薄壁铝合金铸件针孔缺陷

薄壁铝合金铸件针孔缺陷

董文学

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司    

摘要：本文通过对重力条件下生产的某复杂薄壁铝合金铸件产生的针孔缺陷分析，提出了通过适当降低浇注温度，充分净化并干燥熔炼和浇注工具，显著降低了该铸件针孔缺陷的产生几率，铸件的致密度及力学性能得到了改善。

关键词：铝合金 针孔

一、引言

有色金属及合金时钢铁材料以外的各种金属材料，又称非铁材料。这些金属及合金具有许多特殊的性能，例如比强度高、导电性好、耐蚀性及耐热性高等。航空、航天、汽车等产业中，铸造铝合金以其密度小、比强度高等特点，在近几十年来得到了飞速发展。铝由于在其表面能形成致密的Al2O3保护膜，因而在空气或其他介质中具有良好的耐蚀性。向铝中加入合金元素制成铝合金可改变其组织结构，提高其力学性能。铝合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn等。铝合金按照合金元素含量高低及生产工艺特点分为铸造铝合金和变形铝合金。由于目前国家大力发展航空航天事业，对发动机用铝合金铸件的性能的要求页也越来越高，因而提高铝合金铸件的产品质量，预防并减少铝合金铸件缺陷的产生具有重要意义。

铝合金铸件的缺陷有针孔、缩孔、缩松、冷隔、裂纹等，其中针孔是影响铝合金成品率的主要影响缺陷。在铸造铝合金中，因气孔引起的缺陷而导致铸件报废约占全部铝合金铸件废品的一半以上[1]。铝合金液中氢的含量是造成铝合金铸件针孔缺陷的主要影响因素，且铝合金的糊状凝固形态，极易令铸件在凝固时产生缩松[2]。

本文通过对某复杂薄壁铝合金铸件生产过程中产生的大面积针孔缺陷进行了分析，并结合本车间的实际生产情况，提出了切实可行的解决措施，取得了较好的应用效果。

二、针孔

2.1 针孔的特征：铸造铝合金组织中主要存在的缺陷有夹杂、缩孔、疏松、针孔、气泡、裂纹等。其中，在熔炼过程中高温液态金属溶入的部分氢气在铸造凝固时未完全逸出，而在金属内部析出形成细小孔洞称为针孔。针孔通常为铸件中直径小于1mm的析出性气孔，多呈圆形或椭圆形，均匀分布在铸件整个截面上，有时也呈网状分布，轮廓清晰，内壁光滑、互不连通。特别是在铸件的厚大断面和冷却速度较小的部位极易产生针孔缺陷，且凝固快的部位针孔小且数量少，凝固慢的部位针孔大且数量多。铝合金针孔缺陷检验一般采用80g/L～120g/L氢氧化钠水溶液腐蚀，腐蚀后采用10%硝酸水溶液清洗，以去除表层黑膜后进行低倍观察。

2.2 针孔形成的影响因素：合金液中氢的含量是造成铝合金铸件针孔缺陷形成的重要因素，合金液凝固时的外压及凝固冷却速度决定了铝合金铸件针孔缺陷的形成。铝合金液中氢的溶解度随着温度的下降而不断减小，因而，合金液在凝固时随着溶解度的下降而不断析氢，如果析出的多余氢不能及时排出极易形成针孔缺陷。在铸件最后凝固的热节处，析氢倾向更大，更容易产生针孔缺陷。由于该铸件形状复杂，且大部分壁厚近为5mm，并有难于铸造的油路。因而，在该铝合金铸件的实际生产过程中我们发现，铸件右侧端面经常出现大面积的针孔缺陷，且油路位置也时常出现针孔缺陷。为此，经与本工艺室的工艺人员探讨研究后决定对该铸件经常出现的针孔缺陷进行深入分析，并从源头入手，通过净化炉料、干燥熔炼工具、增设冒口、压力釜内凝固等方式对铸件进行工艺改进。

三、针孔预防的解决措施

3.1 净化、充分干燥原材料及熔炼工具：由于炉料、熔炼工具的潮湿，极易在熔炼时在合金液中混入水分与合金反应，使合金液中氢的含量增多，而合金液中氢的含量是针孔缺陷的重要因素，氢含量的增加必然增大铝合金铸件针孔的析出倾向。因而，我们在使用前确保炉料已进行充分的干燥处理；熔炼工具表面油污等杂物清除干净，并进行预热处理，以除去所吸附的水分及其它杂质。

3.2型芯的烘烤干燥要充分：铝合金铸件的生产中，由于冬季空气干燥，熔化出的铝合金液气体含量较低，因而铸件上出现针孔缺陷较少。我们采用了延长砂型砂芯的烘烤时间并提高了烘烤温度，严格控制并减少了合箱后的停留时间，组型后尽快浇注，保证在组芯完成后在1.5小时内浇注，尽可能的缩短砂型和砂芯与空气接触的时间，以减少吸入过多的水分，防止水分与合金液反应生氢，减少针孔缺陷中气体的来源。

3.3 彻底的精炼排气：由于该铸件产生针孔缺陷是大面积的，因而我们考虑可能是合金液精炼不充分造成的针孔缺陷。所以，我们在一次精炼的基础上加设二次精炼，使合金液精炼除气完全，避免由于合金液未完全精炼，合金液中气体未完全除净而引起的针孔缺陷。

3.4 增强浇注系统的挡渣能力：由于我们生产的铝合金薄壁铸件采用砂型重力铸造，且合金液在熔炼过程中极易产生氧化皮，浇注过程中极易产生夹渣、气泡等。因而，我们在横浇道的两边分别设置(70*70*20)mm的孔径为3mm的陶瓷过滤片，以增强浇注系统的挡渣能力，过滤掉合金液中氧化皮、夹渣、气泡等，以减少浇入铸件中可能产生的针孔缺陷。并且，我们在浇注系统中设置了集渣包，充分的净化合金液，以防合金液中杂质混带气体卷入铸型中造成针孔缺陷。

3.5增设排气冒口：在铸件的实际生产中我们发现，在大端面处出现大面积的针孔，可能是合金液在铸型内凝固时气体排出不畅造成的，所以我们考虑在此平面处增设两个按冒口，加强铸型的排气效果。经过在此处增设两个暗冒口后，该处部位针孔数量减少及面积明显变小，且由针孔而引起的缩孔、缩松缺陷得到消除。

3.6在压力斧下凝固：在高压下凝固，氢在铝合金中的溶解度增大的本质是，外界压力大于氢在铝合金中的析出压使其无法析出，快速凝固减少铝合金中的针孔。因而，在高压下凝固可有效的减少氢的析出，减少针孔缺陷的形成。所以，我们在压力釜前进行浇注，浇注完成后立即进压力釜下进行凝固。压力釜的压力选取(0.4～0.6)MPa，并在压力下保持(30～40)Min。由于铸件在高压下凝固，氢在由于压力的作用下而在合金液的溶解度增大而未逸出，针孔缺陷得到明显改善。

四 结论

为保证熔炼炉内的合金液中气体含量尽可能的少，应采用彻底干燥的炉料，并且熔炼和浇注工具使用前要预热烘干，一次精炼不完全时可考虑二次精炼除气。采用砂型铸造时，由于合金液不洁、型砂强度不高而引起的针孔缺陷可考虑在浇注系统内增强挡渣能力，设置过滤片和集渣包净化浇入铸型内的合金液。当铸型排气不良时，可考虑增设排气冒口，能降低铸型内气体的含量，减小生成针孔倾向。砂型铸造的铝合金铸件在高压下凝固能有效的降低铸件生成针孔倾向，改善铸件质量。

参考文献

[1]黄桂银,朱蒲.铝熔体中含氢量的测定[M].工业计量.2002,1(1):32～34.

[2]郭永圣.A201铝合金针孔形成机制的探讨[J],铸造,2006,55(9),930～932.