湖南江雁机械厂增压器公司 邓益中
摘要：本文从铝合金铸件气孔类别分析入手，指出铝合金铸件气孔可分为点状针孔、网状针孔、综合性针孔三类；氢是造成铝合金铸件针孔的主要原因，而氢的主要来源则是由于水蒸气分解所产生的。因此，铝合金在熔炼过程中造成水蒸气产生的原因，也就是直接影响针孔形成的主要因素。由于铝合金铸件气孔对铸件的品质尤其是对其力学性能产生不良的影响，作者在文中论述了铝合金铸件气孔形成的主要因素，并针对铝合金铸件气孔形成的主要因素提出了相应的预防措施，文章最后扼要总结了预防铝合金铸件针孔必须遵守的“防”、“排”、“溶”工艺原则。
关键词：铝合金；铸件；气孔；针孔；氢；力学性能；金属型铸造；预防措施。
引言：在纯铝中加入一些金属或非金属元素所熔制的铝合金是一种新型的合金材料，由于其比重小，比强度高，具有良好的综合性能，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。随着国民经济的发展以及经济一体化进程的推进，其生产量和耗用量大有超过钢铁之势。加强对铝合金材料性能的研究，保证铝合金铸件具有优良品质，既是我们每一个科技工作者义不容辞的责任，也是同我们的日常生活息息相关的头等大事。本文结合作者铝合金铸件生产实践经验谈谈铝合金铸件气孔与预防问题。
1．气孔类别
由于铝合金具有严重的氧化和吸气倾向，熔炼过程中又直接与炉气或外界大气相接触，因此，如熔炼过程中控制稍许不当，铝合金就很容易吸收气体而形成气孔，最常见的是针孔。针孔（gas porosity/pin-hole），通常是指铸件中小于1mm的析出性气孔，多呈圆形，不均匀分布在铸件整个断面上，特别是在铸件的厚大断面和冷却速度较小的部位。根据铝合金析出性气孔的分布和形状特征，针孔又可以分为三类①，即：
(1) 点状针孔：在低倍组织中针孔呈圆点状，针孔轮廓清晰且互不连续，能数出每平方厘米面积上针孔的数目，并能测得出其直径。这种针孔容易与缩孔、缩松等予以区别开来。
(2) 网状针孔： 在低倍组织中针孔密集相连成网状，有少数较大的孔洞，不便清查单位面积上针孔的数目，也难以测出针孔的直径大小。
(3) 综合性气孔：它是点状针孔和网状针孔的中间型，从低倍组织上看，大针孔较多，但不是圆点状，而呈多角形。
铝合金生产实践证明，铝合金因吸气而形成气孔的主要气体成分是氢气，并且其出现无一定的规律可循，往往是一个炉次的全部或多数铸件均存在有针孔现象；材料也不例外，各种成分的铝合金都容易产生针孔。
2． 针孔的形成
铝合金在熔炼和浇注时，能吸收大量的氢气，冷却时则因溶解度的下降而不断析出。有的资料介绍②，铝合金中溶解的较多的氢，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。（氢在纯铝中的溶解度与温度的关系见图1③）。因此铝合金液在冷却的凝固过程中，氢的某一时刻，氢的含量超过了其溶解度即以气泡的形式析出。因过饱和的氢析出而形成的氢气泡，来不及上浮排出的，就在凝固过程中形成细小、分散的气孔，即平常我们所说的针孔（gas porosity）。在氢气泡形成前达到的过饱和度是氢气泡形核的数目的函数，而氧化物和其他夹杂物则在起气泡核心的作用
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溶炼和浇注铝合金，铸件中的针孔尤其严重。这就是我们在生产中常常有人纳闷干燥的季节总比多雨潮湿的时节铝合金铸件针孔缺陷少些的原因。
一般说来，对铝合金而言，如果结晶温度范围较大，则产生网状针孔的机率也就大得多③。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小空间之中，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（即补缩通道被阻塞），从而使合金中过饱和的氢气析出而形成针孔。
3． 形成气孔的氢气的来源与析出
铝合金中气孔的产生，是由于铝合金吸气而形成的，但气体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：氢气、氧气、水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等，这些气体主要是由燃料燃烧后产生的，而耐火材料、金属炉料及熔剂、与气体接触的工具等也可以带入一定量的气体，如新砌的炉衬、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以及空气量来决定的。普通焦炭坩埚炉，炉气成分主要为二氧化碳、二氧化硫和氮气；煤气、重油坩埚炉主要为水蒸气、氮气；而对目前大多数熔炼厂家使用的电炉熔炼来说，炉气成分主要是氢气。因此，采用不同的熔炼炉熔炼时，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，氢是唯一能大量溶解于铝或铝合金中的气体，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Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。由图1可知，氢在液态铝或铝合金中的溶液解度很大，而几乎不溶解于固态铝（在室温条件下，其溶解度约在0.003﹪以下）。
在铝合金熔炼时，周围空气中的氢气含量并不多，氢的最通常的来源是铝和水蒸气的反应，而水蒸气主要来源于炉气中的水分、设备及工具吸附的水分、一些材料的结晶水与铝锈Al(OH)2分解出来的水分等，其反应式如下：
3H2O(水蒸气)+2Al=Al2O3+6[H](1)
含镁铝合金由于还发生下列反应，更容易吸收氢：
H2O(水蒸气)+ Mg=MgO+2[H](2)
另外，金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生成氢：
4mAl+3CmHn=mAl4C3+3n[H] (3)
镁、钠、锂可以改变铝的表面的氧化膜，使活性氢原子容易进入；金属氟和铍则能在铝的表面形成更致密的氧化膜，降低氢向铝液或铝合金中扩散的速度，对铝合金起到保护作用。形成氢化物的元素，如钙、钛、锂、铯等金属均能强烈地扩大氢在铝液中的溶解度。不同温度下活性氢原子在铝液或铝合金中的溶解度见表1。
4． 气孔对铝合金铸件性能的影响
针孔对铝合金性能的影响主要表现在能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，加强对气孔等级对力学性能的影响研究，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GB10851-进行，当有争议时按表2规定执行；X射线照相按GB11346-铝合金铸件针孔分级标准执行，该标准选用目前工业生产中常用的两种合金ZL101（Al-Si-Mg系）和ZL201（Al-Cu-Mn系）, 并在T4状态测定бb和σ5的试验结果表明（ZL101T4、ZL201ST4各种针孔试样的力学性能分别见表3、表4）：铸件力学性能与针孔等级之间是线性相关关系，随着针孔等级级别增加，力学性能逐步下降；针孔等级每增加一级，力学性бb下降3%左右，σ5下降 5%左右。对铝合金铸件切取性能试样要求，铸件允许存在的针孔级别详见GB9438-8
这里应当指出的是，由于铸件壁厚效应的影响，即使针孔严重程度相同，壁厚大的部位力学性能下降，壁厚小的则较高。由于铸件的力学性能取决于多种因素，不仅与针孔等级有关，还与合金的化学成分的波动、铸 件的凝固速度、热处理效果、其他缺陷的存在因素有关，所以同一级别的针孔试样，力学性能将在一个相当大的范围内波动。
5． 铝合金铸件针孔形成的主要因素
综上所述，针孔是铝合金铸件中容易出现的且对铸件品质造成一定影响的一种铸造缺陷，氢是造成针孔的主要原因（有的资料介绍，铝液中所溶解的气体中80%-90%是氢），而氢的主要来源是水蒸气分解所产生的。因此，铝合金在熔炼过程中造成水蒸气产生的原因，也就是直接影响针孔形成的主要因素。影响针孔形成的主要因素有：
5.1 原材料、辅助材料的影响
在铝合金熔炼浇注过程中，所使用的原材料、辅助材料、一些材料中的结晶水和铝锈AL（OH）2分解会产生水分，造型材料中有多种有机和无机辅料带有的水分，铸型材料中的辅料、涂料等因为预热不良含有的水分等等，在铝合金熔炼浇注时，会因水蒸气的分解而产生大量的气体，这些气体都有可能导致铸件产生气孔。涂料中粘结剂，虽然可以增加涂层厚度，但也相应增大了发气量。
5.2 熔炼设备及工具的影响
不同熔炼设备熔化铝合金时，铝合金的吸气量和形成气孔的程度是不同的。新坩埚及有锈蚀、污物的旧坩埚，使用前应吹砂或用其他方法清除干净，并加热至700℃-800℃，保温2h-4 h，以去除坩埚所吸附的水分和其它化学物质，否则会因含有水分而在熔炼浇注时产生水蒸气而导致形成气孔。新砌的炉子，通常也需要使用几天或几周的时间进行烘炉干燥处理，否则耐火材料中含有的水分及化学结合的氢就无法释放而导致熔炼时形成气孔。
熔炼用的工具如浇包、除气用的钟罩等，使用前应将表面残余的金属、氧化皮等污物清除干净；铝镁合金使用的工具，使用前则要求放在光卤石等熔剂中洗涤干净。然后涂上防护涂料并进行预热烘干。如果预热不良，表面吸咐的水分，会在熔炼浇注过程因加热形成水蒸气而产生大量的气体，导致铸件针孔的形成。
5.3 气候的影响
一般情况下，周围空气中的氢气含量并不多，但空气中如果相对湿度大，则会增加合金液中气体的溶解度，形成季节性气孔，如在雨季，由于空气湿度大，铝合金熔炼时针孔产生的现象就严重些。当然，空气湿度大时，铝合金锭 、熔炼设备、工具等也会因空气潮湿而增加表面水分的吸附量，因此更应注意采取有力预热烘干防护措施，以减少气孔的产生。
5.4 熔化操作的影响
铝合金熔炼时，由于氢气溶解到铝液中需要一个过程，因此加强熔炼过程的控制，对控制铝合金吸气量是大有文章可做的。生产实践表明，铝液吸氢是在表面进行的，它不仅与铝液表面的分压有关，还与合金熔炼温度、熔炼时间等有较大的关系。合金熔化温度越高，熔化时间和熔化后铝液保持时间越长，氢在铝液中扩散就越充分，铝液吸氢量就越大，出现针孔的几率就越大。有人曾做试验，铝液存放时间越长，铝合金内含气量近似成比例增加。因此，我们在大量生产条件下，为了减少铝合金熔炼时吸收氢气，一定要严格执行铝合金熔炼工艺规程，一般铝合金熔化后保持时间不能超过3h-5h，铝合金熔化温度也不能过高，一般控制在760℃以下，最高初始熔炼温度不应超过920℃。
5.5 砂型铸造铸型的影响
铸型含水量高，铝合金中含氢量就越高。有人用同炉合金浇入不同含水量的铸型，经测定合金中氢气含量有很大区别③：铸型含水量为5%时，铸型中含氢量为1.5ml/100g；铸型含水量为6%时，铸型中含氢量为2.5ml/100g；铸型含水量为8%时，铸型中含氢量为3.0ml/100g。因此砂型铸造铝合金时，最好采用干燥或表面干燥型，如用湿型，含水量应控制在6%以下。这是因为湿型铸造时，由于水分的汽化温度低，当加热到铝液熔化温度时，砂型中会产生大量的气体，随着压力增大，体积发生膨胀，压力大的气体就会进入型腔或型腔中的铝液，导致侵入性气孔的形成。
5.6 金属型铸造型腔的影响
由于金属型铸造没有退让性和无透气性等特点，金属型在充填和浇注过程中，型 腔内的气体一方面随着铝液金属的充填被压缩；另一方面又被迅速强烈加热，引起压力升高，结果造成充型反压力，阻碍铝液金属充填型腔，当压力超过一定极限时，气体就可能冲破金属液流束的表层，通过内浇口向外逸出，破坏金属液连续流动，并造成强烈氧化，在气体穿越金属液时，如果受到初晶或凝固层的阻挡，便会留在金属液中形成气孔。当带有砂型的金属型铸造时，液体金属在充填过程中，砂型受到粘结剂分解以及涂料未烘干或金属型预热不充分的影响，都会增加型腔内的气体量，当型腔内的气体不能充分排出时，气体便滞留于铸件形成气孔，而部分残留气体则富集于铸型壁与金属液之间形成“气阻”，这些气阻则使铸件出现浇不足或冷隔缺陷。
6．预防铝合金铸件针孔形成的主要措施
由以上分析可知，铝合金铸件容易产生针孔缺陷。它与铝合金本身特性有关系，也与一系列的外界因素有关。为了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予以预防。
6.1 认真做好熔炼浇注时的准备工作
6.1.1 严格按工艺规程要求，正确处理好炉料。炉料使用前应用吹砂或其它方法去除炉料表面的锈迹、泥沙等污物，并进行炉料预热，预热温度：350℃-450℃，保持3h以上，严防带入水分和油污等。按QJ169-75要求的I类铸件，只允许使用一级回炉料，Ⅱ、Ⅲ类铸件允许使用二级回炉料，但Ⅱ类铸件回炉料的总量不允许超过70%，三级回炉料不允许用于基本产品的生产。
6.1.2 坩埚、锭模、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℃，涂以防护涂料。
6.1.3 新坩埚、新砌炉子、有锈蚀的旧坩埚，使用前应用吹砂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℃，保温2h-4h，以去除坩埚所吸附的水分及其它化学物质。
6.1.4 已经涂料的坩埚 、锭模、熔炼工具使用前，均须预热，坩埚应预热至暗红色（500℃-600℃）；熔炼工具应预热至200℃-400℃，保持2h以上（除使用感应炉熔炼合金时，坩埚可不预热外。）
6.2 严格执行工艺规程，力求做到快速熔炼
铝合金在熔炼时，要力求做到快速熔炼，缩短高温下停留的时间。Al-Mg合金和其它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，以防止铝合金吸气，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。根据QJ1182-87标准，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760℃，坩埚底部涂料厚度不得小于６0ｍｍ。
6.3 加强潮湿季节预防措施
在雨季或空气潮湿时节铸造铝合金，我们更应加注意采取预防去气防护措施，对熔炼用具、锭模、坩埚、炉料等都要严格按规范进行预热处理，以防带入过多的水分和油污等，引起各类针孔的产生。
6.4 精炼去气，去除铝合金中的气体
一般情况下，所谓“去气”（又叫“除气”）就是去除合金中的气体，“精炼”就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并在一起进行，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，去气也就是主要去除氢气。目前去气的主要办法是在铝合金中通过精炼除气剂制造大量的气体（气泡中的气体可能是铝液内部经化学反应产生的，也可能性是经由部分精炼除气剂加入直接带入的），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），由于气泡比重轻，当气泡上浮到铝液表面时，气泡破裂，氢气逸入大气之中，最终达到去除氢气的目的（氯气及氯盐去气原理示意图见图２）。
图 2. 氯气及氯盐去氢原理示意图
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用氯盐和氯化物除气，用氯气、氮气除气，用真空除气，用超声波除气，过滤除气等方法。，常用精炼除气剂的用途见表5。采用氯盐和氯化物除气剂除气时，要用钟罩将除气剂压入坩埚底部100mm，沿坩埚直径1/3处（距坩埚内壁）的圆周匀速移动。为了不使铝液大量喷溅，除气剂可分批加入，除气结束除渣，并按表6规定的时间进行静置。
6.5 增加气体在合金中的溶解度
采用快速或高压下凝固的方法，提高气体在铝合金中的溶解度，促进气体来不及或不能析出，从而达到消除针孔的目的。具体方法限于篇幅，在此不做过多阐述。
6.6 采用工艺方法进行除气
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。这里仅以金属型铸造去气预防措施为例做一简易介绍。由于金属型铸造具有无透气性特点，在设计金属型时就必须有排气预防措施，其生产中常用的排气方式有：
（1）利用分型面或型腔零件的组合面的间隙进行排气：因为金属型零件在组合时，总会有间隙，一般分型间隙在0.08mm-0.15mm之间，活动零件间隙在0.1mm-0.2mm之间，利用这些间隙可用来排气，但不允许为了排气而过分扩大间隙，造成金属液阻塞，从而使铸件上毛刺增加，降低铸件尺寸精度。
（2）开排气槽：即在分型面或型腔零件的组合面上，芯座与顶杆表面上做排气槽，这样既能排气，又能蓄气，阻止液体金属流入，故在金属型铸造和金属型低压铸造时被广泛采用。
（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）设计排气塞：排气塞是金属型常用的排气设施。在一平面上需要设制数个排气塞时，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。如在铸件肥厚部分设计排气塞，排气塞可用导热性好的铜制作，同时还可以起到加强铸件冷却的作用。排气塞安装的位置和数量，常在金属型修正时确定。在金属型小批量生产时，为简化排气塞的制作，常在需要设置排气塞的地方，钻ф5-10毫米的小孔，孔内塞以水玻璃砂，也可以起到排气塞的作用。
7.预防铝合金铸件气孔形成应遵循的工艺原则
以上分析了铝合金铸件气孔形成的主要因素，并针对性地论述了一系列相应的预防措施，目的就是要在铸件中防止生成气孔和夹杂，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，消除气孔和氧化夹杂，我们可以用“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炉中。
“排”：就是要排除铝液中的氧化夹杂和氢气，因为只有有效去除悬浮在铝液中的弥散状的夹杂物（主要是Al2O3），才能防止铝液增氢，消除去氢障碍，从而获得纯净的铝液，浇出合格的铸件。“渣既尽，气必除”说的就是这个意思。
“溶”：就是要使铝液中的氢在凝固时能部分地或者全部地固溶在合金组织中，不致在铸件中形成气孔。
因此，在铝合金熔炼安排和选择“防”、“排”、“溶”三套工艺措施时，我们必须遵循“以防为主，以排为辅”的工艺原则，但最佳的熔炼或重熔方法，着眼点应仍放在“防”字上。
当然，铝合金熔炼或重熔时，贯彻“以防为主，以排队为辅”的原则，正确实施“防”、“排”、“溶”三套工艺措施，还必须具有过硬的熔炼操作基本功，熔炼操作基本功包括：精炼设备、熔炉炼工具的准备和处理，溶剂、变质剂的预制，精炼、变质除渣的技巧，搅拌操作的技巧和合理浇注等等，我们只有具备了过硬的操作基本功，才能真正有效地预防铝合金铸件气孔的形成。
参考文献
[1] 机电部沈阳铸造研究所全国铸造信息网。铸件缺陷分析。沈阳：机电部沈阳铸造研究所，19。
[2] 杭州学林科技开发服务部铸造研究室。铝合金标准及新工艺。杭州：杭州学林科技开发服务部铸造研究室，2002。 下载本文
