溫度越高，氧化與吸氣越嚴重。由于鋁合金液面的氧化膜有保護作用，可以防止金屬液直接與大氣中的水分反應。在熔煉、澆注過程中要盡量避免破壞液面的氧化膜，精煉、變質時攪拌勺在液面下平穩攪動，特別是精煉操作要細心，精煉工序是防止氣孔重要的一環。金屬液澆注時應平穩，速度均勻，澆包和鑄型之間保持最小的垂直距離。8 u8 s; g+ p1 A
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( 3) 控制砂型的透氣性。砂型的透氣性過高容易使金屬液滲入砂粒間而形成機械粘砂，或鑄件表面粗糙度大、尺寸超差等缺陷；透氣性過低則形成氣孔缺陷的傾向大。一般砂型面砂的透氣性宜較小，表面硬度較低；而背砂的透氣性應偏高些，同時硬度也應高些，以便搬運，有利于保證鑄型的整體透氣性。在不塌箱的前提下，型砂透氣性一般為80～100 。另外，還要嚴格控制砂型中的水分含量，一般控制在4%～5% 。砂型水分含量過高，氣孔缺陷加劇。型腔修補時，刷水不能太多。澆注場地不宜撒水，保持空氣干燥是一個不能忽視的問題。- H- V, j/ h& z& p
% g; d" q; Q5 S$ n( g ( 4) 在砂型的上型及下型應扎通氣孔，以增大在澆注過程中氣體的排放。氣孔的頂端與型壁應有一定的距離，一般為4～6mm，距離太大不利于排氣。大型鑄件的下型排氣更為重要，除扎出氣孔外，還可將鑄型用砂墊高。同樣，型砂也要保持干凈，回用砂及原砂中的雜質要及時清理。
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( 5) 增強砂芯的排氣能力。大型復雜鋁合金鑄件免不了要放砂芯，由于砂芯中的粘結劑在高溫澆注時會產生一定量的氣體，要設法排放。通常的方法是在砂芯中設置排氣道、埋放蠟線、扎氣孔等，體積較大的砂芯可填放爐渣或焦炭塊，這些措施都非常有效。另外，在砂芯的芯頭處應配有氣孔排氣，如果砂芯的芯頭與砂型的間隙較大，可用石棉繩阻攔金屬液，防止金屬液堵住排氣孔。大型復雜鋁鑄件在澆注時還應在排氣系統出口處點火“引氣”，以減少排出的壓力，有助于氣體的排放。砂芯中粘結劑及添加劑的用量應合理。粘結劑的發氣量一般很大，在保證砂芯使用性能的前提下應盡量減少加入量。對于桐油砂芯，桐油加入量一般為2% ～3%。為提高砂芯的濕強度和表面硬度，加入糊精的量一般為1%～2% ，糊精的發氣量很大，因此加入量要嚴格控制。此外，砂芯在使用前應長時間烘烤，待冷卻后方可放入鑄型。
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( 6) 增強冷鐵排氣。為形成順序凝固，有些鑄件會放置冷鐵以提高冷凝速度，而冷鐵的排氣性較差。為改善冷鐵的排氣性，可在冷鐵上開通氣槽并涂上耐火涂料。, W& N$ u9 P# a& O' D, q/ R+ F7 `
1 u+ h6 _ f1 r1 o) T0 @ 3. 結語
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砂型鑄造中鋁合金鑄件的氣孔缺陷控制是一個復雜的問題，需要從多方面入手，除操作者要嚴格、精心操作外，工藝措施要得當，并加強管理，強化工藝過程中的質量檢查，缺陷是能夠消除的。 |
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發表于 2009-9-3 10:39:00
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