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金屬液面氧化膜對鋁合金重力鑄造件質量的影響
“鑄造”是液態金屬成形工藝。處于高溫的液態金屬，在大氣中表面會被氧化，并產生氧化膜，這是眾所周知的。但是，長期以來，關于這種氧化膜對鋁合金鑄件質量的影響，基本上都只考慮金屬液中卷入非金屬夾雜物的問題，很少作更進一步的探討。 英國Birmingham大學的J...
“鑄造”是液態金屬成形工藝。處于高溫的液態金屬，在大氣中表面會被氧化，并產生氧化膜，這是眾所周知的。但是，長期以來，關于這種氧化膜對鋁合金鑄件質量的影響，基本上都只考慮金屬液中卷入非金屬夾雜物的問題，很少作更進一步的探討。
英國Birmingham大學的J. Campbell等，基于多年的研究，從宏觀和微觀方面發現折疊的氧化膜夾層(bi-films)對鋁合金鑄件的質量有非常重要的影響。Campbell等認為，對氧化膜夾層(bi-films)的認識是一項最令人振奮的發現。目前，我們暫將Campbell等得到的初步結論和見解稱為‘氧化膜夾層(bi-films)說’。
液態鋁合金中卷入的氧化膜夾層后，其對鑄件質量的影響大體上可分為兩個方面：一是宏觀方面，除割裂金屬基體使力學性能降低外，還會誘發氣孔和小縮孔等鑄造缺陷；另一是微觀方面，對晶粒大小、枝晶間距、鋁硅合金中Na和Sr的變質效果等都有重要的影響。
一.液態金屬表面氧化膜的特性
分析氧化膜的特性，不能不同時考慮其所依附的金屬母液的密度和熔點.在鋼、鐵方面，以鑄鋼件生產為例加以說明。鋼液被氧化產生的FeO，熔點和密度都比鋼液低得多，而且在高溫下的活性很強，基本上不可能單獨存在。FeO可以與SiO2結合成低熔點的FeO.SiO2，可以與鋼中的硅和錳作用生成MnO和SiO2并進而結合成MnO.SiO2，也可以與鋼中的碳作用生成CO，還會有小部分溶于鋼液。如果脫氧處理不當，或出鋼后鋼液被二次氧化，都會使鋼中非金屬夾雜物增多，或使鑄件產生氣孔或表面夾渣之類的缺陷。但是，鋼液表面產生的氧化物，熔點都低于鋼液溫度，只能聚集，不可能折疊成氧化膜夾層懸浮于鋼液中，因而也就不會有氧化膜夾層所造成的各種問題。
鋁合金和鎂合金的情況則與此完全不同，現以鋁合金為例簡要地說明如下：
鋁在液態下的活性很強，鋁液表面極易與大氣中的氧作用生成Al2O3薄膜。Al2O3的熔點比液態鋁合金的溫度高得多，而且非常穩定。Al2O3的密度又略高于鋁液。因此，Al2O3薄膜易懸浮在鋁液中，不會聚集而與鋁合金液分離。
在鋁合金液發生擾動時，表面的Al2O3薄膜就會折疊成夾層，并被卷入金屬液中，從而造成許多鋁合金所特有的問題。
二.氧化膜夾層的形成及其有害作用
鋁合金在熔煉過程中、自熔爐內傾出時、變質處理過程中、以高氣流速度進行噴吹凈化處理時以及澆注過程中，鋁合金液都會受到強烈的擾動。液態金屬表面的擾動，會拉動其表面上的氧化膜，使之擴展、折疊、斷開。氧化膜斷開處露出的清潔合金液面，又會被氧化而產生新的氧化膜。氧化膜的折疊會使其朝向大氣一側的干燥表面互相貼合，并在兩干燥表面間裹入少量空氣，成為‘氧化膜夾層’。
氧化膜夾層易于卷入金屬液中，還會在擾動的金屬液作用下被擠成小團。由于Al2O3的熔點比鋁合金液的溫度高一千多攝氏度，而且具有高度的化學穩定性，小團不會熔合，也不會溶于鋁合金中。雖然Al2O3的密度略高于鋁合金液，但裹入空氣后的氧化膜夾層的密度就比較接近于鋁合金液。因此，除在大型保溫爐內長時間靜置過程中氧化膜夾層可能下沉外，在一般鑄造生產條件下，都會比較穩定地懸浮于鋁合金液中。
已經懸浮有氧化膜夾層的鋁合金液，再次受到擾動時，又會產生更多的氧化膜夾層。鑄件生產過程中，合金的熔煉、自熔爐傾出、變質處理、凈化處理、澆注等作業都會使鋁合金液產生強烈的擾動，鋁合金液中除保留原有的氧化膜夾層外，還會因再次擾動而不斷增加新的氧化膜夾層。因此，進入型腔的金屬液中都含有大量微小的氧化膜夾層。
金屬液充滿型腔后，即處于靜止狀態，被擠壓成團的氧化膜夾層會逐漸舒展成為小片狀。金屬液冷卻到液相線以下后，枝狀晶的生核和長大，又是促進被擠壓成團的氧化膜夾層舒展的因素。
鑄件凝固后，大量小片狀氧化膜夾層本身就是小裂紋，起切割金屬基體的作用，當然會使合金的力學性能降低，而危害更大的卻是誘發氣孔和小縮孔的產生。
隨著液態金屬溫度的逐漸降低，氫在金屬液中的溶解度不斷下降，但是氫以氣孔的形式自液態金屬中析出是非常困難的。均勻的液相中產生另一種新相(氣相)時，總是先由幾個原子或分子聚集而成，其體積很小。這種體積微小的新相，其比表面積(即單位體積的表面面積)極大，要產生新的界面，就需要對其作功，這就是新相的界面能，即其表面面積與表面張力的乘積。鋁合金液冷卻過程中要得到這樣大的能量，實際上是不可能的。
即使產生了新相的核心，其長大也需要很大的能量，而且只有在新相的尺寸超過某一臨界值后才有可能長大。尺寸小于臨界值的新相核心不可能長大，只會自行消失。
理論上，氣相在液相中生核、長大是非常困難的。實際上。如果沒有其他誘發因素，在氫含量基本正常的條件下，均勻的鋁合金中因氫氣析出而產生氣孔的情況，是不可能發生的。
金屬液中含有大量懸浮的氧化膜夾層時，情況就大不相同了。氧化膜夾層中大都裹有少量空氣，當金屬液的溫度降低、氫在其中的溶解度下降時，氧化膜夾層中的小空氣泡對氫而言是真空，溶于金屬液中的氫向空氣泡中擴散是非常方便的。氫向小空氣泡中擴散，使氧化膜夾層張大，就在鑄件中造成氣孔。
如果鋁合金液的凈化處理作業良好，金屬液中的氫含量很低，鑄件中產生的氣孔就會很少。但是，如果金屬液中沒有氧化膜夾層，即使金屬液中氫含量較高，凝固時氫也只能以過飽和狀態固溶于合金中，不可能產生氣孔。
如果鑄件的補縮條件不好，凝固收縮過程中會產生縮孔。由于氧化膜夾層中是空的，易于拉開，縮孔也大都在氧化膜夾層處形成。在這種情況下，溶于金屬液中的氫也會向其中擴散，使孔洞擴大。
綜上所述，可以認為：對于鋁合金鑄件，氧化膜夾層是使材質力學性能降低、導致鑄件產生針孔氣孔類缺陷的主要原因。為提高材質的力學性能，提高鑄件的致密度，采取措施消除氧化膜夾層比加強脫氣凈化作業更為重要。
三.減少乃至消除氧化膜夾層的措施
由于認識氧化膜夾層的作用為時不久，目前，對于減少或消除鋁合金液中的氧化膜夾層，還沒有成熟的經驗，這正是今后我們所要面對的課題。按目前的認知，原則上可從以下幾方面入手：
合金熔煉過程中，應盡量避免液面氧化膜的擾動。但液面以下金屬液的對流和攪動不會導致氧化膜卷入；采用噴吹凈化處理，也有脫除懸浮于金屬液中的氧化膜的作用，但處理時應盡量降低氣流速度，使其對液面氧化膜的破壞作用降到最低程度；采用‘澆包澆注’方式時，最好采用茶壺嘴式澆包，以減輕對液面氧化膜的擾動；采用低壓鑄造工藝時，如能保持液流平穩地進入型腔，則鑄件本體的力學性能會明顯高于用常規工藝制造的鑄件；工藝設計時，必須力求澆注系統中的金屬液流平穩，不產生紊流，最好采用底注方式。
此外，應特別注意作為爐料的鋁合金錠的質量。
廢金屬的回收、再利用，對于可持續發展的工業社會是非常必要的。鋁和鋁合金重力鑄造制品的一個重要優點就是易于回收再生和再利用，與原生鋁相比，再生鋁可減少能耗約95%。目前，全球再生鋁用量約占金屬鋁總用量的三分之一。鑄造行業中再生鋁錠的用量也很可觀。
需要強調的是，再生鋁錠的質量差別很大。用不同廠家生產的化學成分相近的鋁錠，生產的鑄件的質量可以大不相同。同一廠家提供的不同爐次的鋁錠，質量也可以有很大的差別。再生鋁錠生產過程中，對其中氧化膜夾層不加控制，可能是造成這種差別的重要原因之一。
除大力呼吁加強再生鋁錠生產過程中的質量控制外，鋁合金鑄件生產廠家選用再生鋁錠時，一定要特別注意來料的質量考核，而且應有試生產階段。有些廠家寧可以較高的價格購買原生鋁錠配料，也不是沒有道理的。
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