鑄造是液態(tài)金屬成形工藝。眾所周知，處于高溫的液態(tài)金屬在大氣中表面會(huì)被氧化，并產(chǎn)生氧化膜。但是，長期以來關(guān)于這種氧化膜對(duì)鋁合金鑄件質(zhì)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，很少做更進(jìn)一步的探討。
基于多年的研究，英國Birmingham大學(xué)的J.Campbell等，從宏觀和微觀方面發(fā)現(xiàn)折疊的氧化膜夾層對(duì)鋁合金鑄件的質(zhì)量有非常重要的影響。campbeH等認(rèn)為，對(duì)氧化膜夾層的認(rèn)識(shí)是一項(xiàng)最令人振奮的發(fā)現(xiàn)。目前，我們暫將Campbell等得到的初步結(jié)論和見解稱為“氧化膜夾層說”。
液態(tài)鋁合金中卷入氧化膜夾層后，其對(duì)鑄件質(zhì)量的影響大體上可分為兩個(gè)方面：一是宏觀方面，除割裂金屬基體使力學(xué)性能降低外，還會(huì)誘發(fā)氣孔和小縮孔等鑄造缺陷；二是微觀方面，對(duì)晶粒大小、枝晶間距、鋁硅合金中Na和Sr的變質(zhì)效果等都有重要的影響。
本文從“氧化膜夾層說”的角度簡單地介紹氧化膜夾層對(duì)鑄件質(zhì)量影響的宏觀方面，供生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)人員參考，暫不涉及微觀方面的影響。讀者如有興趣，請(qǐng)參閱J.Campbell等近年陸續(xù)發(fā)表的文章。
一、液態(tài)金屬表面氧化膜的特性
常用鑄造合金(鑄鋼、鑄鐵、鋁合金和鎂合金)中所見到的主要氧化物的密度及其熔點(diǎn)見表1。
分析氧化膜的特性，不能不同時(shí)考慮其所依附的金屬母液的密度和熔點(diǎn)。鐵、鋁和鎂的熔點(diǎn)及相關(guān)鑄造合金在熔融狀態(tài)下密度的近似值見表2。
在鋼、鐵方面，以鑄鋼件生產(chǎn)為例加以說明。鍘液被氧化產(chǎn)生的FeO，熔點(diǎn)和密度都比鋼液低得多，且在高溫下的活性很強(qiáng)，基本上不可能單獨(dú)存在。FeO可與SiO2結(jié)合生成低熔點(diǎn)的FeO·SiO2，也可與鋼中的硅和錳作用生成MnO和SiO2并進(jìn)而結(jié)合成MnO·SiO2，還可與鋼中的碳作用生成CO，此外會(huì)有小部分溶于鋼液。如果脫氧處理不當(dāng)，或出鋼后鋼液被二次氧化，都會(huì)使鋼中非金屬夾雜物增多，或使鑄件產(chǎn)生氣孔或表面夾渣之類的缺陷。但是，鋼液表面產(chǎn)生的氧化物，熔點(diǎn)都低于鋼板溫度，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(huì)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(xiàn)以鋁合金為例簡要說明如下。
鋁在液態(tài)下的活性很強(qiáng)，鋁液表面極易與大氣中的氧作用生成Al2O3薄膜。Al2O3的熔點(diǎn)比液態(tài)鋁合金的溫度高得多，且非常穩(wěn)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(huì)聚集而與鋁合金液分離。
在鋁合金液發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，表面的Al2O3，薄膜就會(huì)折疊成夾層，并被卷入金屬液中，從而造成鋁合金所特有的許多問題。
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(nèi)傾出時(shí)、變質(zhì)處理過程中、以高氣流速度進(jìn)行噴吹凈化處理時(shí)，以及澆注過程中，鋁合金液都會(huì)受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)。液態(tài)金屬表面的擾動(dòng)，會(huì)拉動(dòng)其表面上的氧化膜，使之?dāng)U展、折疊和斷開。氧化膜斷開處露出的清潔合金液面，又會(huì)被氧化而產(chǎn)生新的氧化膜。氧化膜的折疊會(huì)使其朝向大氣一側(cè)的干燥表面互相貼合，并在兩干燥表面間裹入少量的空氣，成為“氧化膜夾層”，如圖1所示。
氧化膜夾層易于卷入金屬液中，還會(huì)在擾動(dòng)的金屬液作用下被擠成小團(tuán)。由于Al2O3的熔點(diǎn)比鋁合金液的溫度高1000℃以上，且具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，小團(tuán)氧化膜夾層不會(huì)熔合，也不會(huì)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(nèi)長時(shí)間靜置過程中氧化膜夾層可能下沉外，在一般鑄造生產(chǎn)條件下都會(huì)比較穩(wěn)定地懸浮于鋁合金液中。
已經(jīng)懸浮有氧化膜夾層的鋁合金液再次受到擾動(dòng)時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生更多的氧化膜夾層。鑄件生產(chǎn)過程中，合金的熔煉、自熔爐傾出、變質(zhì)處理、凈化處理及澆注等作業(yè)都會(huì)使鋁合金液產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，鋁合金液中除保留原有的氧化膜夾層外，還會(huì)因再次擾動(dòng)而不斷增加新的氧化膜夾層。因此，進(jìn)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?fàn)顟B(tài)，被擠壓成團(tuán)的氧化膜夾層會(huì)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(jìn)被擠壓成團(tuán)的氧化膜夾層舒展的因素，如圖2a所示。
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(dāng)然會(huì)使合金的力學(xué)性能降低，而危害更大的卻是誘發(fā)氣孔和小縮孔的產(chǎn)生。
隨著液態(tài)金屬溫度的逐漸降低，氫在金屬液中的溶解度不斷下降，但氫以氣孔的形式自液態(tài)金屬中析出是非常困難的。均勻的液相中產(chǎn)生另一種新相(氣相)時(shí)，總是先由幾個(gè)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(即單位體積的表面積)極大，要產(chǎn)生新的界面，就需要對(duì)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。實(shí)際上，鋁合金液在冷卻過程中要得到這樣大的能量是不可能的。即使產(chǎn)生了新相的核心，其長大也需要很大的能量，且只有在新相的尺寸超過某一臨界值后才有可能長大，而尺寸小于臨界值的新相核心不可能長大，只會(huì)自行消失。
理論上，氣相在液相中生核、長大是非常困難的。實(shí)際上，如果沒有其他誘發(fā)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(chǎn)生氣孔的情況是不可能發(fā)生的。
金屬液中含有大量懸浮的氧化膜夾層時(shí)，情況就大不相同了。氧化膜夾層中大都裹有少量空氣，當(dāng)金屬液的溫度降低且氫在其中的溶解度下降時(shí)，氧化膜夾層中的小空氣泡對(duì)氫而言是真空，溶于金屬液中的氫向空氣泡中擴(kuò)散是非常方便的。而氫向小空氣泡中擴(kuò)散，使氧化膜夾層漲大，就會(huì)在鑄件中造成氣孔缺陷，如圖2b所示。
如果鋁合金液的凈化處理作業(yè)良好，金屬液中的氫含量很低，鑄件中產(chǎn)生的氣孔就會(huì)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(shí)氫也只能以過飽和狀態(tài)固溶于合金中，不可能產(chǎn)生氣孔。
如果鑄件的補(bǔ)縮條件不好，凝固收縮過程中會(huì)產(chǎn)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(huì)向其中擴(kuò)散，使孔洞擴(kuò)大，如圖2c所示。
綜上所述，可以認(rèn)為：對(duì)于鋁合金鑄件，氧化膜夾層是使材質(zhì)力學(xué)性能降低，并導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生針孔、氣孔類缺陷的主要原因。為提高材質(zhì)的力學(xué)性能，提高鑄件的致密度，采取措施消除氧化膜夾層比加強(qiáng)脫氣凈化作業(yè)更為重要。
三、減少乃至消除氧化膜夾層的措施
由于認(rèn)識(shí)氧化膜夾層的作用為時(shí)不久，目前對(duì)于減少或消除鋁合金液中的氧化膜夾層還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)，這正是今后我們所要面對(duì)的課題。按目前的認(rèn)知，原則上可從以下幾方面入手。
(1)在合金熔煉過程中，應(yīng)盡量避免液面氧化膜的擾動(dòng)。但液面以下金屬液的對(duì)流和攪動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致氧化膜的卷入。
(2)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(shí)應(yīng)盡量降低氣流速度，使其對(duì)液面氧化膜的破壞作用降到最低程度。
(3)采用“澆包燒注”方式時(shí)，最好采用茶壺嘴式澆包，以減輕對(duì)液面氧化膜的擾動(dòng)。
(4)采用低壓鑄造工藝時(shí)，如能保持液流平穩(wěn)地進(jìn)入型腔，則鑄件本體的力學(xué)性能會(huì)明顯高于用常規(guī)工藝制造的鑄件。
(5)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求澆注系統(tǒng)中的金屬液流平穩(wěn)，不產(chǎn)生紊流，最好采用底注方式。
此外，應(yīng)特別注意作為爐料的鋁合金錠的質(zhì)量。
廢金屬的回收、再利用，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)社會(huì)是非常必要的。鋁和鋁合金制品的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是易于回收和再利用，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1/3，鑄造行業(yè)中再生鋁錠的用量也很可觀。
需要強(qiáng)調(diào)的是，再生鋁錠的質(zhì)量差別很大，用不同廠家生產(chǎn)的化學(xué)成分相近的鋁錠，生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量可以大不相同。同一廠家提供的不同爐次的鋁錠，質(zhì)量也可能有很大差別。而再生鋁錠生產(chǎn)過程中，對(duì)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。
因此，除大力呼吁加強(qiáng)再生鋁錠生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制外，鋁合金鑄件生產(chǎn)廠家選用再生鋁錠時(shí)，一定要特別注意來料的質(zhì)量考核，且應(yīng)有試生產(chǎn)階段。因此，有些廠家寧愿以較高的價(jià)格購買原生鋁錠配料，也不是沒有道理的。
由于金屬鋁及鋁合金具有很好的流動(dòng)性和可塑性，而且鑄造加工是在有壓力的壓鑄機(jī)中鑄造，因此鋁壓鑄件可以做出各種較復(fù)雜的形狀，也可作出較高的精度和光潔度，從而很大程度的減少了鑄件的機(jī)械加工量和金屬鋁或鋁合金的鑄造余量，不僅節(jié)約了電力、金屬材料、還大大節(jié)約了勞動(dòng)成本；而鋁及鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，較小的比重和高可加工性；從而鋁壓鑄件被廣泛應(yīng)用于汽車制造、內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)、摩托車制造、電動(dòng)機(jī)制造、油泵制造、傳動(dòng)機(jī)械制造、精密儀器、園林美化、電力建設(shè)、建筑裝飾等各個(gè)行業(yè)。
鋁壓鑄件可以被制造為鋁壓鑄汽車配件、鋁壓鑄汽車發(fā)動(dòng)機(jī)管件、鋁壓鑄發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、鋁壓鑄汽油機(jī)氣缸缸蓋、鋁壓鑄氣門搖臂、鋁壓鑄氣門支座、鋁壓鑄電力配件、鋁壓鑄電機(jī)端蓋、鋁壓鑄殼體、鋁壓鑄泵殼體、鋁壓鑄建筑配件、鋁壓鑄裝飾配件、鋁壓鑄護(hù)欄配件、鋁壓鑄鋁輪等等零件。
