A356.2鑄造鋁合金鑄錠內(nèi)針孔缺陷的控制分析

秦頤鳴，馮恩浪，趙茂密，陳貞南，蘇積波

（吉利百礦集團有限公司，廣西 百色 533000）

鋁合金材料帶有輕質(zhì)、可塑性強、強度高等優(yōu)點，在重要金屬零部件生產(chǎn)中時常得到運用。但實際在鑄件生產(chǎn)加工過程中，容易產(chǎn)生針孔缺陷，影響鑄件加工質(zhì)量。而A356.2為常見鋁合金材料，加強對A356.2鑄造鋁合金鑄錠內(nèi)針孔缺陷分析，提出有效控制措施，能夠提升鋁合金鑄件制作技術(shù)水平，實現(xiàn)零部件的高效生產(chǎn)。

1 鑄錠內(nèi)針孔缺陷概述

在鋁合金鑄件鑄造過程中，鑄錠內(nèi)針孔為難以規(guī)避的技術(shù)缺陷。按照產(chǎn)生機制，針孔缺陷可以劃分為遺傳型、侵入型和析出型，需要根據(jù)類型采取相應(yīng)控制措施。從總體上來看，針孔缺陷產(chǎn)生主要由兩方面因素引起，一是澆鑄溫度過高造成金屬液凝固時間過長，在緩慢冷卻過長中容易析出分散性針孔，這類針孔多帶有渣[1]。另一類與工藝生產(chǎn)過程中操作不嚴謹密切相關(guān)，如未對邊角料、廢料等回爐料預(yù)熱，將導(dǎo)致針孔產(chǎn)生。此外，采用爐內(nèi)精煉配合爐外在線除氣工藝，鋁合金液可以達到初氣、除渣效果，有效預(yù)防針孔缺陷的發(fā)生。

2 A356.2鑄造鋁合金鑄錠內(nèi)針孔缺陷分析

2.1 鑄件概況

A356鋁合金鑄造性和力學(xué)性能良好，但容易因冷卻速度、夾雜物等因素造成鑄錠內(nèi)針孔發(fā)生。以其為基礎(chǔ)的A356.2鋁合金可以加強雜質(zhì)含量控制，使材料力學(xué)性能得到改善。表1為A356.2化學(xué)成分。在某鋁合金缸蓋鑄件企業(yè)生產(chǎn)中，采用A356.2材料，配備有芯工頻感應(yīng)熔煉爐和連續(xù)鑄造機等設(shè)備，按照該加工工藝，得到的產(chǎn)品端面目視可見1mm～2mm針孔，無法滿足生產(chǎn)要求。但是，增加旋轉(zhuǎn)噴吹除氣設(shè)備以及板式過濾后，鑄錠光滑、無夾渣，同時針孔度達到二級以上。

表1 A356.2化學(xué)成分（%）

2.2 缺陷檢驗

為確定針孔類型，對某企業(yè)生產(chǎn)的A356.2鋁合金鑄錠的化學(xué)成分、內(nèi)部組織進行了分析。經(jīng)檢驗，確認A356.2鑄錠成分不存在成分偏差，并發(fā)現(xiàn)針孔缺陷位置晶粒粗大，部分粒狀存在共晶現(xiàn)象，屬于不良組織，共晶Si以長條和片狀形式存在，距離針孔缺陷位置越近的共晶Si相細化程度越低并呈現(xiàn)出短片和針狀[2]。材料變質(zhì)與生產(chǎn)速率有關(guān)，冷卻越快越有助于變質(zhì)。對缺陷形貌進行SEM觀察，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部為枝晶狀，結(jié)構(gòu)縮松，內(nèi)部圓滑，能夠證明基體內(nèi)有小氣泡。在緩慢冷卻的過程中，氫從合金液中析出，在糊狀區(qū)難以從中擴散和逃逸，導(dǎo)致微小氣孔形成。該類針孔屬于析出型，位于缸蓋上端和螺紋孔下部。相較于缸蓋底面能夠直接接觸模具，產(chǎn)生快速冷卻的效果，缸蓋中部主要采用熱芯工藝加工，冷卻速度較慢。缸蓋上部冷卻最慢，造成組織粗大，因此共晶Si主要為針狀。

2.3 形成原因

2.3.1 熔體吸氣

在鑄件鑄造過程中，鋁合金熔體帶有吸氣性。相較于其他氣體，氫更容易溶解，能夠占據(jù)90%左右的比重。而氫等氣體以原子、化合物等狀態(tài)存在熔體中，將給鑄錠性能帶來影響。受微小氣孔的影響，鑄錠內(nèi)部將發(fā)生疏松問題，造成材料氣泡、分層，甚至出現(xiàn)氫脆情況。如果夾雜氧、氮等物質(zhì)，將造成材料力學(xué)性能大幅度下降。由于氫溶解形成的針孔將在鑄件表面均勻分布，直徑通常不超1mm，通常出現(xiàn)在凝固慢的位置。從缸蓋針孔內(nèi)部元素組成上來看，包含大量氧、碳等雜質(zhì)，則為鋁液中的夾雜物，能夠成為氫的形核介質(zhì)，導(dǎo)致針孔析出。想要減少氫的析出，需要做好除渣、除氣處理，避免鋁液中帶有形核基體。

2.3.2 金屬吸氣

鋁合金中存在帶有較強吸氣性的金屬，也將造成過多氣體在鋁液中溶解，引發(fā)針孔缺陷。從金屬與氣體的結(jié)合能力來看，鎂元素、鈦元素等都具有一定吸氣性。相較于其他元素，鎂元素能夠與爐氣中的氧氣、水汽等反應(yīng)，生成氧化鎂，造成鋁液表面致密氧化膜被破壞，促使鋁液發(fā)生氧化，氣體溶解量也隨之增加。但由于鎂元素能夠與氟反應(yīng)生成保護膜，因此鑄造過程中通常將氟化鹽當(dāng)成是覆蓋劑，通過與金屬反應(yīng)降低氣體溶解度，避免鋁液發(fā)生氧化問題[3]。

2.3.3 溫度影響

熔體發(fā)生氣體溶解現(xiàn)象，將經(jīng)歷吸附、溶解、擴散三個過程。氣體能否順利溶解，將受到溫度、壓力條件影響。在A356.2合金鑄件鑄造期間，氣體想要溶解需要先分解成原子，整個反應(yīng)需要吸收熱量。提高鑄造溫度，能夠加速氣體溶解。在熔煉溫度區(qū)間，溫度的提升將使氫的溶解度提升。而在由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時，溫度將產(chǎn)生更大影響。在固態(tài)時，鋁液中氫溶解度將達到0.034mL/100gAl～0.05mL/100gAl，液 態(tài) 時 提 高 至0.65mL/100gAl～0.77mL/100gAl。如 果超出熔點溫度，如在750℃～800℃之間，溶解度達到1.15mL/100gAl～1.64mL/100gAl。鑄造溫度過高，鋁合金容易發(fā)生氧化，導(dǎo)致熔體中氣體增加，容易形成針孔缺陷。但溫度過低又將造成冷隔發(fā)生，氣體和溶渣難以通過液面浮出，將引發(fā)夾渣和氣孔缺陷。溫度不變，溶解度與分壓成正比，因此可采用真空處理設(shè)備減少鋁合金中的氣體含量。

2.3.4 環(huán)境不佳

鑄錠內(nèi)針孔缺陷的產(chǎn)生，與周圍生產(chǎn)加工環(huán)境也密切相關(guān)。空氣中氫分壓較小，比熔體低較多。所以熔體內(nèi)氣體不僅來自于原材料，也來自于爐氣、工具帶入水分等。在使用的工具等存在油污、水分、夾渣等情況時，將造成鋁液中溶解氣體增加。對周圍生產(chǎn)環(huán)境進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廠房內(nèi)長期積水，造成環(huán)境中水分較大，鋁液面臨二次污染威脅。由于熔煉爐內(nèi)采用燃氣加熱，爐內(nèi)包含氫氣、二氧化碳、烷烴、氮氣等多種氣體，容易導(dǎo)致鋁合金熔體吸氫。在鋁合金熔煉期間，爐內(nèi)溫度較高，水和有機物將發(fā)生反應(yīng)，之后與鋁液反應(yīng)得到氫氣。爐氣中含有水分，只需要少量就能使鋁合金中氫增加。水汽與鋁液反應(yīng)后，也將導(dǎo)致鋁液發(fā)生氧化問題，導(dǎo)致夾渣問題發(fā)生。存在氧化鋁等含水腐蝕物，受熱后釋放水汽，同樣也會導(dǎo)致氫增加[4]。結(jié)合實踐經(jīng)驗可知，相較于干燥季節(jié)，多雨季節(jié)生產(chǎn)的鋁合金鑄錠產(chǎn)生針孔缺陷的幾率更大。

3 A356.2鑄造鋁合金鑄錠內(nèi)針孔缺陷控制

3.1 重視除氣除渣

在實踐生產(chǎn)中，A356.2鑄造鋁合金鑄錠內(nèi)針孔缺陷相對頑固，需要通過綜合運用除氣除渣技術(shù)消除缺陷。從總體上來看，可以采用的方法較多，但大致可以劃分為吸附法與非吸附法。采用吸附法除氣，可以利用精煉劑或氣體吸附反應(yīng)除氣的同時，將氧化物夾渣去除。如采用氬氣等惰性氣體，可以避免與鋁合金反應(yīng)，同時形成的氣泡能夠使鋁液界面產(chǎn)生壓力差，使氫擴散至惰性氣體中，隨之浮出頁面。采用氯氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠生成不溶于鋁液的物質(zhì)，同樣可以起到除氣效果。在工業(yè)生產(chǎn)中，通常采用精煉劑除氣，如碳酸鹽、氟化鹽等都可以通過反應(yīng)吸附氣泡。非吸附法包含真空法和過濾法，前者依靠氣體壓差促使氫氣從鋁液中逃逸。具體來講，可以通過覆蓋熔劑防止鋁液與過多氣體接觸，以免因加料等操作造成鋁液表面保護膜破裂。考慮到A356.2中包含鎂元素和鈦元素，應(yīng)使用覆蓋劑防止鋁液氧化，使吸氣量得到減少。采用過濾法，需要在鋁液中布置過濾設(shè)施，對氧化鋁等夾雜物進行去除。

3.2 引入精煉工藝

從本質(zhì)上來講，精煉工藝也屬于吸附法，應(yīng)用在鋁液充型和泡沫模型反應(yīng)過程中，能夠使鋁液中的雜質(zhì)減少，有效預(yù)防針孔缺陷的發(fā)生。如采用氣體和熔劑混合精煉技術(shù)，使用氬氣等惰性氣體精煉鋁液，可以在鋁液表面形成氧化膜，阻礙氫進入。添加少量細粉熔劑，能夠使氣泡表面得到包裹，加強氣泡表面氧化劑吸附，因此能夠提高氣泡擴散速度，避免鋁熔體與惰性氣體中的水分接觸。使用熔劑膜，能夠使氣泡活性增強，起到更好除渣效果。結(jié)合A356.2鑄件生產(chǎn)特點，需要使用AJ101A精煉劑除渣，可以在650℃～720℃下高效分離渣液，并且不會產(chǎn)生有毒氣體，能夠保證生產(chǎn)安全。在實際生產(chǎn)中，可以先用氮氣對AJ2精煉劑進行吹掃，之后利用AJ101精煉劑除渣。經(jīng)過反復(fù)除渣，能夠使合金錠中的雜質(zhì)和氣體含量得到有效降低。

3.3 加強溫度控制

實現(xiàn)低溫生產(chǎn)，能夠有效減少鑄件針孔缺陷。但考慮到澆鑄溫度和鋁液流動性之間存在較大關(guān)系，需要避免溫度過高引發(fā)針孔缺陷的同時，避免溫度過低增加夾渣等缺陷發(fā)生概率。而原有工藝澆鑄溫度較高，充型期間局部會因溫度過大形成針孔缺陷。采用翻轉(zhuǎn)式澆鑄工藝替代原有工藝，整個過程帶有低速、低溫特點，局部溫度最大不超680℃，有助于氫和夾雜物浮出鋁液表面。在工藝操作中，考慮到充型時間從22s縮短至12s，為避免氣泡難以及時逸出，需要加強溫度控制，促進氫的擴散。在熔煉工藝中，可以將爐內(nèi)溫度控制在660℃～680℃范圍內(nèi)。開展除渣除氣作業(yè)，應(yīng)確認鋁液溫度在700℃～730℃之間。在澆筑口時，應(yīng)確認溫度在630℃～640℃范圍。在各道工序中，需要加強溫度監(jiān)控，連續(xù)生產(chǎn)應(yīng)確保鋁液維持低溫狀態(tài)，并盡可能減少率鋁熔體在爐內(nèi)的熔化和保溫時間。通過嚴格控制工藝溫度，使端面、螺紋位置冷卻速度得到提高，能夠減少氣縮孔的產(chǎn)生。

3.4 優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境

考慮到鑄件質(zhì)量與周圍環(huán)境密切相關(guān)，需要優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，使A356.2鋁合金鑄錠針孔缺陷得到徹底消除。在生產(chǎn)前，針對使用的鋁液、添加劑、工業(yè)硅等各種材料，需要嚴格按照行業(yè)技術(shù)標準檢驗，確認符合工藝生產(chǎn)要求。針對熔鋁爐等生產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)建立科學(xué)管理制度，如采取完善烘爐制度確保爐內(nèi)干燥，避免爐氣中含有大量水汽。在工具器材管理上，應(yīng)提前確認是否存在水分、油污、銹蝕等缺陷，通過預(yù)熱、保溫保證表面清潔、干燥。配置各類熔劑，按規(guī)定做好脫水、烘干處理，避免帶入過多水汽、雜質(zhì)等。針對澆包、渣箱等各種工具，應(yīng)按規(guī)定涂刷0.5mm～1.0mm厚涂料。此外，需要加強生產(chǎn)車間管理，引入物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)加強環(huán)境溫、濕度監(jiān)測和調(diào)節(jié)，減少環(huán)境中的水汽。

4 結(jié)論

對A356.2鑄造鋁合金鑄錠內(nèi)針孔缺陷產(chǎn)生原因展開分析可以發(fā)現(xiàn)，熔體吸氣、金屬吸氣等多種因素都會給鋁合金鑄錠質(zhì)量帶來影響。想要提高A356.2鋁合金鑄錠質(zhì)量，需要采取多重控制手段，做好除氣除渣和溫度、環(huán)境的管控，并且引進先進工藝，繼而完成理想產(chǎn)品生產(chǎn)。