?5 ×××鋁合金加工過程中的冶金缺陷及防止措施

摘要：全面論述了5×××系鋁合金中添加元素Mg、Mn及有益微量元素稀土和Ti、B等對合金微觀組織與鑄造性能的影響，F(xiàn)e、Si 、Na、H等雜質(zhì)元素產(chǎn)生的危害。闡述了5×××合金半連續(xù)鑄造的熔體凈化、精煉、雜質(zhì)控制及影響。簡介了5×××系鋁合金加工過程中產(chǎn)生的冶金缺陷及防止措施。

關(guān)鍵詞：5×××鋁合金；添加元素；冶金缺陷；防止措施

5×××系鋁合金屬于變形鋁合金中的鋁—鎂合金，是熱處理不可強化的合金，應(yīng)用較廣。該系合金具有中等強度，耐蝕性、加工性能與焊接性能好

1   5 ×××系鋁合金中合金元素及其作用

1.1  主要合金元素鎂的作用

共晶溫度下Mg 在Al 中的最大溶解度為17. 4 %,隨溫度降低，溶解度迅速減少。因冷卻速度不同，室溫下Mg在Al中的固溶度差別很大,緩慢冷卻時，溶解度小于1. 0 % ，在半連續(xù)鑄造的快速冷卻條件下，溶解度為3 %～6 %。雖然合金中Mg的溶解度隨溫度降低而迅速減少，但由于析出相形核困難，核心少，析出顆粒大，因而合金的時效強化效果差。5 ×××系鋁合金中Mg含量范圍較寬，含Mg最低的5A43合金中Mg含量為0. 6 %～1. 4 % ，最高的5A13合金中的Mg含量達到9. 2 %～10. 5 %。世界上常用變形鋁2鎂合金中Mg的含量為0. 8 %～5.2 %。Mg 在Al中可形成β(Mg₂Al₃) 相，起彌散強化作用。隨著Mg含量的提高，合金強度提高、塑性下降。當Mg 含量大于3. 5 %時，第二相β(Mg₅Al₈ 、Mg₂Al₃) 可能沿晶界、亞晶界析出，第二相β相對基體α(Al) 來說是陽極，優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使合金具有很大的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性。

     鎂對鋁的強化是恨明顯的，每增加1%的鎂，抗拉強度大約升高34MPa。圖一是鎂元素對對伸長率和屈服強度的影響，屈服強度隨鎂含量的增加而增加，但鎂含量過高，?相（Mg5Al8）優(yōu)先在晶界和滑移帶沉淀，因而可能導致晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。所以大部分工業(yè)用地變形鋁合金中，鎂的含量均小于6%。

                圖一  鎂元素對伸長率和屈服強度的影響

1.2  主要合金元素錳的作用

     加入錳元素，主要是起固溶作用，加錳后可降低鎂的含量，同時降低熱裂傾向，但錳的含量應(yīng)控制在1%以下。錳還能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，抑制晶粒長大。下圖是錳對再結(jié)晶溫度、抗拉強度和延伸率的影響。從圖上看出，再結(jié)晶溫度和抗拉強度隨著錳含量的增加而增加，但是延伸率當錳含量超過0.8%時呈現(xiàn)下降趨勢，所以工業(yè)上一般控制錳含量在1%以下。

圖二  錳對再結(jié)晶溫度的影響

       圖三   錳對抗拉強度的影響    圖四   錳對伸長率的影響

1.3  有益微量元素的作用

1.3.1  Ti和B的作用

鈦是鋁合金中常用的添加元素，以Al—Ti—B中間合金的形式加入。鈦和鋁形成TiAl₃相，成為結(jié)晶時的非自發(fā)核心，起細化鑄造組織的作用。

1.3.2  稀土元素的作用

     在鋁合金中加入微量稀土元素，可以顯著改善鋁合金的金相組織,細化晶粒，去除鋁合金中氣體和有害雜質(zhì)，減少鋁合金的裂紋源，從而提高鋁合金的強度，改善加工性能，還能改善鋁合金的耐熱性和韌性。稀土元素的加入使得稀土鋁合金成為一種性能優(yōu)良、用途廣泛的新型材料。研究表明，稀土含量為0. 15 %～0. 25 %時，它不僅能細化晶粒，而且能有效地控制枝晶組織的粗化，對后續(xù)加工有利。稀土對鋁合金晶粒細化機理可以從以下幾點得到解釋：一是稀土可作為鋁合金的精煉劑，對熔體具有除氣作用，大大減少了針孔率；二是稀土的加入明顯降低了鋁合金的雜質(zhì)含量，加強了合金化程度。

    目前鋁合金中常加入的稀土元素為Ce、Er、Sc等。稀土Ce 的加入使鋁—鎂合金的晶粒細化，晶界面積增加，宏觀韌性增強，合金的疲勞壽命大大增加(1倍多) ，切裂紋擴展速度減緩，試樣裂紋更多地穿晶擴展。在5A03合金中添加微量Er，其鑄態(tài)顯微組織中枝晶網(wǎng)胞尺寸明顯減小，網(wǎng)胞間共晶化合物也更稀薄，而且在晶粒內(nèi)部可見細點狀第二相Al₃Er 、Al₃Er對合金基體有變質(zhì)作用。Al₃Er相與基體有較好的匹配關(guān)系，能成為非均質(zhì)形核核心。稀土Er的存在使合金凝固時固液界面溶質(zhì)再分配而增大過冷度，使鋁—鎂合金的共晶化合物更細小，分布更均勻。

1.4  有害雜質(zhì)的控制

1.4.1  Fe和Si的控制

     Fe和Si是合金中得有害雜質(zhì)元素，從加工性能考慮，往往要求Fe大于Si的含量，當Fe和Si的比例不當時，鑄造過程中會引起鑄錠裂紋。圖六是Al—Mg合金中Fe、Si含量與裂紋傾向的關(guān)系。圖中數(shù)字表示裂紋率，曲線右下方裂紋傾向大。工業(yè)上一般加入錳減少Fe的危害，因為錳可與鐵形成MnAl₆而沉淀析出。

圖五   Fe、Si含量與裂紋傾向的關(guān)系

1.4.2  有害雜質(zhì)Na的控制

     微量雜質(zhì)Na使鋁合金熔體粘度變大,鑄造拉裂傾向增大。而且當Na含量較高時，鋁—鎂合金鑄造組織晶界處球狀質(zhì)點多、密集，第二相體積分數(shù)變大。Na能強烈損害合金的熱變形性能，出現(xiàn)“鈉脆性”，在高Mg鋁合金中尤為突出。在含Na 0. 0013 %的5083合金熱軋和室溫拉伸時會發(fā)生脆性斷裂，呈解理和沿晶的混合狀斷口。微量元素Na會導致鋁—鎂合金發(fā)生脆性斷裂。鈉脆性是由于熔點低、不溶于鋁中的游離Na富集于晶界造成的。

1.4.3  有害元素 H

在鋁—鎂合金中，由于Mg的存在，進入熔體中的H₂O在高溫下更易與Mg反應(yīng)生成H，由于H不能與Al 、Mg 反應(yīng),一部分結(jié)合成H₂ 分子，形成氣泡，另一部分H溶于鋁熔體中。H在鋁熔體中的溶解度很大，在結(jié)晶過程中隨溫度下降溶解度急劇降低，H在液體鋁和固體鋁中的溶解度分別為0. 65 cm3/ (100gAl) 和0. 10～0. 034 cm3/ (100gAl)。因此，在結(jié)晶過程中由熔體析出的H形成H₂可能以氣泡的形式由結(jié)晶的液穴表面放出。但是,在半連續(xù)鑄造的結(jié)晶條件下，能由液穴表面放出的H₂很少，大部分被包裹在處于粘塑狀的熔體中，在隨后的鑄造中形成氣孔、疏松等鑄造缺陷。

2   5×××合金的熔煉控制

鑄錠生產(chǎn)的基本任務(wù)是獲得成分、組織性能、表面質(zhì)量和尺寸形狀符合要求的錠坯。鑄錠生產(chǎn)是金屬材料生產(chǎn)工藝的第一道工序，在這一工序中產(chǎn)生的冶金缺陷，如偏析、晶粒粗大、氧化物及金屬間氧化物、氣泡等，都給后續(xù)帶來很多不利的影響。因此，熔鑄過程中必須嚴格控制。

鑄錠生產(chǎn)包括熔煉和鑄造，即熔鑄過程，它包括備料、熔化、精煉、調(diào)整成分、溫度、澆注等工序。為保證鑄錠的化學成分符合要求，必須了解合金成分在熔鑄過程中得變化情況，要得到氣體、夾渣少、流動性好的熔體，必須了解氣體和氧化夾渣的物化性質(zhì)，氣體與金屬相互作用的規(guī)律，掌握去氣、去渣的精煉工藝等等。所以要得到組織細密、性能均一、沒有氣孔、縮孔、疏松和裂紋等缺陷的合格鑄錠，必須了解鑄錠成形過程及影響鑄錠結(jié)晶組織的各種因素，掌握鑄錠工藝等。

2.1  熔體成分控制

   以下主要討論合金成分在熔煉過程中發(fā)生變化的一般規(guī)律，如金屬氧化燒損、夾渣。

2.1.1 金屬鎂的氧化燒損

在熔煉時應(yīng)避免形成疏松的氧化膜。五系合金中主要元素是鎂，鎂熔點低，易被氧化燒損，合金中鎂含量越高，表面氧化膜的致密性就越低，抗氧化能力就越低。氧化膜致密度差會造成以下危害：氧化膜失去保護作用，合金燒損嚴重，吸氣性增加，易形成氧化夾渣、疏松，降低鑄錠質(zhì)量，導致裂紋傾向性增加。因此加鎂時，將鎂放在特定的加料器內(nèi)，迅速侵入鋁液中，往復攪動，使鎂錠逐漸熔化于鋁液中，切加鎂后立即撒一層覆蓋劑防止氧化。同時在加鎂后的熔體中加入少量的鈹，改善氧化膜的性質(zhì)，提高抗氧化能力。

2.1.2 雜質(zhì)的吸收和積累

在熔煉過程中，一方面因氧化造成一些元素的含量減少，另一方面從爐襯、爐氣中吸收雜質(zhì)，或者由于氧化、揮發(fā)性小的元素積累，合金某些成分或雜質(zhì)允許量超標，造成化學廢品。

雜質(zhì)的吸收和積累，主要是由于金屬液與爐襯、爐渣、爐氣的相互作用，或因混料造成的結(jié)果，它與合金和爐襯的性質(zhì)、爐料的純度及熔煉工藝有關(guān)。

2.1.2.1 雜質(zhì)的來源

（1）從爐襯中吸收雜質(zhì)。金屬與爐襯相互作用不僅降低了爐子的使用壽命，而且還會使某些雜質(zhì)進入金屬。如：

   （3FeO）+(2Al) = （Al₂O₃）+（3Fe）

污染金屬。熔煉溫度越高，金屬在爐內(nèi)運動溫度越劇烈，這種液—固相間的反應(yīng)進行的越劇烈。

（2）從爐氣中吸收雜質(zhì)。使用煤氣爐熔煉鋁合金是，煤氣中的水蒸氣會與Al發(fā)生化學反應(yīng)：Al + H₂O（蒸汽）→ H₂+Al₂O₃。產(chǎn)生Al₂O₃夾渣，同時增加吸氣性。

（3）從其它爐料及爐渣中吸收雜質(zhì)。同一熔爐先后熔煉兩種成分不同的合金時，由于合金中主要成分及雜質(zhì)含量不同，若前一種合金成分正好是后一爐的雜質(zhì)，此時，若不洗爐就直接熔煉，則前一爐存在爐襯及爐渣中得部分合金，將會使后者某一成分或雜質(zhì)增多，以致造成嚴重的化學廢品。

2.1.2.2 減少雜質(zhì)污染的途徑

   熔體的純凈化是提高材料性能的重要途徑，因此，現(xiàn)在對材料的純度的要求越來越高。為了防止雜質(zhì)的吸收和積累，可采用下列措施：

（1）先用化學穩(wěn)定的耐火材料。

（2）才可能的條件下，采用純度較高的純金屬，合格返回料不超過爐料的50%，以保證合金純度的要求。

（3）所有的與金屬液接觸的工具，盡可能采用不會帶入雜質(zhì)的材料或用涂料保護好。

（4）換爐熔煉含有元素不同的合金或成分，需要洗爐。

2．2  合金成分控制方法

   合金成分控制室熔煉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，除了采取控制燒損以外，還要做好以下準備：備料、配料、制訂合理的加料順序、做好爐前的成分分析和調(diào)整等。

2.2.1 爐料選擇

在保證性能和降低成本的條件下，盡量少用純度高的金屬，合理使用舊料，舊料一般占爐料的40～60%。舊料過多易造成化學成分超標和鑄錠夾渣。

2.2.2 爐料處理

使用前要處理干凈，不應(yīng)含有水分、泥土、油污等，避免產(chǎn)生氣體造成疏松。大尺寸廢料應(yīng)先鋸斷，小而薄的邊角料須先打捆。鋸末廢料要清洗、烘干、打包、重熔、分析成分及雜質(zhì)后才能配入爐料。2.3  熔爐準備

熔爐的正確選擇與合理使用是保證獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低成本金屬熔體及制品的重要條件之一。

2.3.1 洗爐

    目的是將殘留在熔池內(nèi)各處的金屬和爐渣清除爐外，以免污染另一種金屬，確保產(chǎn)品的化學成分。清除大量非金屬夾雜物。

（1） 新修、中修和大修后的爐子生產(chǎn)前進行洗爐。

（2） 長期停歇的爐子根據(jù)實際情況決定是否洗爐。

（3） 前一爐的合金為后一爐的雜質(zhì)時洗爐。

（4） 雜質(zhì)高的合金轉(zhuǎn)純度高的合金時需要洗爐。

2.3.2 清爐

   將爐內(nèi)結(jié)存的殘渣徹底清除爐外，避免成分不合，防止產(chǎn)生氧化夾雜。純鋁是20爐清一次，合金時10爐請一次。

2.3.3 換爐

   換爐的順序應(yīng)根據(jù)下列原則安排：1）前一爐合金元素不是下一爐合金的雜質(zhì)；2）前一爐合金的雜質(zhì)量低于下一爐的雜質(zhì)量。

2.4   成分調(diào)整

熔煉過程中，由于各種原因會使陳分發(fā)生改變，因而需要爐料熔化后，取樣快速分析，根據(jù)分析結(jié)果確定是否要進行成分調(diào)整。要求成分調(diào)整要快和準，保證成分符合要求，主要方法有兩種：補料和沖淡。

2.5  熔體精煉

   熔體精煉的任務(wù)在于去氣去渣，其實質(zhì)就是與金屬的氧化、吸氣和其他雜質(zhì)作斗爭。

2.5.1 除渣精煉

     金屬中非金屬夾雜物的含量與分布，是反映金屬熔體冶金質(zhì)量的重要指標。它們的存在會破壞金屬熔體的連續(xù)性，降低金屬的塑性、韌性和耐蝕性，惡化金屬的工藝性能和表面質(zhì)量。

2.5.1.1 非金屬夾雜物的種類和來源

鋁液中的非金屬化合物，主要是氧化物和少量的氮化物，都是以獨立形式存在，一般稱為夾雜或夾渣。

夾雜物的來源可分為外來夾雜和內(nèi)生夾雜。外來夾雜是由原材料或熔煉過程中卷入金屬的耐火材料、熔劑、銹蝕產(chǎn)物，爐氣中得灰塵以及工具上得污染物等。內(nèi)生夾雜是在金屬加熱及熔煉過程中，金屬與爐氣、熔劑以及其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的化合物。

2.5.1.2 除渣原理

（1）密度差作用  金屬液靜置時，非金屬夾雜和金屬熔體密度不同，因而產(chǎn)生上浮或下沉。

（2）吸附作用  向金屬熔體中導入惰性氣體或氮氣，在氣泡上浮過程中，與懸浮狀態(tài)的夾雜相遇時，夾雜便可能吸附在氣泡的表面而被帶出熔體。

（3）機械過濾  在澆注過程中，金屬熔體通過過濾介質(zhì)，對非金屬夾雜物的機械阻擋作用。

2.5.2 金屬中得氣體及脫氣精煉

   加熱與熔煉過程中，液態(tài)金屬吸附H₂、O₂、N₂，致使鑄錠中產(chǎn)生氣孔、疏松、板帶材起泡及分層，甚至發(fā)生氫脆。鋁合金熔體主要吸收的的氣體是H₂。因此，除氣也就是除氫。

2.5.2.1 氣體的來源

熔煉過程中氣體的來源

2.5.2.2 除氣原理

   用導管將氮氣（或者惰性氣體或混合氣體）通入熔體中，利用氣泡中開始沒有氫氣，氣泡內(nèi)氫的分壓為零，而熔體中得氫分壓遠遠大于零，基于氫氣在氣泡內(nèi)外的分壓力之差，使熔體中氫原子向這些氣泡內(nèi)擴散，并在其中復合為分子氫。這一過程將進行到氣泡內(nèi)的分壓差相等為止，即處于平衡狀態(tài)。進入氣泡內(nèi)的氫氣隨著氣泡上浮和逸出，被排除在大氣中。

3   5×××冶金缺陷及防止措施

有色金屬材料生產(chǎn)中，約有70%的廢品與鑄錠存在缺陷有關(guān)，因此，識別和分析鑄錠中得缺陷和及其成因，找出防止或減少這些缺陷的方法，對提高鑄錠和加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的意義。

鑄錠加工過程中常見的缺陷有數(shù)十種，如偏析、裂紋、夾渣、縮孔、性能不和、表面氣泡、張嘴、分層、波浪等。產(chǎn)生的原因很多，但是很多缺陷又與鑄錠密切相關(guān)或是因為鑄錠本身原因造成的。以下重點討論主要的冶金缺陷：偏析、縮孔與縮松、裂紋、氣孔、夾雜與氧化膜。

3.1  偏析

   鑄錠中化學成分不均勻的現(xiàn)象，分顯微偏析和宏觀偏析，前者是晶粒范圍內(nèi)的偏析，后者主要是指大范圍內(nèi)的區(qū)域偏析。

3.1.1顯微偏析

 枝晶偏析：在生產(chǎn)的條件下，由于鑄錠冷凝較快，固液兩相中溶質(zhì)原子來不及擴散均勻，枝晶內(nèi)部先后結(jié)晶部分的成分不同。

電子探針顯示的枝晶偏析情況

晶界偏析：k﹤1的合金，溶質(zhì)不斷從固相向液相中排出，導致最后凝固的晶界含有較多的溶質(zhì)和雜質(zhì)，即形成晶界偏析。

晶界偏析形成過程示意圖

a—晶粒相向生長     b—晶粒平行生長

胞狀偏析：當固溶體合金鑄錠定向凝固時得到胞狀晶，k﹤1的溶質(zhì)也會在胞狀晶晶界偏聚，形成胞狀偏析。

枝晶偏析可以通過加工和熱處理消除，但晶界偏析不能。

3.1.2 宏觀偏析

正偏析與反偏析：正偏析是在順序凝固下，溶質(zhì)k﹤1的合金，固/液界面處液相中得溶質(zhì)含量越來越高，因此越是后結(jié)晶的固相，溶質(zhì)含量越高；而k﹥1的合金，越是后結(jié)晶的固相，溶質(zhì)含量越低，此種成分不均勻現(xiàn)象稱為正偏析，反偏析正好相反。

正偏析與晶粒組織的關(guān)系

1：激冷區(qū) 2：柱狀晶區(qū)  3：偏析最大區(qū) 4：中心等軸晶區(qū)

帶狀偏析：當金屬液中溶質(zhì)的擴散速度小于凝固速度時，在固液界面前沿出現(xiàn)偏析層，使界面過冷度降低，界面生長受到抑制。但在界面上偏析程度較小的地方，晶體將優(yōu)先，生長穿過偏析層，并長出分枝，富溶質(zhì)的液體被封閉在枝晶間。當枝晶繼續(xù)生長，并與相鄰枝晶相連時，再次形成宏觀平界面，平界面均勻向前生長一段距離后，又出現(xiàn)偏析和界面過冷，界面生長重新受到抑制，如此周期性地重復，在定向凝固的鑄錠斷面上就形成條狀的帶狀偏析。

              帶狀偏析形成機理示意圖（a—g）

重力偏析：互不相溶的兩液相或固液相的密度不同而產(chǎn)生的偏析。

3.1.3  偏析防止措施

（1）嚴格控制合金的配料和熔煉過程，防止低熔點和高熔點的雜質(zhì)混入合金液。

（2）由于不同元素的比重是不同的，如硅和鋁，在澆注前要充分進行攪拌，使其混合均勻。

（3）采用矮的結(jié)晶器，降低澆注溫度。鑄造過程中液穴要平穩(wěn)，防止波動。           

3.2  縮孔與疏松

     在鑄錠的頭部、中部、晶界及枝晶間等地方，產(chǎn)生的一些宏觀和顯微的孔洞，統(tǒng)稱為縮孔。容積大而集中地縮孔成為集中縮孔，細而分散的縮孔成為疏松。

     任何形態(tài)的縮孔或疏松都會減小鑄錠受力的有效面積，并在縮孔和疏松處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而顯著降低鑄錠的力學性能。加工時疏松一般可以復合，但聚集有氣體和非金屬夾雜物的縮孔不能壓合，只能伸長，甚至造成鑄錠沿縮孔軋裂或分層，退火過程中出現(xiàn)起皮等缺陷。產(chǎn)生縮孔和疏松的直接原因是，金屬凝固時發(fā)生凝固體收縮。

3.2.1 縮孔：鑄錠在順序凝固下，由于金屬液態(tài)和凝固體收縮造成的孔洞得不到金屬液的補縮而產(chǎn)生的。多產(chǎn)生于鑄錠的中部和頭部。

縮孔形成示意圖

當金屬液注入錠模后，凝固主要由低向上和由外向里逐層的進行，經(jīng)過一段時間后，便形成一層凝殼，由于凝固收縮，因而液面下降。以后隨著溫度的繼續(xù)降低，凝殼一層一層地加厚，液面不斷降低，直到凝固完成為止。在鑄錠凝固的中上部，形成了一個如上圖e所示的倒錐形縮孔。

3.2.2疏松：在同時凝固的條件下，最后凝固的地方因收縮造成的孔洞得不到金屬的補縮而產(chǎn)生的。疏松分布范圍廣，鑄錠軸線附近尤為嚴重。下圖是晶界疏松形成圖。

疏松形成示意圖

3.2.3 防止縮孔與疏松的措施

（1）合金液精煉、變質(zhì)操作效果要到位。

（2）嚴格控制鋁液溫度，防止過熱，因為過熱將會增加吸氣性，保證鑄件不產(chǎn)生澆不足的情況下，盡量采用較低的澆注溫度。

（3）合理設(shè)計澆注系統(tǒng)，使金屬液平穩(wěn)；適當調(diào)整成分，控制適宜的雜質(zhì)含量。

3.3 氣孔

鑄錠表面與內(nèi)部由于氣體而產(chǎn)生的各種形狀和大小的孔洞稱為氣孔?？妆诒砻嬉话惚容^光滑，帶有金屬光澤，有些氧化色，呈圓形，據(jù)此可與疏松和氣孔區(qū)別。

空心鑄錠氣孔

鑄錠中出現(xiàn)的氣孔有四種：內(nèi)部氣孔、表面氣孔、皮下氣孔和縮松氣孔。如圖所示：

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氣孔不僅能減少鑄錠的有效面積，且能使局部造成應(yīng)力集中，稱為零件斷裂的裂紋源。尤其是形狀不規(guī)則的氣孔，如裂紋狀氣孔和尖角形氣孔不僅增加缺口的敏感性，使金屬強度下降，而且能降低零件的疲勞強度。

根據(jù)氣孔的形成方式又可分為析出型氣孔和反應(yīng)型氣孔兩種。

3.3.1 析出型氣孔

溶于金屬中得氣體，其溶解度一般隨溫度降低而減少，因而會逐漸析出。析出的氣體是通過擴散到達金屬液面而析出，或是形成氣泡后上浮而逸出。但由于液面有氧化膜的阻礙，且凝固較快，氣體自金屬液內(nèi)部擴散逸出的數(shù)量極為有限，故多以氣泡形式逸出，在凝固速度大或有枝晶阻攔時，形成的氣泡來不及逸出，便留在鑄錠內(nèi)部形成氣孔。

3.3.2 反應(yīng)型氣孔與皮下氣孔

   金屬在凝固過程中，與模壁表面水分、涂料及潤滑劑之間或金屬液內(nèi)部發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體形成氣泡，來不及上浮逸出而形成的氣孔。

3.3.3 氣孔防止措施

（1）爐料及澆注工具徹底烘干。

（2）控制熔煉溫度。

（3）操作迅速，盡量縮短熔煉時間；精煉要徹底。

（4）靜置時間不宜過長。

3.4  夾雜與氧化膜

3.4.1 非金屬夾雜：在宏觀組織中，與基體金屬界限不清的黑色凹坑稱費金屬夾雜。

非金屬夾雜的宏觀組織

熔煉和鑄造過程中，將來自熔劑、爐渣、油污、泥土和灰塵中的氧化物、氮化物、碳化物、帶入熔體并除渣不徹底，鑄造后在鑄錠中產(chǎn)生夾渣。

非金屬夾雜防止措施：

（1）將原、輔料中得油污、泥土、灰塵和水分等清除干凈。

（2）爐子、流槽、除氣箱等要處理干凈。

（3）精煉要好，溫度不能太低，防止渣液分離不好，爐渣要除凈。

（4）提高鑄造溫度，以增加金屬流動性，使渣上浮。

3.4.2金屬夾雜：在組織中存在外來金屬稱金屬夾雜。宏觀組織特征為棱角的金屬塊，顏色與基體金屬顏色有明顯差別，并有清除的分界線，多數(shù)為不規(guī)則的多邊形界線，硬度與基體金屬相差很大。

    金屬夾雜是由于操作不當，或由外來金屬掉入液態(tài)金屬中，鑄造后外來的沒有被熔化的金屬塊保留在鑄錠中。

3.4.3氧化膜：在鑄錠中主要由氧化鋁形成的非金屬夾雜稱氧化膜。由于氧化膜很薄，與基體金屬結(jié)合非常緊密，在未變形的鑄錠宏觀組織中不能被發(fā)現(xiàn)。將鑄錠變形并淬火后做斷口檢查時才能發(fā)現(xiàn)，其特征為褐色、灰色或淺灰色的片狀平臺，斷口兩側(cè)平臺對稱。

氧化膜斷口特征

氧化膜的形成機理主要有兩個：

其一：熔煉和鑄造過程中，熔體表面始終與空氣接觸，不斷進行高溫氧化反應(yīng)形成氧化膜并浮蓋在熔體表面。當攪拌和熔鑄操作部當時，浮在熔體表面的氧化皮被破碎卷入熔體內(nèi)，最后留在注定中。

其二：鋁合金熔煉時除使用了原鋁錠、中間合金和純鋁作為爐料外，還加入一定數(shù)量的廢料，包括工廠本身的幾何廢料、工藝廢料、碎屑以及外廠的廢料，廢料尺寸小、質(zhì)量差、存在著大量的氧化夾雜物，在復化和熔煉過程中除渣不干凈，氧化夾雜進入熔體。

3.4.4 氧化膜防止措施：

（1）將原輔材料的油、腐蝕產(chǎn)物、灰塵、泥沙和水分等清除干凈。

（2）熔煉過程中盡量少反復補料和沖淡，攪拌方法要正確，防止表面氧化膜成為碎塊進入熔體。。

（3） 除渣除氣時間不能短，靜置時間要夠，使用的各種工具要預熱。

（4） 鑄造溫度不能偏低，要保證良好流動性。

3.5 裂紋

裂紋一般分為冷裂紋和熱裂紋兩種，在凝固過程中產(chǎn)生的裂紋稱為熱裂紋，凝固后冷卻過程中產(chǎn)生的裂紋稱為冷裂紋。裂紋產(chǎn)生的直接原因是收縮應(yīng)力的破壞作用，即鑄錠在凝固過程和冷卻過程中，由于徑向和橫向收縮受到阻礙而產(chǎn)生的。

冷裂紋                   熱裂紋

3.5.1熱裂紋：收縮受到阻礙，而產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過當時強度或線收縮率大于大于其伸長率造成的，裂紋多沿晶界裂開，曲折而不規(guī)則，表面帶氧化顏色或有低熔點填充物。

   裂紋通常經(jīng)歷裂紋的形核和擴展兩個階段，裂紋形核多發(fā)生在晶界液相匯聚處。若偏聚于晶界的低熔點元素或化合物對基體金屬潤濕性好，則裂紋形成功小，裂紋易形核，熱裂傾向大。

3.5.2 冷裂紋：發(fā)生低于200度以下，即凝固以后的冷卻過程中。鑄錠內(nèi)部由于各部分冷卻不均勻，而產(chǎn)生極大地應(yīng)力不平衡，形成收縮應(yīng)力。此應(yīng)力如集中大鑄錠的一些薄弱處，并超過了金屬的強度或塑性極限而造成裂紋。冷裂不發(fā)生氧化，表面光滑，多產(chǎn)生在溫度較低的彈性狀態(tài)，常為穿晶斷裂，斷口較規(guī)則，呈直線狀。

    鑄錠是否產(chǎn)生冷裂，主要取決于合金的導熱性和低溫時的塑性，若合金導熱性好，凝固后塑性較高，就不可冷裂。

3.5.3 防止裂紋的措施

（1）合金的有效結(jié)晶溫度范圍寬，線收縮率大，則合金的熱傾向大。

（2）合金的熱裂傾向也與成分由關(guān)，如圖所示（縱軸：熱裂傾向，橫軸:成分）該圖表明，成分越靠近共晶點合金，熱裂傾向越小。

有效結(jié)晶溫度范圍及熱裂傾向與成分的關(guān)系

如工業(yè)純鋁中硅含量大于鐵，則因生成熔點為574.5℃的α（Al）+Si+?（AlFeSi）三元共晶分布于晶界而熱裂。

（3）澆注工藝。如冷卻速速大地連續(xù)鑄錠比冷卻速速小的易裂紋，澆注溫度高，提高脆性區(qū)上限溫度，易裂紋等。

（4）鑄錠結(jié)構(gòu)。鑄錠結(jié)構(gòu)不同，鑄錠中熱應(yīng)力分布狀況不同，故鑄錠的結(jié)構(gòu)必然對熱裂產(chǎn)生影響。大錠比小錠易熱裂，扁錠易側(cè)裂、底裂和澆口裂紋等。扁錠的熱裂還與厚度及寬度比有關(guān)，如圖所示：b代表扁錠厚度，v代表澆注速度。

扁錠產(chǎn)生裂紋的傾向與錠厚及澆注速度的關(guān)系

當澆注速度及寬厚比n一定時，隨著錠厚增大熱裂傾向增大，當厚一定時，熱裂隨著澆注速度的增大而增大。

（5）由于冷裂紋主要取決于合金的導熱性和低溫的塑性，因此鑄造過程中采用電磁攪拌等方法，增加合金的導熱性，有效降低冷裂紋。

（6）鑄造時，鑄錠剛拉出結(jié)晶器由于溫度回升，有時出現(xiàn)局部表面重熔和偏析瘤，因而造成橫向裂紋，以后由于應(yīng)力集中而發(fā)展成冷裂紋，為防止表面重熔，可適當提高鑄造速度。

由于冷裂紋和熱裂紋產(chǎn)生的原因和機理常常難以分辨，因此其防止情況只能根據(jù)具體情況具體分析。

3.5.4此外鑄錠的裂紋還有側(cè)面裂紋、中心裂紋、通心裂紋、底部裂紋、澆口部裂紋等。

4   結(jié)束語

    綜上所述，5×××鋁合金在加工過程中產(chǎn)生的冶金缺陷及防止措施主要應(yīng)從以下幾個方面考慮。

（1）控制Mg元素的含量，Mg元素含量過多會降低鋁熔滴表面薄膜的致密性，增熔體的吸氣性，易造成疏松、氣孔。

（2）控制微量元素的含量，如Na元素由于熔點低易結(jié)晶在晶界處，造成晶界脆弱，加工中易產(chǎn)生裂紋，Fe和Si的比值要適當，否則在鑄造過程中將會產(chǎn)生熱裂紋。

（3）配料要準確，新、舊料搭配要合理，以免化學成分超標，造成化學廢品。熔爐清理要徹底，避免產(chǎn)生金屬夾雜。

（4）精煉要徹底，使溶入熔體中的氣體及夾雜徹底逸出、上浮或下沉，可有效防止疏松、氣孔、夾雜等缺陷。

（5）鑄造工藝參數(shù)要合理，澆注溫度、澆注速度、冷卻強度等應(yīng)根據(jù)不同的合金設(shè)定最佳的工藝參數(shù)。