（材料加工工程专业论文）铝铸件中缺陷与铸造条件及力学性能的相关性.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公 布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 譬 院办理。 研究生签名： 弛导师签名：寻至斗日 期：三画删 摘要 本文综述了铸造铝合金中最主要的两大缺陷( 氧化夹杂和孔洞) 的形成机理、分类、对铸件力学 性能的影响以及氧化夹杂对孔洞形成的影响；在体视显微镜f 定营检测不同铸造条件下两种铝合金 即a 3 5 6 和b 3 1 9 中的氧化夹杂和孔洞的数量，大小和分布，探讨了不同的铸造条件( 除气、过滤与 否) 对氧化夹杂和孔洞数量、大小以及在铸件中分布的影响，分析了铝铸件中氧化夹杂在孔洞形核 过程中所起的作用，并对a 3 5 6 、b 31 9 铸造铝合金中孔洞和氧化夹杂与铸件力学性能( 主要是抗拉强 度和延伸率) 的相关性进行了考察。主要的研究结果如下： 在a 3 5 6 和b 3 1 9 铸造铝合金试样断口上，无论过滤与否，o 1 m m 以上的氧化夹杂都很容易观 察到。因此，在铸造铝合金中，即使经过过滤除气处理，氧化夹杂的存在还是很普遍，几乎是很难 避免的。尽管o 1 咖以上的孔洞的数量往往会少于氧化夹杂，但是和氧化夹杂一样，无论除气与否， 孔洞始终会存在于铝合金铸件中。除气和过滤处理对不同铸造条件下铝合金中缺陷的性质影响不同， 总的米讲，除气处理从不同的角度降低了铝合金铸板中氧化夹杂和孔洞的含量，但是在进行过滤处 理时一定要相当谨慎，尽管过滤处理能有效地降低一些铸板中缺陷，但是也会造成某些铸板中氧化 夹杂的恶化。铸件中孔洞的形成与氧化夹杂存在着密切关系，氧化夹杂为孔洞形成提供了有效的形 核基底，使得孔洞更容易在铸件凝同时形成，但它不是所有孔洞的形核基底，同样，也不是所有的 氧化夹杂都会诱发孔洞的形成。 随着缺陷面积率和最大尺寸的增加，试样的力学性能都呈现一个下降的趋势，其中孔洞面积率 与抗拉强度，氧化夹杂面积率与延伸率呈现出相对较强的相关性，成一阶指数衰减函数分布，a 3 5 6 中缺陷最火尺寸与延伸率呈现相对较好的线性关系。但是缺陷的数量与拉伸试样的力学性能指标相 关性不大。在其他缺陷影响不大的情况下，裂纹会优先在尺寸较大的孔洞和氧化夹杂处产生，并在 外加应力的作用下急速扩展，发生断裂。 关键词：铸造铝合金；铸造条件；氧化夹杂；孔洞；力学性能 英文摘要 a b s t r a c t f 0 啪a t i o nm e c h 觚i s m ，c l 越s i f i c a t i 叩a n d 廿1 e i re 丘e c t so nm e c h 孤i c a lp m p e n i e so ft 1 1 et w o m a nd e f e c t s ( o x i d e s 锄dp o r e s ) i i la l 啪i n u ma l l o yc a s t i n g s 、v e 陀r e v i e w e di nn l i sp a p e r - t h e n 岫b e r ，s i z e 锄dd i s t r i b u t i o no fd e f e c t si nt 、) l r od i 仃e r e n ta l u m i n 啪a j l o y s ( a 3 5 6 锄db 3l9 ) w i m d i 伍珊n tc a s t i n gc o n d i t i o 璐w e r eo b s e r y e du n d e r 叩t i c a lm i c m s c 叩e s ，t h ee 毹c t so fm e l t 仃e 咖e n t ( n l e r i n go rd e g 雒s i n 曲o n 廿1 en 啪b e r ，s i 髓锄dd i s t r i b u t i o no fd e 向豳w e 阳锄a l y z e d ，廿l er o l eo f o x i d e s 讯也ef o m l a t i o no fm i c r o p o r o s i t i 既w e r cd i s c u s s e d ，觚de 俄：c t so fd e f e c t s0 nt 1 1 et e 粥i l e p m p e r t i e so fc a s t i n g sw e 陀a l s oi n 、，e s t i g a t e d r e s u l t sa r es h o 、硼a st h ef 0 1 l o w i n g n om a l t e rw i mf i l t e r i n g 仃 咖e n t0 rn o t o x i d e sw h i c hs i z ea 陀l a 学rt h 觚0 1m ma r ee 舔i i y o b s e r v e do nt l l eb r o k e n 纳c t u r e so fa 3 5 6 锄db 3l9c 罄t i n g s ，廿l e r e f o r e ，o x i d e sa r ed i 伟c u l tt 0 a v o i d ma 1 u m i l l 啪a l l o yc a s t i n g s a l t h o u g h 1 en u m b e ro f p o r e si si e s s 廿1 锄t h a to fo x i d e s ，j u s t 缌 。嫡d e s ，p o r e sc 伽l db eo b s e n r e di na 1 u m i n u m 砌l o yc a s t i n g sw i t hd e g 雒s i n g o rn o t t h ee 毹c t so f f i l 硎n g 锄dd e g 弱s i n go nt 1 1 ed e f e c t si nc a s t i n g sw i m d i 仟e r e mc a s t i n gc o n d i t i o n sa r ed i 毹r e m 1 1 1 aw o r d ，d e g 舔s i n gp 删i c ei sv e 巧n e c e s s a 巧f o rp r o d u c t i o no fa l u m i i l u mc 鹄t i n g ，w h i c hd e c 陀a s t l l ec o n t e n to fd e 亿c t s h o w e v e r ，s e l e c t i n gf i l t e r i n gp r a c t i c en e e db eg i n g e r l y f i l t e r i n gp r a c t i c e c o u l dd e c r e 越et l ec o n t e n to fd e f e c t si l ls 锄ec 嬲t i n g s b u ti tc o u l di n c r e 舔e 豫m a r k a _ b l yt h es i z eo f t h e s e sd e 庇c t si i im 锄yc a s t i n g s o 妇d e sd 0p l a yam 面0 rm l ei np r o v i d i n gn u c l e 甜o ns i t e sf o r p o m s i t i e s ，b u tn o te v e d rp o r en u c l e a t e so nt h eo x i d e s ，锄dn o te v e 巧o x i d ep r o v i d sn u c l e a t i o ns i t c s f o rp o r o s i t i e s m e c h a n i c a lp r o p e n i e so fc a s t i n g sd e c r e 鹪ew t ht h ei n c 陀雒eo fa r e ar a t i o 锄dt l l el 嘲e s ts i z c o fd e f e c t s t h et e n s i l es 缸e n g t ho fc 硎n gh 雒af i r s r d e ri l l d c xi n t oa t t e n u a 士i o n 觚c t i o n d i s t r i b u t i o nw 砒l l ei n c r e a o fp o f ea r e a 阳t i o ，锄d 廿l ee 1 0 n g a t i o no fc 嬲t i n gh 鹬af i r s t - o r d 盯 i i l d e xi n t oa t t e n u a l i o n 矗m c t i o nd i s t r i b u t i o nw 岫t l l ei i l c r e 勰eo fo x i d ea r e a 枷o t h ee l o n g a t i o no f a 3 5 6c a s t i l l gh 嬲al i n e 甜d i s t r i b 嘶w i t 量l 廿l ei i l c 陀私eo fd e 向啦l a 够s ts i 冼b u t 仕屺n u m b 盯o f d e f b c t sh 嬲n 甜1 吨州n lm e c h 锄i c a l 俐i e so f 伽咖g s c m c k sw o u l df o ma 土舭1 0 c 撕w 弛 b i gp o r 姻觚do 】【i d 部w h e n l e 陀a 陀n oo t l l e rb i gd c f 。c 协，t l l e np r o p a g a t ca n dc a u l e 亿i l u r e0 f c a s 6 n g k 唧r d s ：a l u m i i l 啪a l l o yc a s t i n g s ；c 删n gc o n d i t i ；o x i d ei n c l 吣i o n ；p o r e ；m e c h 肌i c a l p r o p e 啊 i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j i 乏i i i 第一章绪论l 1 1 铸造铝合金中的氧化夹杂l 1 1 1 氧化夹杂的形成2 1 1 2 氧化夹杂的形态2 1 1 3 氧化夹杂对铝合金铸件力学性能的影响3 1 1 4 氧化夹杂的检测和预防4 1 2 铸造铝合金中的孔洞5 1 2 1 气孔6 1 2 2 缩孔。7 1 2 3 孔洞对铝合金铸件力学性能的影响一7 1 2 4 孔洞的预防。8 1 3 氧化夹杂与孔洞的相互作用8 1 3 1 氧化夹杂对铝液吸氢的影响8 1 3 2 氧化夹杂对铝合金铸件中孔洞的影响9 1 4 立题的依据及主要研究内容1 1 1 4 1 立题的依据1 l 1 4 2 研究内容12 第二章实验方法l 3 2 1 技术路线1 3 2 2 铸件的制各1 3 2 2 1 原材料的选择13 2 2 2 试样板的制备与加工。1 4 2 3 缺陷的检测方法1 6 2 4 拉伸试验18 2 5 实验设备与分析仪器18 第三章铸造缺陷与铸造条件的相关性研究1 9 3 1 实验结果及分析19 3 1 1 低压充型a 3 5 6 合金中缺陷的定量统计结果1 9 3 1 2 重力充型a 3 5 6 合金中缺陷的定量统计结果2 4 3 1 3 低压充型b 3 1 9 合金中缺陷的定量统计结果3 0 3 1 4 重力充型b 3 1 9 合金中缺陷的定量统计结果3 5 3 1 5 分析与总结3 9 3 2 氧化夹杂对孔洞形成的影响4 l 3 3 本章小结4 6 第四章铸造缺陷与铸件力学性能的相关性研究。4 8 4 1 拉伸试样的选取4 8 4 2 实验结果5 0 4 3 分析与讨论5 8 i i v 一6 0 6 2 一6 3 6 6 。6 7 一6 8 第一章绪论 第一章绪论 随着高科技日新月异飞速发展，现代制造材料构成发生较大变化，高密度材料使用比例 下降，低密度材料使用比例上升。轻金属材料应用范围不断扩大，向轻量化、高性能、多功 能、环保、易成形再生和低能耗的方向发展。铝合金作为传统的轻金属材料具有密度小( 仅 为钢铁材料的1 3 左右) 、强度高、延性和塑性好，而且可以通过热处理改变其力学性能， 并具有良好的低温性能，有优良冷切削加工性能，可显著缩短生产周期、提高模具寿命降低 生产成本，可以循环使用等优点而广泛地应用于航空航天、军工、汽车、机械等各行业i i 圳。 交通运输 = = 业和航空航天工业的快速发展，扩大了对铝合金铸件的需求，同时也对铝合金铸 件的质量和可靠性提出了更高的要求。尽管在过去的几十年里，铝合金熔体净化技术和铸件 浇注系统设计的提高使得我们获得质量比较优良的铝合金铸件，然而铝及其合金在熔炼、浇 铸过程中易于氧化、吸收气体，使得在铝铸件中极易形成夹杂物和气孔，从而影响铸件的质 量，使铝合金的应用受到很大的限制1 3 巧j 。孔洞和氧化夹杂是铝合金铸件中最主要的缺陷， 铸造条件的变化会使氧化夹杂和孔洞的分布、形态、尺寸大小以及总体数量等发生改变，其 存在对铸件的力学性能尤其疲劳性能有着严重的影响，降低了铸件的使用寿命。 1 1 铸造铝合金中的氧化夹杂 铝铸件中的夹杂物种类较多，按其大小、形态可分为块状夹杂物和弥散夹杂物两种。 块状夹杂物是指其平均大小( 尺寸) 在5 1 0 “m 以上的氧化物( 或氧化膜) 等，它分散在合 金液里或漂浮在液面上。弥散夹杂物是指其平均大小( 尺寸) 在5 “m 以下的很细小的氧化物 等，它大部分悬浮在合金液里，很少部分漂浮在液面上：按结构类型可分为金属间化合物、 熔铸中产生的非金属物( 氧化物) 、盐、碳化物、硼化物和外来夹杂物6 种，表1 1 中列举了 铝液中存在的几种主要的夹杂物1 6 】。由于大多数夹杂物与金属基体有较大的差别，所以在金 属变形过程中，夹杂物周围就会产生愈来愈大的应力集中，从而使之开裂或使夹杂物同基体 的连结遭剑破坏，形成显微空隙。随着变形的不断进行，空隙( 微裂纹) 不断地产生，并发 展成为显微孔洞，直至相邻的空洞相互连结，导致材料的断裂。不仅如此，铝铸件中夹杂的 存在还会影响其他缺陷的形成，降低材料的耐腐蚀性。 在这些夹杂物中，氧化夹杂是最主要的夹杂物，而铝液中的非金属夹杂主要就是这些氧 化夹杂物【n 。它是伴随着熔化到浇注的过程中，由于炉料、溶剂、变质剂和氧气、水蒸气等 相互发生的复杂的化学反应而产生的一类非金属( 或氧化物) 皮膜、片状或分散的夹杂物。 根据氧化夹杂物在熔铸过程中形成的时间，可分为一次氧化夹杂物和二次氧化夹杂物 通常将铝液在浇铸前的熔炼过程中所形成的氧化夹杂物称为一次氧化夹杂物。一次氧化夹杂 按形态可以分为两类。第一类是分布不均匀的大块夹杂物，它的危害性很大，使合金基体不 连续，引起铸件渗漏或成为腐蚀的根源，明显降低铸件的力学性能。第二类成弥散状，在低 倍显微组织中不易发现，铸件凝固时成为气泡形核的基底，生成针孔，这一类氧化夹杂很难 在精炼时彻底清除1 6 】。二次氧化夹杂物是在浇铸、充型过程中形成的。如在重力充型下，当 充型速度超过临界值( 约o 5 l l l s ) 时，由于惯性力的作用，液流前端的氧化膜将被打破，从而 造成氧化物夹杂分布于整个铸件内。c 锄p b e l l i s 】认为，较大的铝液流动速度( o 5 n 以) ，浇铸、 充型过程中铝液的落差以及铝液充型前沿不能得以稳定的保持，都会使铝液中带入氧化夹 杂。 东南大学硕士学位论文 表1 1 铝液中的夹杂物分类【6 】 t a b l e1 1c l 勰s i f i c a t i o no fi i l c l u s o n so b s e r v e di r im o l t e na l u m i n 啪【6 】 1 1 1 氧化夹杂的形成 铝合金通常在大气中熔炼，当铝液和炉气中的n 2 、0 2 、h 2 0 、c 0 2 、h 2 及炉料表面的 有机物c 。h 。等接触时，会产生化合、分解、溶解、扩散等过程。主要反应为【9 】： a l + 3 4 0 2 l 2 a 1 2 0 3 ( 丫)( 1 1 ) a l ( 驴1 = 烈2 ( 曲_ a l n ( 晶体) ( 1 - 2 ) a l ( 1 卜3 2 h 2 0 ( 曲1 ，2 a 1 2 0 3 ( 丫卜3 【h 】( 1 3 ) a l ( 1 卜3 4 c 0 2 一1 ，2 a 1 2 0 3 ( 丫) + 3 4 c ( 石墨)( 1 - 4 ) a l ( 1 卜3 2 c o ( 曲叶1 2 a 1 2 0 3 0 ) l 坞2 c ( 石墨)( 1 - 5 ) a l ( 1 卜3 4 c h 4 _ 1 4 a 1 4 c 3 ( 晶体) + 3 【h 】 ( 1 - 6 ) l 4 a 1 4 c 3 ( 晶体) + 3 2 h 2 0 ( 曲l 2 a 1 2 0 3 ( 丫卜3 4 c h 4 ( 曲 ( 1 7 ) l 4 a 1 4 c 3 ( 晶体) + 3 2 0 2 _ 1 2 a 1 2 0 3 0 一4 c 0 2 ( 1 - 8 ) a l n ( 晶体) + 3 2 h 2 0 ( 曲l 2 a 1 2 0 3 0 p 3 ( 曲 ( 1 9 ) a l n ( 晶体) + 3 4 0 2 一1 ：2 a 1 2 0 3 ( 丫) + 1 2 n 2 ( 1 - l o ) h 2 ( 曲_ 2 【h 】( 1 1 1 ) 从上述反应式可以看出，除式( 1 2 ) 和( 1 _ 6 ) 生成a i n 、a 1 4 c 3 外，其他的反应都生成a 1 2 0 3 ， 而a 1 4 c 3 、a n 和0 2 或h 2 0 接触后又极易产生式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 、( 1 - 9 ) 、( 1 1 0 ) 所示的反应，最 后仍然生成a 1 2 0 3 。a 1 2 0 3 的化学稳定性高，在铝液中不易分解，是铝铸件中的主要氧化夹 杂物。 1 1 2 氧化夹杂的形态 根据结构分析，铝及其合金中的氧化膜有三种形态：t 1 - a 1 2 0 3 、p a l 2 0 3 和姒1 2 0 3 。室 温下生成的表面氧化膜由少量结晶形态的似1 2 0 3 和非晶态的a 1 2 0 3 混合物所组成。随着温 2 度的上升，非晶态的a 1 2 0 3 逐渐转化为t 1 一a 1 2 0 3 和丫- a 1 2 0 3 ，到铝熔点附近温度，氧化膜的 厚度达2 0 0 舯，具有较高的强度，抗拉强度墅o m p a ，在铝液表面形成一层致密的氧化膜， 隔绝了炉气和铝液的直接接触，阻滞了铝液的氧化和吸气，对铝液起到保护作用，这是氧化 膜有利的一面u 叭。但是研究表明，氧化膜只有与铝液接触的一面才是致密的，而与炉气接触 的一面则由于铝液与水汽反应，在铝液表面形成疏松的氧化物组织，这样铝液与炉气接触 的一面就存在着大量的小孔( 尺寸在5 1 0 姗左右) ，而在这些小孔中吸附有水汽和氢。同时， 这种疏松的组织还使氧化膜的强度降低，使其更容易破裂。在熔炼及浇铸过程中铝液的飞 溅、紊流，划破均匀连续覆盖在铝液表面的氧化膜，丫- a 1 2 0 3 被卷入铝液中，所携带的水汽 和氢一起进入铝液，与铝液发生反应，从而使铝液增杂、增气【9 ，i l 】。 c a m p b e l l 【1 2 】提出新、旧表面膜的概念，认为新表面膜形成于浇铸过程中，很薄，只要铸 造条件合适，它们在铸件中可以是无害的。i f l 表面膜则形成于炉内熔体表面或重熔锭铸件 表面，较厚，面积通常也较大，且由于膜强、韧性较高，故能保持其尺寸。一般说来，旧膜 聚集对铸件产生的损伤是永久性的。有研究表明【l3 1 ，随着温度的升高，铝液的氧化速度以 指数形式增长，如温度每升高1 0 1 2 氧化率就加倍，由于a 1 2 0 3 的密度比铝液的大，因 此溶液底部的夹杂物比上部的要多。 1 1 3 氧化夹杂对铝合金铸件力学性畿的影响 尽管人们采用各种技术来去除铝合金熔体中的气体和夹杂，但在铸件的断口中仍然会 发现或多或少的氧化夹杂存在，因此可以毫不夸张地说铝合金铸件中的氧化夹杂是难以避免 的。无论是定性还是定量，氧化夹杂都是难以测量的，它的存在对铸件的力学性能，特别是 疲劳性能有着很大的影响。研究人员对此也做了大量的工作。 c a m p b e l l 【1 4 l 提出在铸件的断裂过程中氧化膜充当了裂纹源，从而降低试样的拉伸强度。 由于氧化膜的卷入和浇注系统有着密切的关系，c 锄p b e l l 锄dg r c 锄i l 纠用w 色i b u l l 分布 ( w 色i b u h 分布是一种概率统计方式，被j “泛应用于各种寿命实验的数据处理) 来定量化浇 注系统的作用，发现铸件拉伸强度的大小取决于浇注系统的设计。如果采用产生氧化膜多的 浇注系统，浇注出的铸件的w 色i b u l l 分布参数较低，并在铸件断口中发现了氧化膜的交织网； 而采用尽可能少产生紊流的浇注系统生产出的铸件的w r e i b u n 分布参数就较高。因此， c 踟p b e l l 认为铝合金铸件力学性能的下降是因为铸造缺陷主要是b i 伺m 的存在。之后m ie t a l i l 6 】也用w e i b u l l 分布来研究浇注过程中卷入的氧化膜对铝合金铸件拉伸性能的影响，他们 也认为氧化膜应为铝合金铸件拉伸性性能的下降负主要责任。 此外，氧化膜也被认为是疲劳裂纹源的产生地。n y a l l u m w a e ta l 【1 7 】观察到氧化膜作为疲 劳裂纹源总是和其他铸造缺陷如孔洞、裂纹等连接在一起。b y c z y i l s l ( i 锄dc 锄p b e l l 【博】在b 3 1 9 铸造铝合金高循环疲劳的研究中，用扫描电镜拍下了氧化膜在合金于2 8 6 ，8 0 0 周断裂时作为 裂纹源的形貌。夹杂物的存在破坏了基体的连续性，不仅为疲劳裂纹的萌生提供核心，而且 会影响裂纹的扩展过程，从而降低零件的疲劳抗力。w r a n ge t “1 9 】对氧化膜和孔洞对铸造铝 合金疲劳性能的影响做了系列实验，在比较孔和氧化夹杂作为裂纹源对铸件疲劳性能的不同 影响时提出孔的影响比氧化夹杂的危害大，他们在不同的铸造方法中都发现了这个现象。对 于此现象有两种解释：第一，共晶硅和金属间化合物将孔的表面分割开来，这些脆性颗粒更 容易使裂纹产生；第二，氧化夹杂和铝基体结合在一起，从而减少了它们边缘周围的应力集 中，当然这只是针对非折叠氧化膜而言的。 除了对铸件力学性能的影响外，氧化膜的存在还会提高铝液的表面张力。氧化膜愈厚， 强度愈大，表面张力也愈高。一般氧化了的铝或合金液的表面张力比没有氧化时高出1 - 2 倍 【6 1 。在铸件生产的过程中，液态铝的表面张力会对金属液流产生背压力，表面张力越大，对 3 东南大学硕上学位论文 铝液的背压力就越大，也就更加降低金属液在浇注系统和型腔中的流动性1 2 0 j 。文献【2 1 】在研 究氧化夹杂对a l _ 4 5 c u - o 6 m n 和a 3 5 6 熔体流动性的影响中，文献【4 】在研究废料添加产 生的氧化夹杂对a 1 7 s i 熔体流动性的影响中，都发现被氧化夹杂污染的熔体流动性下降， 在低温下此现象更加明显。夹杂物的存在不仅使铝液的流动性下降，还会增加铝熔体的粘度， 降低铝合金的铸造性能，促进形成疏松等铸造缺陷。再者，夹杂颗粒能在铝及铝合金中形成 硬质点，使加工性能和表面光洁度变差，增加加工工时和刀具的摩擦损耗，也增加产品的废 品率及成本。陆树荪等1 2 2 】在研究铝压铸件中的硬质点及非金属夹杂物时发现硬质点中的非 金属夹杂物多数是氧化铝，它们包括两种不同的组织形貌，一种是多孔状，一种是深色无孔 状，其显微硬度测定结果显示它们的硬度不同，但都比铝基体的显微硬度高得多，分别为铝 基体的1 0 倍和2 0 倍。它们的出现会使合金的切削性能显著降低，以至发生崩刀的现象。除 了上述二种基本形态外，硬质点处还存在有折叠膜、片状或团絮状夹杂物。 氧化夹杂总是直接或问接地影响着铝合金铸件的力学性能，它的存在是限制铝合金使 用的重要因素之一。 1 1 4 氧化夹杂的检测和预防 铝合金中存在夹杂物的浓度很低，检测评价是一项困难的t 作，并且由于夹杂颗粒大小 不一，分布不均，更增加了检测评定的复杂性。根据国内外资料报道，汇总起来有很多种， 如金相法、过滤法、x 射线衍射法、离心分离加热法、超声法、分光度法、容量分析法、中 子活化法、断面观察法、污染度测定法等等，下面介绍几种现在常用的检测法。 ( 1 ) 溴一甲醇法 这是为了测定第二类夹杂物( 尺寸细的弥散的夹杂物) 而研制的方法【2 3 。2 4 】。即把试样放 入有一定温度的甲醇溶液中，再加入一定量溴，铝和其它金属元素与溴反应生成的溴化物溶 于甲醇溶液中，而硅和氧化铝等氧化物则由于其化学性能稳定则不溶甲醇溶液，等反应完后 进行过滤、分离、洗涤，把夹杂物和滤纸同时烘干、灰化、称量后减去硅和滤纸重量，即得 到氧化夹杂的重量，从而可求得其百分含量。 此法所获得的数据为一二类夹杂物含量之和，比较全面，但不能反映夹杂物在铝或铝 合金中的分布状态，并且测量的时间太长，且这种方法中使用的溴还具有毒性。 ( 2 ) 容量分析法 这种方法包括电子束滴熔、离心分离和过滤【2 5 1 。电子束滴熔是在真空条件下采用电 子束滴熔试样，用一个半球形水冷模收集铝液，在滴熔和凝围过程中使非金属颗粒夹杂物 浮在表面。然后在一个中心浮筏中浓缩，用化学法分离，再进行定量分析或用电子显微镜扫 描观察。离心分离是将1 0 0 克铝合金加热到1 3 0 0 1 3 8 0 吓，放入一个保温性能优良的密 封式坩锅内，经过离心分离使比重较大的夹杂物沉淀在坩锅底部。过滤，过滤是使夹杂 物先浓缩后进行分析的又一通用办法。试样熔融后经过滤，取滤网上的残渣分析，获取夹杂 物浓度的数据。 ( 3 ) 断面观察法 这是在模具内浇注要测定的铝或铝合金试样若干，待冷却后，用锤子将其打断，然后用 肉眼和低倍显微镜仔细观察断面上的夹杂物个数，以此来评价铝或铝合金质量的方法p j 。多 作为铸造铝合金的炉前分析方法。 具体的测定工序是：首先数出每个断面上的夹杂物数，然后求出全部已准备好的试样断 口两侧断面上的夹杂物的总数，最后用公式式黝求出k 值，k 为小试样上断面确认的 夹杂物数( 个厂片) ，s 为刀个小试样断面上确认的夹杂物总数( 个) ，拧为所观察的试样的片 数。将这个k 称为k 值，用它来判定铝或铝合金溶液的纯净度。 4 第一章绪论 表1 2 污染度等级标准5 l m l b l e l 2p 0 1 l u t i o nl e v e l s 嘲 判定铝或铝合金品质的好坏，根据不同的情况而异，一般以表1 2 所列的等级标准来判 定。即规定k 值在o 一0 5 之间的熔体为合格的，如果k 值在b 级以下，则说明该铝或铝合 金液含夹杂物太多，要对它再一次进行精炼处理。表中所列等级标准是试片在砂型、金属型 铸造时所得k 值及其评价的实例。这一方法简单易行，测定结果直接，适合熔炼合金量小 的铝合金铸造，特别适合我国的中小企业和乡镇铸造厂、型材加上厂。 ( 4 ) 中予活化法 ，“泛使用的比较好的夹杂物检验方法是以中予活化分析为基础的手选取样法。原理是将 熔体定向凝固后得列的试样加r t 成一个小圆柱体，然后对其进行照射，测量放射引起的射线 衰减速度，该速度与试样中的氧含量有关，如果已知氧化物的经验化学式，则可计算出其中 大部分氧化物的含量，由于其使用受到试样轮转周期、费用、分析修正系数等因素的限制，故 多数只用于研究，并且该法对变异类的氧化物无能为力1 6 l 。 氧化物颗粒和氧化膜是产生夹杂缺陷的主要原因，要达到控制目的，需要注意以下影响 夹杂物生成的事项： ( a ) 铝液的温度升高，氧化速度会成指数性加快。经验法则表明，铝液温度每提高 1 0 1 2 ，氧化速度则增加一倍。 ( b ) 铝液受火焰直接燃烧会使铝液表面温度升高，同时水蒸汽会使铝液上的含氧量增 加。感应紊流会增加表面再生。辐射热屏、浸没式加热器和感应加热都是取代火焰直烧的理 想方法。 ( c ) 紊流可导致铝液表面积与体积比增高，同时导致表面氧化膜弥散，生成夹杂物。 ( d ) 纯的反应性元素，例如锌，镁的添加要十分谨慎，尽量减少氧化对铝合金铸件质量 的影响。 ( e ) 在可能的情况下，铝镁合金，铝锂合金中添加铍元素可使氧化膜更加致密，明显减 少氧化夹杂物的生成。 ( f ) 在铝液上采用保护性气体，如干氮、氢、二氧化碳，可以防止铝氧化，降低氧化速 度。 在此基础上还应采用有效的精炼系统和过滤系统，此外，在操作过程中麻注意以下几点： ( a ) 建立良好的转注条件，使铝液在氧化膜覆盖下平稳流动，并适当提高铸造温度。 ( b ) 适当的精炼温度彻底精炼熔体。 ( c ) 保证金属在静置炉中的静置时间。 ( d ) 坩埚及铁制熔炼工具应涂以涂料。 ( e ) 仔细供烤铸造工具。 ( f ) 尽可能缩短转注距离。 1 2 铸造铝合金中的孔洞 铝合金铸件中的孔洞可以分为两类，如图1 1 所示。一类是熔体凝同过程中由于体积减 5 东南大学硕士学位论文 小发生收缩，两相区的熔体补缩不足产生的缩孔；另一类是由于某些气体( 主要是氢气) 在铸 造铝合金固液两相中溶解度的巨人差别而引起的气泡形核及长大最终产生的气孔。事实上， 在一般的铸造条件下产生的孔洞是这两种孔洞的“综合体”刚。铝合金熔体在凝同过程中 产生的孔洞是公认的降低铝合金铸件性能的一个主要原因。这些孔洞的尺寸大多有几十至几 百的微米，甚至达到毫米级，这对铸件的力学性能尤其是疲劳性能有很大的破环作用。 ( a )( b ) 图1 - 1 铸造铝合金中的孔洞【2 6 1 ，( a ) 气孔( b ) 缩孔 f i g 1 1p 0 r c si 1 1a l u m i n 啪c 嬲t i n ga l l o y s 【2 6 】( a ) g a s 司一v e np o r e ( b ) s n k a g e - “v e np o r e s 1 2 1 气孔 科学实验和生产实践证明，铝液中的氢主要来自铝液与水汽的反应 3 a l ( 1 ) + 3 h 2 0 ( g ) = a1 2 0 3 ( s 卜6 【h 】( 2 1 2 ) 当弘1 0 0 0k 时，即使在干空气条件下( 1 ) h 2 0 = 2 1 5 9 1 0 q o m p a ) ，水汽也能与铝液发生反应【2 7 l 。 也就是说，任何经过烘干的炉料、工具、熔剂和砂型对铝液来说都是潮湿的，其中残余的水 分都足以引起该反应的发生，因此铝液中总有一定数量的氢。由于氢在固态和液态铝合金中 的溶解度差别十分悬殊，随着凝固过程的进行，氢不断析出。通常，以扩散方式逸出铝液的 氢量是有限的，而氢主要则是以气泡形式析出。形成气泡是一个新相形成的过程，它包括气 核的形成和长大两个阶段。有计算表明，若靠自发形核，氢在铝液中的浓度必须超过其在铝 液中饱和溶解度的数十倍l6 1 ，需克服的附加压力 3 0 0 0 m p a ，因此气核的自发形成通常是很 困难的。有研究表明l ，铝液中的夹杂物微粒表面不仅具有大量孔洞、空隙和裂纹，而且 具有各种不规则的形状，气核在这些地方形成能显著降低形核所需要的能量。因此，铝液冷 凝过程中产生的气泡往往是以非自发形核方式形核的。当铝液润湿气核材料时，气核的形成 条件为： p 窖p 口+ 砌+ 2 伪倪c + p j ( 2 1 3 ) 当铝液不润湿气核材料时，气核的形成条件为 p g p 口+ 砌+ 2 傩加曰叹c + p ，( 9 0 0 争 1 8 0 0 )( 2 - 1 4 ) 式中p 2 为气泡内气体的压力；p 。为铝液所处环境气氛的压力；砌为铝液对气泡的静压力： p ，为铝液凝i 古l 时因体积收缩而产生的压力，其值为负；硝铝液与气泡界面的表面张力；r 。 为气核形成的衬底上能成为气核的小孔半径；秽为湿润角。随着铝液中的氢不断向气核中扩 散，当气泡长大剑一定的临界尺寸，就会脱离形核表面而上浮。而新的气核又可以在同一地 点再次形成。计算表明【6 】：为使铝液中气泡能及时上浮而排除，其半径一般应大于 ( 1 0 弓1 0 2 ) c m 数量级，否则将保留在铸件中形成气孔。另外，有关铝合金铸件中形状各异的 气孔，有研究表明这取决于铝液中晶体a 枝晶生长对气泡长大过程所产生阻碍作用的- 大【播j 。 6 第一章绪论 1 2 2 缩孔 铝合金中的缩孔是由于铝液凝同成固态时发生体积收缩引起的。纯铝由液体凝固成围体 时，体积收缩率达到7 ，一般的铝合金的体积收缩率一般在5 石之间。在合金凝固的过 程中，合金液一般会对体积收缩部分进行补缩，但是随着凝固的进行，枝晶越米越粗大，补 缩就越来越困难，在凝同后期，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 近似封闭的小空问中，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，等到凝同完成的时候就会在枝晶间形成缩孔 【2 9 - 3 0 】。 缩孔的形成受很多因素的影响，如冷却速度，晶粒结构，合金元素以及夹杂等。有报道 认为增加凝固速率会减小孔的尺寸，如a t 、v o o de ta l 【3 l j 发现加快凝固速度会减小孔尺寸，同 时会增加孔密度。在相对较低的冷却速度下，孔的圆整度较好；增加凝固速度到一个中等水 平时，孔沿着晶界在初生枝晶臂间生长；当增加到一个较人的凝固速度时，孔被限制在二次 枝品间生长。s h i v h 帅a re ta l 【3 2 】提出铸件中孔的尺寸随着冷却速率的增加而减少。他们认为 冷却速率对孔尺寸的作用源于其对晶粒大小的影响，孔密度与品粒密度成比例关系，晶粒尺 寸小，孔的尺寸就会因空间限制而减小，而晶粒密度对冷却速率非常敏感，因此，孔密度就 和冷却速率有很人的关系。 1 2 3 孔洞对铝合金铸件力学性畿的影响 孔洞几乎是铝合金铸件力学性能降低的主导因素，它不仅减少铸件的有效截面积，使金 属材料的强度下降，而且在局部形成应力集中，成为材料断裂的裂纹源，降低材料的韧性 和疲劳抗力。尤其是当气孔呈细长的裂纹状，且大量集中分布在铸件表面层时，危害最大。 对要求承受液压或气压的铸件，若含有缩孔，则会明显降低其致密性嵋9 1 。 t u m e r 锄db d 忸n t1 3 3 】研究了a l - c u m 争s i 合金铸锭的力学性能，并得到了铸件孔隙率与 铸件抗拉强度和延伸率的相关性，如图l - 2 ( a ) 所示；t r n l c n e r1 3 4 j 在研究了孔洞对砂型铸造 3 5 6 一t 6 铝合金力学性能影响，得到了氢含量和铸件孔隙率与铸件抗拉强度及屈服强度的关 系，如图1 2 ( b ) 所示，他们的研究结果显示，随着铸件中孔隙率的升高，铸件的抗拉强度、 延伸率、屈服强度都显著降低。 另外一些研究者发现铝合金铸件抗拉强度的降低与孔洞的平均体积率无关，而与断面上 孔的长度或大小有着密切的联系【3 邓6 】。他们还发现铸件中含有大孔时，相应的拉伸强度的 降低比预测的承载面积的降低大。g r i 伍ne ta 1 【37 】用无损检测技术研究了孔洞对铸造铝合金 力学性能的影响时发现：铸件的抗拉强度、断裂应力以及疲劳强度受尺寸小但数量多的孔洞 影响显著。 7 上学位论文 州g o t 口o s j t r ( a )( b ) 图1 - 2 孔洞对铸件力学性能的影响( a ) 砂型铸造a 1 c u m 哥s i 铸件3 3 1 ( b ) 砂型铸造a 1 s i m g 铝合金阱1 f i g 1 2e f f 已c to fp o r o s i t y0 nt e n s i l ep r o p e n i e so b t a i n e d 五帕m ( a ) c 弱ta 1 c u m 睁s ia l l o y 【3 3 1 ( b ) s a n dc a s ta 1 s i m ga l u m i n i 啪a l l o y 【3 4 】 1 2 4 孔洞的预防 目前最有效的限制铝合金铸件中孔洞的方法是减少铝熔体中的氢含量和增加对凝固收 缩的补缩。减少收缩一般使用补缩冒口。目前有许多除氢技术用来除去熔体中的氢气，其中 最简单的方法就是将熔体保持在一个较低的温度静置一段时间，熔体中的氢含量会降低，这 是自然除气法，但是这种方法在工厂生产中很不经济。大多数高效经济的除氢技术都是建立 在气泡浮游理论的基础上发展起来的。在这些技术中，通入熔体中的惰性或活性气体( a r 、 n 2 、c 1 2 、氟立昂1 2 、s f 6 等或它们的混合物) 将产生大量小的气泡，在这些气泡内，氢的分 压接近于零，在铝熔体与气泡内之间的氢的分压差的驱动下，熔体中的氢将扩散到这些气泡 内并随之上浮到熔体表面，在熔体表面气泡溢出，使得气泡内的氢被排到空气中，从而达到 了除氢的目的p 引。除基于气泡浮游理论的除气技术外，真空除气法也是一种有效的铝熔体 除氢法。这种方法是通过在锅熔体的上方创造真空，从而使溶解在铝熔体中的氢在熔体上方 的真空的“抽吸”下自动地从熔体中析出。真空除气法已被证明不仅在理论上完全可行，而 且在试验中也得到有力的证实：即使在部分真空的情况下，其除气效果就能令人满意【3 们。 但真空除气法的设备比较复杂，直到现在，它仍然没有在工业生产中得到广泛的应用。 1 3 氧化夹杂与孔洞的相互作用 1 3 1 氧化夹杂对铝液吸氢的影响 为了研究氧化夹杂对铝液吸氢的影响，国内外研究人员做了大量的实验。大多数人认 为氧化夹杂的存在会增加铝液中含氢量，s n a u b e p f e i f j 衙减压测氢仪已经证明能用来测定氢 的溶解量和夹杂量的综合效应i 加j 。在通常熔炼情况下，铝液中氢含量中约l o 的氢以氢分 子形式吸附于夹杂物的表面或缝隙中，形成负曲率半径的氢气泡，因此铝液中氧化夹杂物愈 多，所吸附的氢也就愈多，这会使其附近铝液中的氢原子浓度降低，为使体系重新达到平衡， 就必须使铝液中溶入更多的氢原子，这样就增