2012-10-12 19:10:32| 分类： 教程 |字号 订阅
金属特性之铝合金材料特性
铝合金强度/质量大,工艺性好,或用于压力制造及铸造,焊接,目前广泛用于飞机、发动机各种结构上。
1、变形铝合金:
1.1防锈铝：
A1-Mn及A1-Mg系合金(LF21、LF2、LF3、LF6、LF10)属于防锈铝,其特点是不能热处理强化,只能用冷作硬化强化,强度低、塑性高、压力加工性良好,有良下的抗蚀性及焊接性。特别适用于制造受轻负荷的深压延零件,焊接零件和在腐蚀介质中工作的零件。
1.2硬铝：
LY系列合金元素要含量小的塑性好,强度低;如LY1,LY10,含金元素及Mg,Cn适中者,强度、塑性中高;如LY11;金中Cn,Mg含量高则强度高,可用于作承动构件;如LY12,LY2,LY4;
LC系列这超硬铝,强度高,但静疲劳性能差LY11,LY17为耐热铝,高温强度不太多,但高温时蠕度强度高。
1.3锻铝：
LD2具有高塑性及腐蚀稳定性,易锻造,但强度较低;LD5,LD6,LD10强度好,易于作高负载锻件及模锻件;LD7;LD8有较高耐热性,用于高温零件,具有高的机械性能和冲压工艺性。
2、铸造铝合金:
1).低强度合金：ZL-102 ; ZL-303
2).中强度合金：ZL-101 ; ZL-103 ; ZL-203 ;ZL-302
3).中强度耐热合金：ZL-401
4).高强度合金：ZL-104 ;ZL-105
5).高强度耐热合金：ZL-201 ;ZL-202
6).高强度耐蚀合金：ZL301
镁合金铸件的常见缺陷及分析
一 熔剂夹渣
缺陷特征：
1.表面熔剂夹渣：大块的夹渣在出型时呈暗褐色，外形一般不太规则，小点的熔渣则难以发现，氧化处理前经酸洗能溶解它.
2.铸件内部的熔剂夹渣在X光底片上一般呈白色的斑点，在断口上呈暗灰色
3.熔剂夹渣一般分布在铸件浇注位置的下部内浇口附近及死角处
4.经加工后，露于表面的熔剂夹渣放在空气中1～4小时就可以见到褐色的斑点，停放一段时间，便长出白毛。
产生原因：
1.工艺操作方面，合金液浇注前没有一定的静置时间，可提式坩埚或浇包出炉时不平稳，浇注完后浇包或坩埚残留量太少，浇包在坩埚内舀取合金液时，将熔渣搅入合金液内。工具或坩埚洗涤不干净.
2.熔剂和变质剂的使用方面：熔剂或变质剂的成份，配制及保管不符合要求洗涤剂使用次数太多而变稠
3.工具制造方面，茶壶式浇包或可提式坩埚底部挡渣板焊接质量不好，有渗漏现象。
防止方法：
1.在坩埚内舀取合金液时用浇包的底部轻轻拨开熔剂层，然后用大口舀取，前一次舀取金属至下次舀取不少于4分钟
2.精炼和变质处理后至浇注前，镇静时间不少于15分钟，并打净熔渣，浇注中禁止撒熔剂，一般可以撒硫磺与硼酸混合物灭火
3.熔剂坩埚的温度不低于750~C，并洗净所用工具。浇完后，底朝上，漏净所有的熔剂
4.浇注时坩埚吊出要平稳
5.使用合格的熔剂，并定期检查
二 氧化夹渣
缺陷特征：1.位于铸件表面层，多以网状分布在内浇口I附近的铸件表面内。有时呈薄片带有皱纹的不I规则云彩状，断口常是黄色或褐色
2.沿铸件壁厚呈片状[的夹层或穿透整个壁厚；(也有分散的)，表面看去是一条金黄色或黄褐色流纹。打断口时，往往从夹层断裂，氧化皮夹在其中
3.以团絮状存在于铸件内部多而薄壁铸件常露出表面。断口是暗灰色或黑色。有时常常有少量熔剂
产生原因：1.在合金熔炼过程中生成氧化物而造成的夹渣(也称一次夹渣)。主要由于炉料不清洁，熔剂质量不好，以及熔炼过程不当所造成
2.在浇注过程中合金氧化生成氧化物而造成的夹渣(也称二次夹渣)。多由于浇注系统设计不合理，铸型准备以及浇注过程操作不当等原因造成
防止方法：1.一次夹渣可以通过纯洁炉料，仔细精炼，充分镇静，往合金中加入少量铍(0，001%～0.00296)等方法来排除
2.二次夹渣可通过下列方法防止，
①正确地设计浇注系统：采用扩张式浇注系统，尽可能采用底注式或垂直隙缝内浇口，或采用蛇形扁平直浇道，安放过滤网，钢丝棉等过滤渣子。对大件采用在浇口杯内安放与浇注合金成分相同、厚度适当的堵片
②正确地浇注合金，使直浇口始终充满金属，不要用小浇包来浇大件，浇注时在浇口杯和型腔表面撒一层干硫磺与硼酸的混合物防护剂
③正确地控制好造型操作，保持规定的型砂水分，并均匀地椿实铸型，砂芯要干透龟控制好停放及合箱
三 裂纹
缺陷特征：1.热裂纹，铸件上有直的或曲折的分裂隙缝(穿通裂纹)和裂口(非穿通裂纹)，裂纹处的断面被强烈氧化呈深灰色或黑色，无金属光泽，并且沿结晶晶界边缘裂开。多发生在铸件尖角处的内侧厚薄断面交接处及浇冒口与铸件连接的热节区
2.冷裂纹，外观呈直线或不规则的曲线，断裂处的金属表面洁净，具有金属光泽裂纹处的金属表面被氧化或被轻微氧化，裂纹不在结晶晶界上，而是在晶体上
产生原因：1.铸件的结构设计不合理有尖角，连接处厚薄截面过渡圆弧过小或壁厚相差过大等
2.铸型或砂芯退让性不好，披缝过大，芯骨、冷铁设置不当，阻碍收缩
3.合金中有促使形成裂纹的杂质或添加物，变质不好，或变质失效，使晶粒粗大，性质变脆
4.浇注系统设置不当，内浇口附近或大冒口的根部严重过热
5.铸件浇注后开糟出型过早，铸件浇注温度过高，模温过低
防止方法：1.改变零件设计结构，消除尖角，将尖角改为圆角，厚截面均匀地过渡到薄截面
2.尽可能使铸件顺序凝固或同时凝固，减少内应力产生。如在铸件上适当放大工艺余量在铸件厚大部分设置冒口或冷铁对胃口根部产生裂纹的铸件注入金属时应沿冒口壁注入或在冒口旁边另开浇口
3.细化合金组织，严格控制促使晶粒粗大的合金元素和杂质，正确进行变质处理，和炉前断口检查，组织粗大时应重新进行变质处理外界阻力，降低铸型和砂芯的强度，增加退让性，降低铸型的紧实度
4.减少铸件收缩时的外界阻力，降低铸型和砂芯的强度，增加退让性，降低铸型的紧实度
5.降低浇注温度，提高模温
四 冷隔欠铸
缺陷特征：铸件的金属流被氧化皮隔开，不完全熔融为一体，就形成冷隔，严重的就成为欠铸。冷隔常常出现在铸件的顶壁上，薄的水平面和垂直面上厚薄转接处或在薄筋上
产生原因：1.合金液温度低，浇注时流动性差，汇合液流前有氧化皮，浇注中断或浇注速度太低
2.铸件浇注位置不正确或浇注系统设计不合理
3.铸型排气不良，合金液流受气体的阻隔不能融合
4.浇注时发生漏箱
防止方法：1.合理选择铸件浇注位置，正确的开设浇注系统
2.适当提高浇注温度和金属型的模温，浇注时不可中断
3.增强铸型的排气能力，在不垮箱的前提下，砂型紧实度愈松愈好
4.提高浇口的压力头，如增大浇口杯的容量和增加浇口杯的高度及直浇道的高度。
5.增加铸件壁厚
6.在铸型表面熏乙炔烟以提高充
五 缩松
缺陷特征：因金属液收缩而产生细而分散的孔洞叫缩松，其特征是：
1.铸件表面呈虫蚀状的条状花纹。铸件表面粗糙，呈结晶粗大的暗孔，有时伴随有裂纹
2.断口检查：一般呈淡黄色.灰色或黑色，颜色愈深疏松愈严重 3.X光检查呈云雾状蝗条状，荧光检查呈密集发亮的小点状 4.缩松缺陷常产生在铸件的内浇道附近冒口根部飞厚大部位飞壁的厚薄转接处和具有大平面的薄壁处等 产生原因：1.结晶温度间隔大，如ZM—5合金为179℃左右，所以存在明显的树枝状结晶
2.比重轻，冒口补缩作用差3.比热和潜热小，凝固快不易达到顺序凝固
4.不同类型的缩松产生原因分析
①由于补缩不良而引：起的缩松，这类缺陷往往出现在铸件厚截面的，中心部位，严重者穿透壁厚，热处理后断口是，灰黑色.黄色
②由于铸件局部过热和燃烧引起的缩松，此类缺陷一般由铸件的外表开始夕再深入铸件的内部,以外表面为严重，愈往内愈轻，断口呈黑色或部分带有深黄色
③由于铸型通气不良起的缩松，其表面有似虫蚀状的斑疤。断口外表往往有氧化皮
④由于铸件或者铸型结构复杂而使铸件在凝固时受到阻碍，加上合金结晶组织粗大而引起缩松
防止方法：1.由于补缩不良而引起的缩松排除方法
①加强胃口的补缩作用，将胃口根部的圆角加大，并且可将明冒口和暗冒口连通
②在缩松处放冒口或冷铁或冒口与冷铁联用③开设冷却筋或冷却孔，冷却筋宽约为2.5～3毫米，高为3～5毫米，冷却孔为令2～4毫米，数量3～5根为一组
2.由于铸型局部过热和燃烧引起的缩松排除方法，
①将内浇道均匀分布在铸型上
②将内浇道厚度减小，宽度加大
③在内浇道对面放冷铁
④降低合金液浇注温度
⑤用涂料调整温差
⑥在易燃烧的芯子上喷一层防护溶液
3.由于铸型通气不引起的缩松排除方法， ①熔化炉料应清洁干燥
②砂芯烘烤干，表面硬度合适
③砂型水分不大于5.5%，排气畅通
4. 改进铸件设计，消除热节部位
铸件本身的属性直接影响加工的品质，其中硬度值是决定铸件加工的一项重要指标。
1.布氏硬度:主要用来测定铸件、锻件、有色金属制件、热轧坯料及退火件的硬度,测定范围≯HB450。
2.洛氏硬度:HRA主要用于高硬度试件,测定硬度高于HRC67以上的材料和表面硬度,如硬质合金、氮化钢等，测定范围HRA>70。HRC主要用于钢制件(如碳钢、工具钢、合金钢等)淬火或回火后的硬度测定,测定范围HRC20~67。
3.维氏硬度:用来测定薄件和钢板制件的硬度,也可用来测定渗碳、氰化、氮化等表面硬化制件的硬度。
熔模铸造的工艺介绍：
根据图纸或样品做产品三维造型，并用此三维图制作铝制或钢制的模具。
将液态蜡和固态蜡混合搅拌成糊状蜡膏，用注蜡枪将蜡膏注入金属模中，冷却后取出蜡模。
加热不锈钢焊刀，将蜡模按工艺设计的要求焊接在浇口棒上。
将蜡件组浸入含有水玻璃等涂料的缸中，涂上涂料。
对涂上涂料的蜡件组淋石英砂，再浸入含氯化铵和氯化镁等材料的硬化槽中硬化后进行干燥，然后进行下一层的操作，此过程重复6次左右后完毕。
将表面涂料硬化后的蜡件组放置在失蜡槽中，用蒸气加热使蜡溶解脱落，剩下砂型模壳。
将模壳放置焙烧炉中焙烧以增加其强度。
将原材料装入中频电炉中熔化，加入金属无素进行材料的配方，钢水温度升至1600度左右，炉前化学分析合格后将溶化的钢液通过浇包倒入模壳中，让钢液充满型腔然后冷却，并取样做炉后终检。
将铸件表面的砂用震动的方法去除。
用氧气-乙炔焰从浇棒上切下铸件。
用砂轮机磨除浇冒口；用磨光机打磨不良表面。
铸件按材质的要求进行正火、退火、淬火回火、感应淬火、渗碳、氮化等热处理。
按图纸要求用CNC进行金加工
用拉力机、冲击试验机、硬度机等检测设备对试棒进行机械性能的检测；用X光、超声波、磁粉探伤等检测设备对样件进行无损检测；用三座标和量具及卡规等检具对产品进行尺寸终检。
铝合金铸造工艺简介
一、铸造概论
在铸造合金中，铸造铝合金的应用最为广泛，是其他合金所无法比拟的，铝合金铸造的种类如下
由于铝合金各组元不同，从而表现出合金的物理、化学性能均有所不同。结晶过程也不尽相同。故针对铝合金特性，合理选择铸造方法，才能防止或在许可范围内减少铸造缺陷的产生，从而优化铸件。
1、 铝合金铸造工艺性能
铝合金铸造工艺心梗，通常理解为在充满铸型、结晶或冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。流动性、收缩性、气密性、铸造应力、吸气性。铝合金这些特性取决于合金的成分，但也与铸造因素，合金加热温度、铸型的复杂程度，浇冒口系统、浇口形状等有关。
铝合金气密性是指腔体型铝铸件在高压气体或液体的作用下不渗漏程度，气密性实际上表征了铸件内部组织致密与纯净的程度
铸铝合金的气密性与合金的性质有关，合金凝固范围越小，产生缩松倾向越小，同时产生析出性气孔越小，则合金的气密性就越高。同一种铸铝合金的气密性好坏，还与铸造工艺有关，如降低铸铝合金浇注温度、放置冷铁以加快冷却速度以及在压力下凝固结晶，均可使铝铸件的气密性提高。也可用浸渗法堵塞泄露空隙来提高铸件的气密性。
预防气孔产生的措施：
修改不合理的浇冒口系统，是液流平稳，避免气体卷入。
模具与型芯应预先预热，后上涂料，结束后必须要烘透方可使用
设计模具与型芯应考虑足够的排气措施
预防产生针孔的措施：
严禁使用被污染的铸造铝合金材料，年由有机化合物和被严重氧化腐蚀的材料。
控制熔炼工艺，加强除气精炼。
控制金属型涂料厚度，过厚易产生针孔
模具为呢度不宜太高，对铸件厚壁部位采用激冷措施，如镶铜块或浇水等
预防产生缩松的措施
合理冒口的设置，保证其凝固 且有补缩力
适当条地金属型模具工作温度
控制涂层厚度， 厚壁出减薄
调整金属型各部位冷却速度，使铸件厚壁处有较大的激冷能力
适当降低金属浇注温度
预防产生热裂的措施
实际浇注系统时应避免局部过热，减少内应力
模具及型芯亵渎必须保证在2?以上，浇冒口一经凝固即可抽芯开模，必要时可用砂芯代替金属型芯
控制涂料厚度 使铸件各部分冷却速度一致
根据铸件厚薄情况选择适当的模温
细化合金组织，提高热裂能力
改进铸件结构 消除尖角及壁厚突变，减少热裂倾向
预防氧气夹渣的措施
严格控制熔炼工艺，快速熔炼，减少氧化，除渣彻底。AL-Mg合金必须在覆盖剂下熔炼
熔炉 工具要情节 不得有氧化物 并应预热 涂料涂后应烘干使用
设计的浇注系统必须有稳流 缓冲 撇渣能力
采用倾斜浇注系统 是液流稳定 不产生二次氧化
选用的涂料粘附力要强，浇注过程中不产生剥落而进入铸件中形成夹渣
三、金属型铸造
1、 简介及工艺流程
金属型铸造又称为硬模铸造或者永久型铸造，是将熔炼好的铝合金浇入金属型中获得铸件的方法，铝合金金属型铸造大多采用金属型芯，也可采用砂芯或壳芯等方法，与压力铸造相比，铝合金金属型使用寿命长。
2、 铸造优点
优点
金属型冷却速度较快，铸件组织较致密，可进行热处理强化，力学性能比砂型铸造高15%左右
铸件质量稳定 表明粗糙度优于砂型铸造 废品率低
劳动条件好 生产率高 工人容易掌握
缺点
金属型导热系数大 充型能力差
金属型本身无透气性 必须采取相应措施才能有效排气
金属型无退让性 易在凝固时产生裂纹和变形
（6）吸气性
铝合金易吸收气体，是铸造铝合金的主要特性。也太铝及铝合金的组分与炉料、有机物燃烧产物及铸型等所含水分产生反应而产生的氢气被铝液体吸收所致。
铝合金溶液温度越高，吸收的氢越多，在700?时，每100g铝中氢的溶解度为
0.5~0.9，温度升高到850?时 氢的溶解度增加2~.倍。当含碱金属杂质时，氢在铝液中的溶解度显著提高
铸铝合金除熔炼时吸气外，在浇入铸型时也会产生吸气，进入铸型内的也太金属随温度下降，气体的溶解度下降，析出多余的气体，有一部分逸不出的气体留在铸件内形成气孔，这将是通常称的“针孔”。气体有时会于缩孔结合在一起，铝液中析出的气体留在缩孔内。若气泡受热产生的压力和大，则器可能共表面光滑，孔的周围有一圈光亮层；若气泡产生的压力小，则孔内表面多皱纹，看上去如“苍蝇脚”，自行观察又具有缩孔的特征。
铝合金铸件相关知识
铸造铝合金由于其密度小，比强度高，具有良好的综合性能，因此被广泛用于航空航天、汽车制造、动力仪表、工具及民用器具等制造业。随着国民经济的发展及世界经济一体化进程的推进，其生产量和消耗民量大幅增长。但是，铸造铝合金的针孔缺陷较突出，本文结合笔者在铝合金铸件生产实践中积累的经验，谈谈铝合金铸件针孔缺陷的产生和预防。
一、铸造铝合金针孔的产生
针孔是铝合金在凝固过程中，溶解在铝熔液中的气体(99％H2)逸出后又没有完全浮到铝液表面造成的。
铝合金在熔炼和浇注时，会吸入大量的氢气，冷却时则因溶解度的下降而不断析出。铝合金中溶解的氢，其溶解度随合金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，氢在铝合金中的溶解度下降19倍。因此铝合金液在冷却凝固过程中，当氢的含量超过了其溶解度时即以气泡的形式析出。因过饱和的氢析出而形成的氢气泡，若来不及上浮排出，就会在凝固过程中形成细小、分散的气孔，即通常所说的针孔。在氢气泡形成前达到的过饱和度是氢气泡形核数目的函数，而氧化物和其他夹杂物则起气泡核心的作用。
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熔炼和浇注铝合金，铸件中的针孔尤其严重。这就是干燥的季节要比多雨潮湿的时节产生的铝合金铸件针孔缺陷少些的原因。
对铝合金而言，如果结晶温度范围较大，则产生网状针孔。这是因为在一般铸造生产条件下，铸件具有宽的凝固温度范围，使铝合金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空间中，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，从而使合金中过饱和的氢气析出并形成针孔。
二、铸造铝合金针孔度的评定
铸造铝合金机械加工表面1cm2范围内孔洞的数量和尺寸称为针孔度。针孔对铝合金性能的影响主要表现在会使铸件组织致密度降低，力学性能下降。为此，在铝合金铸件生产实践中，力口强气孔等级对力学性能影响的研究，通过控制针孔等级来保证铝合金铸件品质是非常重要的。针孔等级评定，低倍检验按GB 10851—1989进行；X射线检测按GBll346—1989铝合金铸件针孔分级标准执行。根据《铝合金铸件针孔度日测评定法》，针孔度分为5级，参考图像如附表中所示。
三、铸造铝合金针孔缺陷的防止
1.形成针孔的氢气采源与析出
铝合金中气孔的产生，是由于铝合金吸气而形成的，但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。在铝合金熔炼过程中，通常接触的炉气有H2、02、H20、C02及S02等，这些气体主要是由燃料燃烧后产生的，而耐火材料、金属炉料、熔剂以及与气体接触的工具等均会带入一定量的气体。另外，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及空气量来决定的。例如，普通焦炭坩埚炉，炉气成分主要为C02、S02和N2；煤气、重油坩埚炉主要为H20、N2；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H2。因此，采用不同的熔炼炉生产时，铝合金的吸气量和产生气孔的程度是不同的。
铝合金生产实践证明，氢能大量溶解于铝或铝合金中，是导致铝合金形成气孔的主要原因，是铝合金中最有害的气体，也是铝合金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铝合金，其他气体一般与铝或铝合金反应形成铝的化合物，如A1203、A1C13、A1N及A14C3等。
在铝合金熔炼时，周围空气中的氢气含量并不多，氢的来源通常是铝与水蒸汽的反应，而水蒸汽主要来源于炉气中的水分，设备及工具吸附的水分，一些材料的结晶水，以及铝锈Al(0H)2分解出来的水分等。
因此针孔的解决，应从防止铝合金熔液吸气和加强铝熔液除气来入手。
2．预防铝合金铸件针孔形成的主要措施
由以上分析可知，铝熔液很容易吸收氢气，极少量的水蒸汽就可以轻易毁掉整炉的铝液，因此首先要防吸气。铝合金铸件容易产生针孔缺陷，这既与铝合金本身特性有关系，也与一系列的外界因素有关。为避免或减少铝合金在熔炼时产生针孔，保证铝合金铸件具有优良品质，可针对性地采取适当的预防措施。
(1)明确“精料、精工”原则，对炉料和熔炼设备和工具进行预处理。炉料使用前应先用吹砂或其他方法去除表面的锈迹、泥沙等污物，并进行炉料预热，预热温度为350-450℃，并保持3h以上，严防带入水分和油污等。
坩埚、锭模和熔炼工具，使用前应将表面油污、脏物等清除干净，并预热至120—250℃，涂刷防护涂料。
新坩埚、新砌炉子及有锈蚀的旧坩埚，使用前应用吹砂或其他方法将表面清除干净，并进行烘炉处理，一般应加热至700-800℃，并保温2-4h，以去除坩埚所吸附的水分及其他化学物质。熔炼工具应预热至200-400℃，保持2h以上。
(2)铝合金在熔炼时，要力求做到快速熔炼，缩短高温下停留时间。A1—Mg合金和其他铝合金熔化后保持时间过长时，需要用熔剂覆盖铝合金液面，以防止吸气，一旦在生产过程中出现异常，要及时与现场技术人员取得联系，采取果断措施予以处理。每一炉合金从开始熔化到浇注完毕的时间，砂型铸造不得超过4h，金属型铸造不得超过6h，压铸不得超过8h，合金最高温度一般不超过760t，坩埚底部涂料厚度需≥60mm。
(3)加强在潮湿季节熔炼的预防措施。在雨季或空气潮湿季节铸造铝合金，更应注意采取去气防护措施，对熔炼用具、锭模、坩埚和炉料等都要严格按规范进行预热处理，以防带人过多的水分和油污而引起各类针孔的产生。
(4)采取必要的精炼工艺，去除铝合金中的气体。一般情况下，所谓“去气”就是去除合金中的气体，“精炼”是指去除合金中的夹杂物。因铝合金熔炼时，除气和精炼两个工序多合在一起进行，故在生产实践中习惯将这两个工序称为精炼。由于铝合金中的气体主要是氢气，去气也就是去除氢气。目前去气的主要方法是通过在铝合金中加入精炼除气剂来制造大量的气体(气泡中的气体可能是铝液内部经化学反应产生的，也可能性是由部分精炼除气剂直接带入的)，利用分压原理，让溶解于铝液中的氢原子向气泡扩散(此时气泡的分压为零)，由于气泡密度轻，当气泡上浮到铝液表面时，气泡破裂，氢气逸入大气中，最终达到去除氢气的目的。
目前，为了消除铝合金铸件针孔，最常用的办法是在熔化过程中加入氯盐和氯化物除气。采用氯盐和氯化物除气剂除气时，要用钟罩将除气剂压入距坩埚底部100mm处，沿坩埚直径1／3(距坩埚内壁)的圆周匀速移动。为防止铝液大量喷溅，除气剂可分批加入，除气结束除渣，并按规定的时间进行静置。
(5)采用铸造工艺方法进行除气。通常情况下，砂型铸造也可以采用静置、多扎出气孔和加大冒口等方法进行去气。在设计金属型时就必须有排气预防措施：①利用分型面或型腔零件组合面的间隙进行排气。②开排气槽。即在分型面或型腔零件的组合面上，以及芯座与顶杆表面上做排气槽，这样既能排气，又能蓄气。③设排气孔。排气孔一般开设在金属型的最高处，或金属型内可能产生“气阻”的地方。④设置排气塞。排气塞是金属型常用的排气设施。在一平面上需要设置数个排气塞时，可用一个排气环来代替，将它设计在型腔的“气阻”处，或型腔的大平面上，以便排气畅通。
四、结语
以上分析了铝合金铸件气孔形成的主要因素，并有针对性地论述了一系列相应的预防措施，目的就是要防止在铸件中生成气孔，获得优良品质的铸件。从铸造工艺角度综合分析，预防气孔的生成和消除气孔可以用“防”、“排”、“溶”三字工艺原则来概括。
“防”：就是要防止水分及各种污物进入坩埚或熔炼炉中。
“排”：就是要排除铝液中的氧化夹杂和氢气。
“溶”：就是要使铝液中的氢在凝固时能部分或全部固溶在合金组织中，避免在铸件中形成气孔。
因此，在铝合金熔炼安排和选择“防”、“排”、“溶”三方面的工艺措施时，必须遵循“以防为主，以排为辅”的工艺
原则，但着眼点应仍放在“防”字上。
铝合金铸造工艺与铸锭质量的关系
铸造工艺参数主要有铸造温度、铸造速度、冷却强度，其次是液位高度、铸造开始与结束条件等。
1 铸造温度
铸造沏度通常是指液体金属从保温炉通过转注工具注入结晶器过程中具确良好流动性所需要的温度。但是，目前铝合金熔铸大部分已应用了在线除气与 过滤装置，铸造温度仍然按上述的概念是不够全面与正确的。实践证明，在线除气装置中液体温度不同具除气效果也不同。因此，要考虑在线除气装置除气效果对液体温度的要求。另外，还应考虑液体在结晶器内的气体析出情况，因铸造温度低，液体在结晶器内的气体来不及上浮逸出液面，造成气孔、疏松，还可能产生灾渣及冷隔等铸锭质量缺陷、铸造温度最高不宜超过熔炼温度。铸造温度过高会导致铸造开始时漏铝。底部裂纹与拉裂，还可能产生羽毛品组织缺陷，又因为转注工具长度不同而液体温降不同，在线装首有加热点，液体在转注过程中温度变化起伏大，所以科学规范铸造温度应指注入结晶器内的液体温度一般情况下铸造温度比合金的实际结晶温度高50℃～70℃，1 x x x、3x x x系铝合金在铸造过机中过渡带较窄，铸造温度宜偏高；而2x x x、7x x x系合金的过渡带较宽．铸造温度宜偏低。
2 铸造速度
连续铸造时，单位时间铸锭成形的长度称为铸造速度。老式铸造通常是一个铸次为—个固定铸造速度；而现代铸造是曲线铸造速度，即铸造开始与铸造 过程不是同一个铸造速度：铸造速度的快与慢对铸锭裂纹、铸锭表面质量、铸锭组织和性能有很大影响，在保证铸锭质量的前提下，应采用最高的铸造速度。老式铸造法为解决某些合金及规格铸锭的裂纹问题，铸造时采用铺底或回火的工艺方法；而现代铸造法则采用曲线铸锭速度，取代了老式铸造的铺底或回火工艺，它既减少了一些辅助设施，又节省了人力与减轻劳动强度，还可以避免——些铸锭表面质量缺陷铸造速度的选择是依据所生产合金的特性与铸锭截面尺寸而定。一般规律足冷裂纹倾向性较大的合金及铸锭规格，应提高铸造速度；而热裂纹倾向较大的合金及铸锭规格，则应降低铸造速度
3 冷却强度
冷却强度也称为冷却速度。冷却强度不但对铸锭的裂纹有影响，而且对铸锭的组织影响更大、随着冷却强度的增大，铸锭结晶速度提高，晶内结构更加 细化；随着冷却强度增人，铸锭液穴变浅。过渡带尺寸缩小．使金属补缩条件得到改善，减少或消除了铸锭中的疏松、气孔等缺陷．铸锭致密度提高：另外还可以细化一次品化合物的尺寸，减小区域偏析的程度。
老式铸造法多采用分体结晶器，尤其是铸造扁铸锭时．水套与结晶器是分开的。。
镁合金成形技术简介与分析
近年来对轻质材料的需求越来越大，镁合金作为结构材料由于具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于加工成形和回收等优点，因此广泛应用于汽车、电子、通讯等行业，被誉为"21世纪的绿色工程材料”。
根据成形工艺的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。前者主要通过铸造获得镁合金产品。包括砂型铸造、永久型铸造、熔模铸造、消失模铸造、压铸等。其中压铸是最成熟、应用最广的技术。而后者则是通过变形生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品。并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得更高的强度、更好的延展性、更好的力学性能，从而满足更多结构件的需要。另外，镁合金的半固态成形作为一种新型铸造技术也得到了广泛的研究与应用。
1 铸造镁合金
铸造是镁合金的主要成形方法，包括砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造和压铸等在内的多种铸造方法均可用于镁合金成形。目前，90％以上的镁合金产品是压铸成形的。
1．1 压铸
压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺。镁合金有优良的压铸工艺性能：镁合金液粘度低，流动性好，易于充满复杂型腔。用镁合金可以很容易地生产壁厚1．0mm～2.0 mm的压铸件，现在最小壁厚可达0.6mm。镁压铸件的铸造斜度为1．5，而铝合金是2～3度。镁压铸件的尺寸精度比铝压铸件高50％。镁合金的熔点和结晶潜热都低于铝合金，压铸过程中对模具冲蚀比铝合金小，且不易粘型，其模具寿命可比铝合金件长2—4倍。镁合金件压铸周期比铝件短，因而生产效率可比铝合金提高25％。镁合金铸件的加工性能优于铝合金铸件，镁合金件的切削速度可比铝合金件提高50％，加工耗能比铝合金件低50％。生产经验表明由于生产效率高，热室压铸的镁合金小件的总成本低于冷室压铸的铝合金同样件。
压铸镁合金可按其成分分为四个系列：AZ(Mg —AL—Zn)系列(AZ91)、AM(Mg—AL—Mn)系列(AM60、AM50)、AS(Mg-A1-Si系列(AS41、AS21)、AE(Mg-AL-RE)系列(AEA2)。
AZ系列合金AZ91具有良好的铸造性能和最高的屈服强度，其压铸件广泛应用于汽车座椅、变速箱外壳等多种形式部件。AM系列合金AM50、AM60具有较高的延伸率和韧性，用于抗冲击载荷、安全性高的场合如车轮、车门等。AS系列的镁合金AS41、AS21和AE系列的AFA2是20世纪70年代开发的耐热压铸镁合金。
镁合金压铸中广泛采用冷、热室压铸方法。一般薄壁铸件采用热室压铸机，厚壁铸件采用冷室压铸机。镁合金热室压铸机是目前国外使用数量最多的镁合金压铸专用设备，具有生产效率高，浇注温度低，注型寿命长，易实现熔体保护等特点。主要缺点是设备成本和维修费用较高。
镁合金压铸时，合金液冲填压型时的高速湍流运动，使腔内气体无法排出，会导致组织疏松，甚至铸件表面鼓包或变形。压铸工艺参数如压力、速度、熔体温度、模具温度等对铸件性能都有显着影响。许多新压铸方法，包括真空压铸、充氧压铸和挤压铸造等一定程度上克服了以上缺点，减少了铸件组织疏松和气孔等缺陷，提高了铸件致密度。美国俄亥俄州精密成型公司C．Rozak介绍了镁合金的金属压缩成型技术(MCF)在整个铸件表面加压的成型方法，在压力下凝固，改善了微观组织，减少了晶粒尺寸和孔隙率，铸件致密均匀，可用于生产性能要求高、形状复杂的铸件。
1．2 熔模铸造
熔模铸造是目前国际上较为先进的铸造技术之一。熔模铸造从原理上讲适合于制备小体积高精密的铸件。目前它已用于生产铝合金甚至镍基超合金。在镁合金铸件的发展历程中，有些工件结构复杂，一些部位壁厚非常薄，并且对表面粗糙度和尺寸公差要求严格，则可以采用熔模铸造来生产。
采用熔模铸造法生产铸件时具有不需取模、无型芯和无分型面等特点，因而其铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近于熔模精铸件。此外，熔模铸造为铸件结构设计提供了充分的自由度，原来多个零件组装的构件，可以通过分片制型后粘合成一体实现整体浇注，因此可以经济地生产许多复杂零件。但是，熔模铸造的设备投入和单位铸造成本高，工件尺寸有限。此外，镁与熔模铸型材料和粘结材料用氧化物陶瓷之间存在高活性反应，从而大大地限制了其应用。生产镁合金薄壁件时需要预热铸型以便填充薄壁部位，然而预热温度和浇注温度过高将促进镁合金与铸型间的反应。有研究表明采用低的铸型预热温度时，ZrO2是一种很有前景的铸型材料。
1．3 消失模铸造
消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新型铸造技术，它具有许多的优点，如，型砂不需要粘结剂、铸件落砂及砂处理系统十分简便，容易实现清洁生产；铸件没有分型面及起模斜度，可使铸件的结构高；加工装配时间减少，铸件成本可下降10％—30％等等。
初步试验研究表明，镁合金的特点非常适合消失模铸造工艺，因为镁合金的消失模铸造除具有以上特点外，还具有如下独特的优点：①镁合金在浇注温度下，泡沫模样的分解产物主要为烃类、苯类和苯乙烯等气雾物质，它们对冲型成型时极易氧化的液态镁合金具有自然的保护作用；②采用干砂负压造型避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷；③与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比较，其投资成本大为降低，干砂良好地退让性减轻了镁合金凝固收缩时的热裂倾向；金属液较慢和平稳的充型速度避免了气体的卷入，使铸件可经热处理进一步提高其力学性能。所以，镁合金的消失模铸造具有较巨大的应用前景。
镁合金的凝固和化学性能方面的特点，使得镁合金在消失模铸造中产生了很多问题，特别是浇不足和氧化燃烧。由于镁合金低的密度和比热容，气化泡沫模样所需要的热量来自高温液态镁合金的潜热从而阻碍了充型，而且镁合金的结晶温度范围宽，因此消失模充型时金属液的压头作用小，极易过早停止流动，产生浇不足缺陷。镁合金的化学反应可能通过使用在镁合金砂型铸造工业中应用的阻燃剂和辅助使用高孑L隙率的模样涂料进行控制，还可以采用可控气氛进行防止浇注时的氧化燃烧。另外，高密度的泡沫模样吸收更多的热量，产生更多的液态和气态产物，降低了镁合金的充型性。但泡沫模样在浇注过程中产生的还原性气氛降低甚至阻止镁合金的氧化燃烧，保证了镁合金在加工成型过程中的安全性，也有利于保证镁合金熔体的洁净优质。
2 变形镁合金
变形镁合金不同于铸造镁合金的液态成形，而是通过在300℃—500℃温度范围内挤压、轧制、锻造的方法固态成形。由于变形加工消除了铸造组织缺陷及细化了晶粒，故与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更好的力学性能，同时生产成本更低。
2．1 塑性变形
变形镁合金中，常用的合金系是Mg—Al—Zn系与Mg—Zn—Zr系。Mg—Al—Zn系变形合金——般属于中等强度、塑性较高的变形材料，铝在镁中的含量为0—8％，典型合金为AZ31、AZ61和AZ81合金，由于Mg—Al合金具有良好的强度、塑性综合性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系。Mg—Zn—Zr系合金一般属于高强度材料，其变形能力不如Mg—Al系合金，一般采用挤压工艺生产，典型合金为ZK60合金。属高强度变形镁合金的还有Mg—Mn系，其最主要的优点是具有优良的抗蚀性和可焊性，但铸造性能差，收缩率大，有热裂倾向，应用较少。另外，添加Nd、Th、Yb、Sc和Mn等元素可显著提高变形镁合金的耐蚀性。
目前镁合金的塑性成形过程主要为锻造和挤压，少量为轧制成形，且均需采用热加工方式。因此，变形温度是重要参数，同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。
1)锻压成形：镁合金锻造性能取决于3个因素：合金的凝固温度、变形速率及晶粒大小。为了保证良好的加工性能必须采用具有可锻性的AZ和ZK系镁合金坯料或坯棒。这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金元素得到满意的晶粒尺寸。但铸造组织的晶粒度一般不符合锻造要求，须先将铸锭加以挤压，得到锻造所需晶粒尺寸，再以高变速率锻造成形。镁合金在其固相线温度以下55℃范围内进行锻造，锻造温度过低可能形成裂纹。液压机和低速机械压力机是其模锻的常用设备。
2)挤压成形：镁合金可以挤压成各种管材、棒材和型材。包括带凹角和暗槽的型材，大直径和变截面厚度的薄壁管等难加工的产品。挤压材料也是AZ和ZK系镁合金，温度一般控制在300℃—460℃之间，具体温度的选择还和特定的合金牌号和挤压形状有关。因为镁在变形过程中会产生大量热，所以挤压过程中必须充分冷却，否则合金温度可能超过固相线温度而导致开裂。
3)轧制成形：铸造成平面形状且有圆形边缘的镁锭可以用来进行厚板和薄板的轧制。一般镁合金厚板厚度范围为11．0mm—70mm，薄板厚度为0．8mm—10mm。镁合金的冷轧性能不佳，一般厚板可以在热轧机上直接生产，而薄板一般采用冷轧和温轧两种方式生产。
镁合金热轧时，一方面要保证铸态组织得到充分变形，达到改善组织的目的，因此要有一定的变形量；另外，由于多晶镁合金滑移系少，晶粒不易产生宏观屈服而易在晶界产生大的应力集中，合金很容易发生晶间断裂。试验研究发现开坯时首次变形量控制在压下量s二30％左右最合适。镁合金板材在轧制以后一般要进行退火及热处理，加工组织发生再结晶。其退火温度应选择在靠近完全再结晶温度范围内。
2．2 超塑性变形
超塑性是指晶体材料在拉伸时表现出大的应变。已有的研究结果表明，镁合金在一定条件下不但具有很高的塑性，而且甚至出现明显的超塑性。当晶粒细化到一定程度(约10—6m)，镁合金可获得相对的超塑性。通常超塑性现象主要发生在高温(约等于0．7Tm，Tm为材料的熔点)，应变速率相对较低，工业生产中受到限制。Langdon提出了超塑性变形的两个必要条件：①局部缩颈受到限制；②空洞内部相互连接受到抑制。目前，采用高应变速率超塑性成形和低温超塑性成形获得细小晶粒。其中，等通道角挤压技术是低温超塑性的一种方法，在200 ℃温度下可使AZ91镁合金延伸率达到675％。
3 半固态成形
半固态成形技术，是在金属凝固过程中，将结晶过程控制在固—液两相共存温度，并通过剧烈搅拌破碎枝晶组织，从而获得一种金属母液中悬浮一定固相成分的固—液?昆合浆料，再采用压铸、模锻等成形加工工艺进行的金属成形技术。半固态加工，是一种新型、先进的工艺方法，与传统液态铸造成形相比，具有成形温度低(镁合金可降低100℃左右)，延长模具的寿命，改善生产条件和环境，细化晶粒，减少气孔、缩孔，提高组织致密性，提高铸件质量等优点，被认为是21世纪最具有发展前景的精密成形技术之一。根据工艺流程的不同，半固态成形通常分为流变铸(Rheocasting)和触变铸造(Thixocasting)两类：流变铸造是对冷却过程中的金属液进行搅动，将形成的固相枝晶破碎，形成一定固相分数的半固态金属浆料，然后将浆料注入压铸机或挤压机内成形(俗称“一步法”)；而触变铸造是先由连铸等方法制得具有半固态金属组织的锭坯，然后切成所需长度，用二次加热装置再加热到半固态状态，最后移送至压铸机等再压铸或挤压成形(俗称“两步法”)。
半固态成形过程一般包括非枝晶组织的制备、二次加热和半固态成形3个步骤。制备非枝晶组织的坯料是半固态成形的前提，机械搅拌法是最早采用的方法，其设备构造简单，但工艺参数不易控制，很难保证产品质量的一致性。目前工业化生产中，应用最为广泛的方法有：电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法(SIMA)和半固态等温热处理法(SSIT)以及化学晶粒细化法等。
3．1 电磁搅拌法
利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶组织。一般用于生产直径不大于150 mm的棒坯。该方法在很大程度上克服了机械搅拌的缺点，可实现连铸，生产效率高，是目前工业化生产中应用最为广泛的一种方法。
3．2 应变诱发熔化激活法(SIMA)
预先连续铸造出晶粒细小的合金锭，再将合金铸锭进行足够的预变形，然后加热到半固态。在加热过程中，先发生预变形，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态合金材料。此方法对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有独特的优越性，但只能制备直径小于60mm的坯料。
3．3 半固态等温热处理法
在合金熔融状态时加人变质元素，进行常规铸造，然后把锭坯重新加热到固液两相区进行保温处理(半固态等温热处理)，最终获得具有触变性的非枝晶组织。主要工艺参数有添加微量元素的种类、加入量、半固态等温温度和保温时间等。
3．4 化学晶粒细化法
是近几年开发的新方法。通过添加晶粒细化剂或变质剂，增加外来晶粒数量或改变结晶方式来细化晶粒组织，使生产的锭坯适合于半固态铸造。据报道，挪威NorskHydro公司已经通过化学晶粒细化法与特殊的凝固条件结合制备了镁合金AZ91的细晶粒铸锭。
半固态触变成形之前，先要进行局部重熔(二次加热)。应根据加工零件大小精确分割具有非枝晶组织的坯料，然后将其加热到半固态温度后再进行成形加工。其目的一是为了获得不同工艺所需的固相体积分数，二是将有些工艺(电磁搅拌，化学晶粒细化法等)获得的细小枝晶碎片逐渐长大，并转化成球状结构，从而为触变成形创造有利条件。
流变成形与触变成形技术的区别在于前者是由液态在冷却过程中形成半固态状态，再成形的过程；后者则是有固态加热至半固态状态，然后进入成形工艺的过程。与流变铸造相比，触变铸造易实现坯料的加热和输送自动化，是目前半固态铸造的主要工艺方法。但是，无论是流变成形还是触变成形，工艺流程较长，铸件工艺成本相对较高。
4 其它成形方法
镁合金材料的其他制备方法还有挤压铸造法，粉末冶金法，喷射沉积法，真空浸渍法以及目前仅用于Mg—Li基复合材料的薄膜冶金法等。
5 存在的问题及前景展望
近年来，镁合金应用逐年提高，但一些尚待解决的问题使得镁合金的广泛生产受到限制。表现在以下几个方面：镁的化学活性很强，在空气中易氧化，在高温情况下可以发生燃烧，因此熔炼过程中须采用复杂的保护措施。工业中主要采用熔剂保护法和气体保护法。熔剂保护法最大缺点是反应过程中产生的有害气体严重污染环境并损害人体健康；而气体保护法中经常采用且具有良好保护效果的SP6气体，但其温室效应是CO：的24 900倍12”；镁常温下成形性差，目前工业上应用的多为镁合金压铸件，限制了其它成形方法的运用；镁合金没有像铝合金那样大规模使用的另一个原因是其耐蚀性差，采用表面防护又增加了其生产成本。
联系客服
