（材料加工工程专业论文）铝液净化效果检测技术.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 本文使用s g j i 型铝液质量检测仪，研究了在铝液凝固过程中，影响氢气析 出的凼素以及影响铝液致密性检测的因素。研究了电阻在线检测法检测铝液夹杂 物的一些 艺参数。 s g 1 _ i 型铝液质量检测仪是以减压凝固试样密度法为理论基础，通过测试减压 凝固试样的密度，可定量描述铝合金试样的致密性，间接评价铝液的含氢量。减 j k 凝吲试样的密度与铝合会中的含氢量有关，同时受到冷却速度、外界压力、合 会成分等因素的影响。本文研究了外界压力、冷却速度、合金的结晶温度范围、 针：液原始禽氢量对氢气析出的影响，试验结果表明：在相同的外界条件下，较小 的外界几力，较慢的冷却速度，较小的结晶温度范围有利于铝液中氢的析出：而 较大的外界压力，较快的冷却速度，较大的结晶温度范围则不利于铝液中氢的析 出。本文还研究了外界压力、冷却速度对铝液致密性检测的影响，试验结果表明： 侄冷上速度相- j 的条件下，外界压力越小，得到的试样的密度值越小；外界压力 越人，符到的试样的密度值越大。在外界压力相同的条件下，冷却速度越快，得 到的试样的密度值越大；冷却速度越慢，得到的试样的密度值越小。 在使用电阻在线检测法检测铝液夹杂物时，检测系统的电压，检测探头的孔 径能影响检测的精度。本文通过试验，确定了电阻在线检测法检测铝液夹杂物的 最件r 艺参数为：检测系统的电压为6 v ，检测探头的j l 径为0 8 r a m 。 关键词：铝液；在线检测；减压凝固；密度；夹杂 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h ep a p e rr e s e a r c h e d t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c eh y d r o g e ne v o l u t i o nd u r i n gt h e m e l t e da l u m i n u ms o l i d i f i c a t i o na n dt h ec o m p a c t n e s sd e t e c t i o no ft h ea l u m i n u ma l l o y u s i n gt h es g j it y p ei n s t r u m e n to fa l u m i n u ma l l o y sr e f i n i n ge f f e c t i ta l s or e s e a r c h e d p a r a m e t e r so fo n l i n er e s i s t a n c em e a s u r e m e n tt od e t e c ti n c l u s i o n si na l u m i n u ml i q u i d s g j it y p ei n s t r u m e n to fa l u m i n u ma l l o y sr e f i n i n ge f f e c t a i li n s t r u m e n tu s e do n d e t e c t i n gt h ee f f e c to f a l u m i n u mr e f i n i n gb a s e do nt h ed e c o m p r e s ss o l i d i f i c a t i o nd e n s i t y m e t h o d c a nq u a n t i t a t i v e l yd e s c r i b et h ec o m p a c t n e s so ft h es a m p l e ，a n de v a l u a t e dt h e m e l t e da l u m i n u mi n d i r e c t l yb yt e s tt h ed e n s i t yo f t h ed e c o m p r e s ss o l i d i f i c a t i o ns a m p l e ，r h ed e n s i t yo fd e c o m p r e s ss o l i d i f i c a t i o ns a m p l et h a tr e l a t et ot h eq u a n t i t yi na l u m i n u m i n f l u e n c e db yc o o l i n gs p e e d ，s o l i d i f i c a t i o np r e s s u r ea n dd e c o m p r e s ss p e e d t h ep a p e r r e s e a r c h e dt h ef a c t o r st h a ti m p a c th y d r o g e ne v o l u t i o n ，s u c ha sa m b i e n t p r e s s u r e ， c o o l i n gs p e e d ，a l l o y sc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ea n dt h ei n i t i a lh y d r o g e n ss c a l a l t h ee x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h es a m ee x t e r n a lc o n d i t i o n s ，l o w e rp r e s s u r e ， s l o w e rc o o l i n gs p e e da n dn a r r o w e rc r y s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r er a n g ew o u l df a v o rt h e h y d r o g e ne v o l u t i o n ，i n v e r s e l y , b i g g e ro n e sw o u l dh i n d e ri t t h ea m b i e n tp r e s s u r ea n d t h ec o o l i n gs p e e de f f e c t so nt h ed e t e c t i n go ft h em o l t e na l u m i n u md e n s i t yw e r es t u d i e d t o oi tc a m eo u tt h a tu n d e rt h es a m ec o o l i n gs p e e d ，l o w e rp r e s s u r ew o u l dl e a dt os m a l l e r s a m p l ed e n s i t y ；u n d e rt h es a n l ep r e s s u r e ，f a s t e rc o o l i n gs p e e dw o u l dl e a dt ob i g g e r s a m p l ed e n s i t y i nt h ep r o c e s so fd e t e c t i n gm o l t e na l u m i n u mi n c l u s i o n sb yo n - l i n er e s i s t a n c e m e a s u r e ，i ts h o w e dt h a tt h es y s t e mv o l t a g ea n dt h ed i a m e t e ro ft h ep r o b ei n f l u e n c et h e a c c u r a c y t h r o u g he x p e r i m e n t s ，b e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eb e e ng a i n e d ，t h a t6 v d e t e c t i n gs y s t e mv o l t a g ea n do 8 m mp r o b ed i a m e t e rw o u l db ea p p r e c i a t e d k e yw o r d s ：a l u m i n u ml i q u i d ；o n l i n em e a s u r e m e n t s ；d e c o m p r e s ss o l i d i f i c a t i o n ； d e n s i t y ；i n c l u s i o n s 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：i 罗峰 日期 ：砷年j 月2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理上大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学几丁以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：罗峰 日 期：砰岁- z 7 塑导教师签煮：童矿茜弓 日 期：刎；吻 第1 章前言 第1 章前言 1 1 在线检测技术概述 。 铝的来源广，比重小，塑性高，并具有良好的导电性，导热性和抗腐蚀性。 纯引中加入其它金属或非金属元素所熔制的铝合金是一种性能优异的合金材料， 由于具有比重小、强度高、热膨胀小、耐腐蚀、力学性能高、具有良好的铸造性 能等系列优点，因此被广泛用于航空工业、汽车制造业、动力仪表、工具及民 用器具制造等方面【”。近年来，随着航空航天、汽车等领域的发展，铝铸件的需求 不断扩大，同时对铝铸件性能的要求也越来越高。 然咖，在铝铸件的生产过程中，气7 l 年i j 夹杂这两种缺陷却严重影响了铝合会 产品的质量【2 】，从而使铝铸件的应用范围受到了一定的限制。洁净的液态金属是获 得优质铸件的保证和前提，相关资料显示，污染铝熔体的杂质主要有三类：溶解 的氢，非金属夹杂和不需要的碱或碱土金属【3 】o 近年来的研究表明，铝熔体中的氢 - l 央杂和疏松之问存在极强的交互作用，并对铸件的力学性能和可靠性产生较大 损害【4 】o 在铸造生产中，浇注前的合金液质量的优劣直接影响到铸件的质量，在保证 合金成分、浇注温度的前提下，炉前检测是控制熔炼工艺，保证铸件质量的重要 手段。近年来，铝液精炼技术发展迅速【5 】但炉前检测技术却一直发展缓慢，在浇 注前始终没有一种快速、操作简单方便的检测手段。炉前检测主要包括测氢、夹 杂检测等。目前的检测技术多采用离线方法和定性的分析方法，往往受到人为因 素的影响，无疑给生产带来很大的不确定性，很难满足铸造生产炉前快速检测和 质量控制的要求，很难成为科学的评价标准。因此，研究和开发铝液精炼在线检 测技术具有重要的现实意义。 1 2 在线检测技术方法 铝液精炼效果的检测包括测氢、测夹杂物以及变质效果的检测等，本文主要 对铝液的测氢、测夹杂物的检测进行阐述。 沈阡1 理工大学硕士学位论文 l2 l 铝液含氢量的检测 铝液除7 t 效果的在线检测，目前常用的主要有以下几种方法：减压凝固试样 泫、第气泡法、减压凝固试样密度检测法、各种型号的测氢仪。 1 2 1 l 减压凝固试样法 减瓜凝同试样法是将1 0 0 9 左右的铝液浇到坩埚内，在0 6 5 6 5 k p a 压力下 凝，通过观察试样表面凸起情况来判断铝液的含气量f 6 】。认为表面不凸起，则说 1 9 j 含氰遥低，净化效果好；反之，则净化效果不好。 但是这种方法只能进行定性分析，对操作者的现场经验有较高要求，受夹杂 的影响较大，易误判，不能进行定量分析，很难成为科学的评价标准。而且，对 r 结晶温度范浏比较宽的合金( 含硅量小于6 的铝硅类合金和铝铜、铝镁类合金 葛j h 难脱察剑气泡的析出。对于一般的铝铸件的生产，采用这种方法可以满足 要求，而对于大批量、连续生产则达不到检测精度。 1 2 1 2 第一气泡法 第一气泡法是由d a r d e l 在2 0 世纪4 0 年代末提出来的，它是根据铝液表面冒 出第个气泡时的温度、压力来确定含氢量的。测量时，将少量熔融铝液放入一 保持一定温度的炉子内，密封后开始抽真空，随着压力的缓慢下降，气泡将生成， 当第1 个气泡从表面上出现时，记录此时的压力和温度，然后从线图上找出对应 的含氢量【7 i 。 此法虽快，但因气泡的出现与夹杂、试样凝固速度、有无震动等因素有关， 所以薰复性不高。另外，合金中的易挥发元素( 如m g 、z n 等) 的蒸气极易干扰 判断：且低氢铝液析出的气泡极小，肉眼很难判断。因此测定结果受主观因素影 响较大【引。 1 2 1 3 减压凝固试样密度检测法 碱压凝固试样密度检测法最初是由r o s e n t h a l 和l i p s o n 提出的f 9 l 是一种简 便、快速的炉前检测铝合金试样的致密性和间接评价铝液含氢量的方法。它是基 于减压凝固试样法发展起来的一种检测方法，承接了减压凝固试样法的全部优点， 克服了减压凝固试样法对操作者的现场经验要求较高，不能进行定量分析的缺点， 存减压凝固试样法定性分析的基础上，通过密度值的分析。给出定量的评价标准， 对铝液净化效果的评价基本准确，可靠性和稳定性较高，重现性大于9 0 ，操作简 2 一 第1 章前言 单、方便。 其检测方法是，取1 0 0 9 左右的铝液倒入预热的小坩埚内，随即将小坩埚迅速 放入真空室中，并立即开动真空泵抽出真空室内的空气，使铝液在真空条件下凝 固。试样完全凝固后，通过测量其在空气中和水中的质量，可得出其密度值，并 与标准密度值对比，即可完成检测。 1 2 1 4 各种型号的测氢仪 目前国内外常用的测氢仪有h y s c a n 测氢仪、h d a 在线式测氢仪、e l h i i i b 测氢仪、t e l e g a s i i 型测氢仪等。此类测氢仪多是基于循环气体法原理发展而来的， 其主要原理是使氮气或者是氩气通入铝熔体中，利用压差使氢气扩散到氮气或是 氩气气泡中，经过一段时间后，气泡内的氢分压达到平衡，然后通过热导析气仪 测出铝液中的平衡氢分压，最后按s i e v e r t s 定律计算出铝液中氢的浓度”】。 这类测氢仪从基本原理上是完全可行的，但是在测试过程中测试所需达到的 ，f 衡受氢4 质系数影响，对低氢铝液测试时间较长，偏差略大。且惰性气体进 入铝液，客观上对探头附近的熔体起到了局部除气的作用，导致实测结果和铝液 真实含氧量之间有一定的误差。另外，这类测氢仪一般价格昂贵，探头价格高 闷易热脆。 1 2 2 夹杂物的在线检测 目6 u 国内外采用的夹杂物的在线检测方法主要有超声波法、p o d f a 法、 p r e f i l f o o t p r i n t e r 法、l i m c a 法等。 1 2 2 1 超声波法 超声波法的基本原理是当超声波脉冲传入铝液后，其能量能被铝液中的夹杂 物所耗散，然后对比铝液传回的反射波，即可了解铝液中夹杂物的状况。其装置 如图1 1 所示。压电晶体所产生的超声波信号经过发射器发射到铝液中，当遇到夹 杂物时由于夹杂物要吸收部分能量，使得接收器接收到的反射信号能量降低。 根据对比示波器上所显示的发射信号和反射信号，即可测定这个过程的振幅损失， 从而可计算出夹杂物的数量和大小【1 4 1 。 此法检测夹杂物的速度较快，但其所能检测出的夹杂物的大小受超声波发射 功率所限制，目| j 仅能检测出尺寸大于6 0 , a m 的央杂物【”】。 - 3 一 沈刚理工大学硕士学位论文 图1 1 超声波检测法 1 2 2 2p o d f a 法 p o d f a 法实际上测量的是铝液通过一个超细石墨过滤盘的时间。在容器抽真 卒的情况下，靠大气压力通过一定量的铝液所需的时间多少和铝液中含央杂物的 多少有关，即夹杂物的含量越多，通过时间越长；夹杂物含量越少，通过时间越 短。另外，也可对过滤后的石墨盘进行分析，其上所滞留的夹杂物的大小及多少 也可说明钒液的清洁度【1 6 1 。 这种方法检测速度较快，但是只能作为种定性的分析，无法得到定量的结 果，精度较低，无法建立比较精确的检测标准。 l2 2 3p r e f i l f o o t l c t i n t e r 法 p r e f i l ，f o o t p t i n t e r 法检测夹杂物的原理是在严格的条件下通过压力过滤使液态 钳：通过细孔陶瓷圆片。测试结果是过滤出去的金属质量与时间的关系曲线，该曲 线卉。3 分钟内即可在计算机屏幕上显示出来。根据该曲线的斜率，与给定的合金、 尘产工艺或阶段的标准铝液夹杂水平相对比即可确定夹杂物的含量。斜率越大， 央杂物含量越少【1 7 】。其检测装置如图1 2 所示。 此法的测量过程由三个阶段组成，首先将底部有多孔陶瓷圆片的坩埚预热并 放入瓦力室叶f ，放勺铝液于坩埚内，关上盖，打开加压开关。然后当铝液温度 降剑觇定值时系统在坩埚内施加一恒定压力迫使铝液通过过滤圆盘。与计算机相 连的负载测量装置记录下过滤出的金属质量与时间的关系，并即时显示出来。测 量结束后，压力室压力自动降低，计算机自动保存有关数据i i s 】。 此法测量央杂物速度较快，但其需要取样，受人为因素影响较大，导致其检 测精殷难以保证【1 9 i 。 正 第1 章前言 图1 2p r e f i l f o o t p r i n t e r 法检测系统 1 2 2 4l i m c a 法 这种检测方法可以测出大于1 5 2 0 , t i m 夹杂物的浓度和尺寸分布。此法主要是 娆抛f 乜敏感区原理i i 二作，在两个浸于金属液中的电极问通有恒定的电流，两个电 微被个绝缘试样管所分丌。管壁丌有一个0 1 1 m m 的小孔使熔体通过，当绝缘 性的央杂通过这个敏感区小孔时改变了孔径的尺寸，引起了电阻的变化，从而产 生一个电压脉冲信号，通过分析这个脉冲信号的变化即可测得夹杂物的浓度和尺 寸i 加i 。其检测系统如图1 3 所示。 采用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的l i m c a 系统不仅记录电压脉冲的 岛度，例时还记录脉冲起始斜率、终了斜率、达到峰值时间、整个脉冲时间长度、 每个脉冲的起始和终了时间等6 个参数，更加便于分析和判断铝液中夹杂物的含 爷情况。而d s p 技术与模式识别技术的结合，使检测系统可自动分析夹杂粒子在 通过电敏感区过程中产生的电压脉冲，以便将微孔气泡与夹杂区分开来，提高了 枪测系统的精度。 l i m c a 法的主要特点是检测快捷，能在1 分钟内测出铝液的夹杂物含量，它 几乎能连续监测铸造过程中铝液洁净度的变化情况，且能排除微气泡的干扰，并 且能测量小至2 叽m 的夹杂物【2 l l 。 一5 一 沈阳理工大学硕士学位论文 图13l i m c a 法检测系统 1 3 论文研究的目的和内容 本文研究的主要目的是研究在铝液凝固过程中，影响气泡析出的因素，并研 究这此冈素对铝液致密性检测的影响；试验电阻在线检测法检测铝液中夹杂物的 灵敏度，并研究检测系统的一些工艺参数。 减压凝固试样密度检测法的具体研究内容如下： ( 1 ) 外界压力对氢气析出及铝液致密性检测的影响。在其它条件相同的情 况下，分别使铝液在不同的外界压力条件下凝固，制取试样。待试样完全凝 心后，先测量出其密度，再将其剖歼，研究剖面针孔的数量和孔径大小与外 界压力变化的关系以及试样密度值大小随外界大气压力变化的关系。 ( 2 ) 冷却速度对氢气析出及铝液致密性检测的影响。在其它条件相同的情 况下，分别使铝液在相同外界大气压不同壁厚坩埚中凝固，制取试样。待试 样完全凝固后，先测量出密度值，再将其剖开，研究剖面针孔的数量和孔径 大小与冷却速度快慢的关系以及试样密度值大小随冷却速度变化的关系。 ( 3 ) 结晶温度范围对氢气析出的影响。使用结晶温度范围不同的三种铸造 l j 合会，在熔炼：【艺和外界压力相同的条件下，分别浇注于同一壁厚的坩埚 中，待其完全凝固后，将其剖开，研究剖面针孔的数量和孔径大小与不同结 6 第1 章前言 晶温度范围的关系。 ( 4 ) 铝液含氢量对氢气析出的影响。使用同一炉铝液分别精炼3 分钟、5 分钟、7 分钟后，浇注于厚壁钢坩埚和耐火砖坩埚中，在外界压力分别为 0 1 m p a 和o o i m p a 的条件下凝固。待完全凝固后，将其剖开，研究剖面针孔 的数量和孔径大小与铝液原始含氢量的关系。 电阻在线检测法的具体研究内容如下： ( 1 ) 确定检测系统的合适电压。在保持检测系统其它条件不变的情况下， 使用同一检测探头，改变检测系统的电压为3 v 、6 v ，分别检测同炉未经 精炼的铝液，记录下系统电阻的变化并研究系统电阻的变化同检测系统电压 的变化关系，确定出检测系统的合适电压。 ( 2 ) 确定检测探头的合适孔径。在保持检测系统其它条件不变的情况下， 使用上步试验中取得的检测系统的合适电压，改变检测探头的孑l 径，分别检 测同一炉未经精炼的铝液，记录下系统电阻的变化并研究系统电阻的变化同 榆测探头孔径的变化关系，确定出检测探头的合适孔径。 ( 3 ) 对上述两种参数的验证。使用上述试验中得到的合适系统电压和检测 探头，分别检测同一炉精炼前后的铝液，记录下系统电阻的变化并研究铝液 精炼前后系统电阻的变化差异，验证得出的合适电压和检测探头对铝液夹杂 物的检测是否灵敏。 - 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章净化效果检测的基本原理 2 1 铝液中氢及夹杂物的来源 2 1 1 铝液中氢的来源 钉j 熔体中的氢主要来自以下几个方面【2 2 1 ： l 、水气。主要来自如下三个方面： ( 1 ) 炉气； ( 2 ) 未经充分干燥的炉料、精炼剂、覆盖剂、变质剂； ( 3 ) 未纶允分干燥的炉衬、坩埚和工具上的涂料，残留在坩埚、工具和炉料上 的含水熔荆。 氧卡要以原子态进入铝熔体，其反应式如下： 3 h 2 0 g ) + 2 a l o ) a 1 2 0 3 ( s ) - - 6 l h l 2 、油污。会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7 i i 成氲： 4 m a l + 3 c m h n - - m a l 4 c 3 七3 n l 嘲 3 、炉料上带有的含水腐蚀物，如a 1 2 0 3 3 h 2 0 ，a 1 2 0 h 2 0 及a i ( o h ) 3 。腐蚀 物受热分解，释放出水，其水气与铝反应生成氢。氢仍以原子态进入铝熔体： a b 仇n t f 2 0 - - a 1 2 0 3 + n h 2 0 ( g ) 2 a i ( o h ) 3 a l2 0 3 + 3 h 2 0 ( g ) h 2 0 西- - * 2 h j + o 4 、铝合金中的元素。含镁铝合金由于还发生下列反应，更容易析出氢： h 2 0 i 雷m g - m g o + 2 h 以上为刽熔体中氢的主要来源，此外，镁、钠、锂等元素可以破坏铝熔体的 表面的氧化膜，使活性氢原子更容易进入。而一些形成氢化物的元素，如钙、钛、 锂、铯等金属元素均能强烈地扩大氢在铝液中的溶解度i 矧。 2 1 2 铝液中夹杂物的来源 锅液中的夹杂物主要是指非金属氧化夹杂物，它一部分来源于炉料，而大部 分是仵熔化和浇铸的过程中形成的，根据夹杂物在熔铸过程中形成的时间，可以 8 第2 章净化效果检测的基本原理 分为一次氧化央杂物和二次氧化夹杂物【矧。通常将铝液在浇铸前的熔炼过程中所 形成的夹杂物称为一次氧化夹杂物，一次氧化夹杂物按其形状可以分为两类：一 类是宏观组织中分布不均匀的大块夹杂物，这类央杂物，使合金组织不连续，降 低了上件的气密性，成为腐蚀的根源，明显降低了合金的强度和塑性，也往往成 为每什的裂纹源；第二类央杂是指细小的、弥散的夹杂物，即使经过仔细净化也 4 ：能全除去，它使金属液粘度增大，降低凝固时铝液的补缩能力，易造成铸件的 明显微缩孔。当结晶速度缓慢时，第二类氧化夹杂物被成长的晶粒推向晶界，阻 碍了d 粒的长大，这也是工业纯铝晶粒较细，超高纯铝晶粒较粗大的原因之一。 次氧化必杂物是在浇铸、充型过程中形成的，铝液在浇道中的飞溅和紊流，是 次氧化央杂物形成的主要原因。 铝及铝合金在熔化过程中和炉气中的0 2 、n 2 、h 2 0 、c 0 2 、c o 、c 。h 。等相接 触时，将会发生各种反应【2 6 】： 4 a t a ) 斗3 0 2 移呻2 a 1 2 0 3 ( s ) 2 a l 七n 2 i 曲j 2 a i n ( s ) 4 a l + 3 c 0 2 曲_ a t 2 0 3 ( s ) + 3 c s ) 2 a l a ) + s c o ( g ) 越3 t s ) 七3 c ( s ) 4 a t a ) + 3 c h 4 ( g ) m 3 s ) + 1 2 l 硒 2 a l o ) + 3 1 - 1 ：0 m 2 0 3 ( s ) + 6e h 扶以上反应式中可以看出，大部分反应生成物都是4 b 0 3 。a 1 2 0 j 的化学稳定 性极高，熔点高达2 0 1 5 。c 1 5 c ，在铝熔体中不再发生分解，是铝熔体中主要的 氧化央杂物。 以 = 为铝熔体中氧化夹杂物的主要来源。此外，铝合金中的硅、铜、锌、镁 等都会不同程度的增加铝熔体中a l e o j 夹杂物的含量口7 1 。尤其是镁，其在熔炼过程 中会优于铝被氧化生成疏松的m g o 薄膜，对铝液失去保护作用，增加铝熔体内部 的氧化夹杂物。 2 2 氢及夹杂物对铝铸件的危害 2 2 1 氢对铝铸件的危害 铝合金生产实践证明【2 8 ，氢是唯一能大量溶解于铝或铝合金熔体中的气体， - 9 - 沈阳理f ：大学硕十学位论文 是导致铝合会形成气孔的主要原因，是铝合金中危害最大的气体。在铸件凝固过 稃中由于氧的析出而产生的气孔，不仅会减小铸件的有效工作断面，使铝铸件的 强度卜降，使铸件在局部形成应力集中，成为铸件断裂的裂纹源，还会降低铝铸 什的韧性、疲劳抗力和力学性能，严重时可能致使铸件报废。对要求承受液压或 气爪的铸件，若含有气孔，则会明显降低其致密性。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。 形状不规则的气孔则会增加缺口敏感性使铸件的强度下降，降低铸件的疲劳 强度。弥散性气孔使铸件组织疏松，降低铸件的气密性。以固溶体形式存在的气 体，虽然危害较小，但也会降低铸件的韧性。在一定条件下，从固溶体中析出的 氧7i 馊t 5 口问形成须状裂纹。而在合金液凝固时析出的气体，不仅使合金液的流 动性降低，而且由于气体的反压力，阻碍了金属液的补缩，形成浇不足、缩松等 缺5 f j 【2 9 i 。 2 2 2 夹杂物对铝铸件的危害 会属央杂物的存在给铝合会铸件的性能及其可靠性带来极大的危害性，主 要表现在以下几个方面：( 1 ) 增加了铝熔体的黏度，导致熔体流动性下降，促进 疏松等铸造缺陷的形成，降低了铝合金的铸造性能；( 2 ) 夹杂物和气孔的存在为 铸件提供了裂纹源，很容易造成应力集中，严重恶化零件的力学性能，造成产品 的甲期失效，给铸件的可靠性带来极大的危害【3 0 1 ；( 3 ) 夹杂物的存在还破坏了基 体的连续性，为疲劳裂纹的萌生提供核心，并影响裂纹的扩展过程，从而降低零 件的疲劳抗力；( 4 ) 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，增加加工时和刀具的摩擦损耗，也提高废品率和产品成本【3 1 1 。( 5 ) 火杂影响气体的去除。由于夹杂和氢的相互作用，使得夹杂的存在成为气体难以 上除的关键州：限制因素，只有去除杂质，才能消除去氢障碍及防止铝液增氢f 3 2 】。 2 2 3 铝液中氢和氧化夹杂物的关系 铝液中的氢与夹杂物的存在密切相关，氧化夹杂物对铝液中氢的影响主要体 现在： ( 1 ) a 1 2 0 3 膜是水汽和氢的良好载体，加剧铝液吸氢；( 2 ) 氧化夹杂物吸 附锚液中的氢，因而增加铝液的含氢量；( 3 ) 氧化夹杂物的存在，阻碍铝液脱氢； ( 4 ) 氧化央杂物的存在，促使铝液冷凝时易于析出针孔缺陷【3 3 】。 - 1 0 - 第2 章狰化效果检测的基本原理 至于氧化夹杂物和氢的相互作用机制，文献【3 4 】认为可以用“寄生机制”来阐 明，即夹杂物吸附着气，气体寄生于夹杂物。在夹杂物的表面或周围，由于氢的 浓度起伏，引发出非平衡状态的不稳定的微观富氢区，其中某些氢的富集小区会 借助于兴杂物一氢之间形成的综合聚集力场( 诸如：接触电势场、静电力场、吸附 力场、化学能和物理能等) 的作用下，直接地或间接地 矗= 匕+ 匕+ 百2 0 ( 2 - 4 ) 式中： 名，一气泡中氢的压力，k p a ； 一作用在气泡上的外压力，k p a ； 吃_ - - 一铝液上方炉气或型腔内的压力，k p a 只一作用在气泡上铝液柱的静压力，k p a ； 只= o n y ( 2 5 ) h 一气泡上铝液柱高度，c m ； y 一铋液重度g c m 3 ： 盯一铝液的表面张力，d n c m ： r 一气泡半径，c m 。 随着含氢量的降低，导致铝液中平衡压力减小，在某一熔池深度h 的铝液， 存，时有n ，= p 扑，在h 以下的铝液中，则已不能产生气泡。此时氢的极限浓度 c ? ，叮朋卜，式表示： g = k 扛- + u l 缈+ 百2 a ( 2 6 ) 中，k - 常数。 n 深度h 以下的铝液中，氢只靠扩散析出，到f 。时，氢浓度到达到平衡值， 脱氢结束。 由于铝液中总存在氧化夹杂物，成为气泡的现成核心，丝r 可忽略不计，式 ( 2 - 6 ) 可简化为： c = 足匕+ o 1 h y ( 2 7 根据式( 2 - 7 ) 可得出如图2 3 所示的关系图。图中阴影区域内铝液中含氢量 既高于平衡状态含氢量，又高于g ，因而在此区域内将析出气泡。在阴影线区域 f 方，铝液深度h 增大，g 随之增大，铝液中含氢量低于g ，不能产生气泡，但 第2 章净化效果检测的基本原理 仍高于平衡状态含氢量，将通过扩散脱氢直至t 。时，铝液中含氢量趋于平衡值 脱氧也就逐渐终止了。 e 一 蜊 隧 爱 妊 崔 墨 等毓罐fm l 叫l i f _ n 麟彩 t 彤j ；! 酾鱼气， z 懒二j 粤劈磐豸 3 0 戳7 澎 臆 7 孑 7 散析：乜k 蒡影 、一p _ = 1 3 3 3 p a ：2 - - p 2 1 3 3 3 2 p a ；3 - - p w 。1 3 3 3 2 p a i 璺| 2 37 0 0o c 时炉气压力r 的铝液中气泡存在的极限深度 ( 2 ) 氢在铝液中向气泡核及熔池表面的迁移 锚液中形成气泡核之后，由于存在压力差，铝液中的氢自动向气泡核迁移， 当气泡长大到一定临界尺寸时就自动向熔池表面运动，这是脱氢过程的又一个阶 段。 虽然氢在铝液中的扩散系数比合金元素在铝液中的扩散系数高2 4 个数量 级，但在铝液脱氢过程中这却是一个限制因素。 氧化央杂明显降低氢的扩散系数，铝液中的合金元素如硅、钛、镁、铜等都 降低氢在铝液中的扩散系数。特别是当铝液中存在强烈吸附水汽、氢的氧化夹杂 物时，氢的扩散速度将明显下降，从而阻滞了铝液的脱氢。 铝液中熔池底部向表面形成定向运动，能有力地促进铝液中氢向气泡核迁移， 加人氖的扩散速度，促使气泡快速生成、长大的同时，快速上浮熔池表面，从而 可大大加快脱氢速度，提高除气效果。 ( 3 ) 气泡透过相界面的逸出 铝液中氢气泡透过相界面( 表面氧化膜) 逸出，这是脱氢过程的最后阶段。纯 钳液的表面氧化膜组织致密，强度相当高，成为脱氢的限制因素。因此，气泡从 一1 7 沈刚理工大学硕士学位论文 | 】l j 液中逸入大气的速度取决于铝液和大气的相界面，首先取决于在相界面上存在 的氧化膜。合金元素影响氧化膜的组织，增加透气性，能促进铝液的脱氢。而真 。l 处胖时，在铝液上覆盖一层熔剂，致密氧化膜便被熔入到熔剂中，能使除氢速 度明显提高。 当然，溶于铝液中的原子态的氢也可以不通过气泡而直接向铝液面上方的气 扎i 迁移。然而这种直接迁移的路径长，并因铝液( 特别是纯铝液) 表面存在一层如 ：所述的致密的表面氧化膜，使得这种迁移难以进行。 如果铝液中存在或人为地加入惰性气泡( a r 、n 2 等) 或不溶于铝液的活性气 泡( c 1 2 、c 2 c 1 6 、c 2 c 1 4 等) ，则溶于铝液中的氢可直接向这些初始无氢的气泡中迁 移，其刈i 意图如图2 4 。随后，这些进入气泡中的氢，便随着气泡在铝液中向上浮 游向逸出钳液。 图24 铝液中的氢向外来的惰性或活性气泡迁移示意图 2 4 凝固过程中氢气析出的影响因素 铝液在冷印和凝固过程中，因氢气在铝液中的溶解度下降，会自动向外界析 出，但受某些因素影响时，析出的气体会来不及排除，铸件也会由此产生气孔。 据令属凝固过程的气体溶质再分配规律可见 3 9 1 ，影响氢气析出的主要因素有：铝 液原始含氢量、凝固速度、结晶温度范围以及外界大气压力。 2 4 1 铝液含氢量对氢气析出的影响 铝液不同的含氢量对其凝固过程中氢气析出的影响也是不同的。由于铝合金 1 8 一 第2 章净化效果检测的基本原理 住凝固点的氢气溶解度一定，如果凝固时液态铝合金中含氢量过高，氢气的析出 量就会增大，产生氢气泡的数量也随着增多，则凝固后未被及时排出铝合金表面 的氢气泡产生的概率也就越大【帅1 ，铸件中形成的针孔数量也相应的增多。 2 4 2 凝固速度对氢气析出的影响 罔25 为同一浇注条件下，同一炉铝液分别浇注到湿砂型和金属型中所得到的 铸件断面的气孔宏观照片【4 l 】。很明显，浇注到金属型中的试样断面没有气孔，而 湿砂型中的试样断面气孔很明显。将其再熔化后，分别在相同温度、相同保温时 间( 即测试条件相同) 的条件下测试它们的氢含量和断面气孔率，结果如表2 1 所 7 i i 。 ab 幽2 5 同一铝液在不同铸型中凝固的试样断面照片( a 金属型b 砂型) 表2 1不同铸型中制得的炉料熔化后的氢含量 金属模湿砂模 气孔率( ) 0 1o 7 8 氢含量( m 1 5 k g ) l ，71 3 从表2 1 可以看出气孔多、气孔率高的试样其氢含量反而少。这是因为铝液在 湿砂型和会属型中的凝固速度不相同。金属型凝固速度很快，因此铝液在金属型 中凝固时，绝大部分的氢来不及形成气孔或以其他形式析出，只能以固溶的形式 存在丁铸锭中；而湿砂型的凝固速度相对较慢，铝液凝固时，一部分的氢以固溶 形式存在，另一部分氢则以气孔的形式存在于试样中。 2 4 3 结晶范围对氢气析出的影响 结晶温度范围大的合金由于凝固区域宽，液态铝液的过冷很小，其凝固过程 足j 42 j ：在凝固区域中靠近固相前沿的地方首先形成一批小晶体，这些先形成的晶 1 9 沈目f 理 i 大学硕十学位论文 体中合龠元素比平均含量低很多，“多余”的合金元素被推侄4 周围液体中，使这部 分液体的凝【! ! 丑点降低，晶体成长暂时停止。但由于铝合金凝固区域宽，此时在富 溶质层的后边又立即形成一批晶体，这第二批晶体又被富溶质液层包围而停止生 长。十是又形成第三批、第四批小晶体，如此继续下去，小晶体很快布满整个凝 吲l x 域。这个过程进行得很快，甚至可以看作是在整个凝固区域里的各处同时在 形成小晶体。但是，由于铝合金凝固区域宽，铝液的过冷很小，晶体的总数并不 多，因此，这些小晶体很容易发展成为树枝状的等轴晶，并且很快连成一片。 当粗大的等轴晶互相连接以后( 固相大约占7 0 时) ，剩余液相就被树枝晶所 封闭，这时被封闭的液相体积通常是很小的，即可以认为液相中气体浓度是均匀 的。液相被圭闭后，再继续结晶时，剩余的液相中氢气浓度将不断增加，后结晶 的吲相中气体浓度也相应不断提高，凝固后期的液、固相中气体析出压力也不断 lj 人，剑结d 术期将达到最大值。这时枝晶间产生的微观缩孔就给氢气析出创造 了有利条件，这时因为缩孔在初期处于真空状态( 即补缩通道被阻塞) ，从而使合 命中过饱和的氢气析出而形成针孔。 结晶温度范围越大的铝合金，枝晶封闭液相的时间也就越早，最后凝固的液 + 1 1 t t 7e 体浓度就越大，产生气孔的可能性也就越大。 2 4 4 外界大气压力对氢气析出的影响 根掘式( 2 - 4 ) ，对于单个气泡来说，在某个确定的位置时，作用在其上的铝液 札静j j ! 力厶和表面附加压力2 0 - r 恒定，则影响气泡内氢分压的因素只有外界大 7l j 、。降低锚液凝蚓时的外界大气压，气泡内氢的压力也随之降低。根据理想气 体状态力程，在温度相同的条件下有： p n = p 2 ( 2 - 8 ) 上式中，可认为j p ，是未改变外界大气压力时气泡内氢的压力，乃是此时气泡 的t 奉积：n 是降低外界大气压力时气泡内氢的压力，坎是此时气泡的体积。 u j 以看出当p ， p 2 时，有n r e ，即降低铝液凝固时外界大气压。析出的氢 气泡的体积会相应增大。在铝合金凝固过程后，未及时排出而留在铸件中而形成 的气i l 体积也比较大。另外，通过这一原理，也可以将改变其它影晌因素时的实 验结粜作放大处理，而使得实验结果更加便于观察。 综t 所述，氢气在铝合金凝固时的析出过程是一个多影响因素的复杂过程， 2 0 第2 章净化效果检测的基本原理 要受到铝液含氢量、凝固速度、结晶范围、外界大气压等因素的共同影响。这些 因素决定着铝合会铸件凝固后的综合质量及其力学性能，因此本课题也是通过人 为控制和改变这些因素而进行试验研究。 一2 卜 沈日i 理i ：人学硕十学位论文 第3 章铝液致密性检测影响因素的试验 3 1 减压凝固试样密度法测氢的基本原理 减压凝固试样密度法其检测原理与真空除气的原理相同。在负压下，溶解在 铝液中的氢会以气泡的形式析出。因为气体的溶解度s 与该气体分压p 之问的关 系符合s i e v e r t 定律【4 3 】： s ：足万( 3 - 1 ) 式中k 为常数。由于在真空的条件下，式( 2 - 4 ) 中的巴趋于零，则p 也跟 着减小，气体溶解度s 也将减小。则原本溶于铝液中的氢就处于过饱和状态，具 有析出的趋势。即反应： h 2 2 h 】 将向着形成氢气的方向进行。此时的气泡较易生成，也较稳定，并且容易上 浮析出液面。铝液含氢量越高，则此时析出的气泡数量就越多，形成的气泡体积 也越大。 但是在减压凝固密度法测试中，只的减小需要一定的时间，同时试样在这段 时间内凝固。当匕达到一定值时，试样中析出的氢能否从试样表面逸出就要看试 样表面是否凝固以及合会的结晶温度范围的大小：表面凝固慢，结晶温度范围小 的合会固液界面前沿析出的氢从表面逸出的数量多；反之，表面凝固快，结晶温 度范围大的合金固液界面前沿析出的氢从表面逸出的数量就少。所以减压凝固密 度测试试样的密度受到冷却速度和真空室内减压时问的影响，当铝液含气量很少 的时候，有的试样可以观察到气泡的逸出，而对于表面凝固快、合会结晶温度范 围宽的试样则不易观察到。 综上分析，如果调节铝液的冷却条件，改变铝液的凝固速度，并与适当的减 压条件相配合，凝固后，就能使原来溶解在其中的气体还原成气相后仍保留在试 样中，并以气孔的方式存在，再通过计算试样的密度和观察试样剖面的针孔度情 况，就能了解铝液中含氢量的情况【4 4 1 。 - 2 2 - 第3 章铝液致密性检测影响因素的试验 3 2 试验条件及方法 3 2 1 试验条件 试验设备采用基于减压凝固试样密度法原理自行研制的s g j i 型铝液质量检 测仪( 如图3 1 ) 、工业电阻炉、三个不同壁厚的不锈钢坩埚、一个耐火砖坩埚、 e “m 4 的s g 1 1 型铝液精炼机以及小口浇勺、坩埚夹、除渣漏勺、敞口浇勺、钳 子、温度表等工具。 图3 1s g j i 型铝液质量检测仪 本试验选用z l l o l 、z l l 0 2 、z l l 0 5 合金进行试验，其成分如表3 1 所示。 表3 i 试验用合金的主要成分 主要元素( ) 合金成份 s jc u m g a l z l l 0 1 7 ，0 o 3 5 余量 z l l 0 2 1 2余量 z l l 0 55 01 2 50 4 8 余鼍 3 2 2 试验方法 本试验所浇注的铝液均采用同一熔炼工艺，或使用同一炉的铝液，原始含氢 帚基本致，室温不变，铝液的浇注温度为7 2 0 。c 7 3 0 c ，三个不同壁厚的不锈 钢坩埚的预热温度为1 5 0 c 。 3 2 2 1 外界大气压力对氢气析出及铝液致密性检测影响试验方法 对于外界大气压力对氢气析出的影响采用的试验方法如下：将熔炼好的z l l 0 1 合会，在其它条件不变的情况下，分别在o 0 0 2 m p a 、o 0 1 m p a 、0 0 3 m p a 、o 0 5 m p a 、 2 3 - 沈阳理工大学硕士学位论文 00 7 m p a 、0 1m p a 的外界压力条件下浇注于三个不同厚壁的不锈钢坩埚和一个耐 火砖坩埚内，其中厚壁坩埚的壁厚为5 g m m ，中等壁厚