A356.2鑄造鋁合金鑄錠內針孔缺陷的控制分析

秦頤鳴，馮恩浪，趙茂密，陳貞南，蘇積波

（吉利百礦集團有限公司，廣西 百色 533000）

鋁合金材料帶有輕質、可塑性強、強度高等優點，在重要金屬零部件生產中時常得到運用。但實際在鑄件生產加工過程中，容易產生針孔缺陷，影響鑄件加工質量。而A356.2為常見鋁合金材料，加強對A356.2鑄造鋁合金鑄錠內針孔缺陷分析，提出有效控制措施，能夠提升鋁合金鑄件制作技術水平，實現零部件的高效生產。

1 鑄錠內針孔缺陷概述

在鋁合金鑄件鑄造過程中，鑄錠內針孔為難以規避的技術缺陷。按照產生機制，針孔缺陷可以劃分為遺傳型、侵入型和析出型，需要根據類型采取相應控制措施。從總體上來看，針孔缺陷產生主要由兩方面因素引起，一是澆鑄溫度過高造成金屬液凝固時間過長，在緩慢冷卻過長中容易析出分散性針孔，這類針孔多帶有渣[1]。另一類與工藝生產過程中操作不嚴謹密切相關，如未對邊角料、廢料等回爐料預熱，將導致針孔產生。此外，采用爐內精煉配合爐外在線除氣工藝，鋁合金液可以達到初氣、除渣效果，有效預防針孔缺陷的發生。

2 A356.2鑄造鋁合金鑄錠內針孔缺陷分析

2.1 鑄件概況

A356鋁合金鑄造性和力學性能良好，但容易因冷卻速度、夾雜物等因素造成鑄錠內針孔發生。以其為基礎的A356.2鋁合金可以加強雜質含量控制，使材料力學性能得到改善。表1為A356.2化學成分。在某鋁合金缸蓋鑄件企業生產中，采用A356.2材料，配備有芯工頻感應熔煉爐和連續鑄造機等設備，按照該加工工藝，得到的產品端面目視可見1mm～2mm針孔，無法滿足生產要求。但是，增加旋轉噴吹除氣設備以及板式過濾后，鑄錠光滑、無夾渣，同時針孔度達到二級以上。

表1 A356.2化學成分（%）

2.2 缺陷檢驗

為確定針孔類型，對某企業生產的A356.2鋁合金鑄錠的化學成分、內部組織進行了分析。經檢驗，確認A356.2鑄錠成分不存在成分偏差，并發現針孔缺陷位置晶粒粗大，部分粒狀存在共晶現象，屬于不良組織，共晶Si以長條和片狀形式存在，距離針孔缺陷位置越近的共晶Si相細化程度越低并呈現出短片和針狀[2]。材料變質與生產速率有關，冷卻越快越有助于變質。對缺陷形貌進行SEM觀察，可以發現內部為枝晶狀，結構縮松，內部圓滑，能夠證明基體內有小氣泡。在緩慢冷卻的過程中，氫從合金液中析出，在糊狀區難以從中擴散和逃逸，導致微小氣孔形成。該類針孔屬于析出型，位于缸蓋上端和螺紋孔下部。相較于缸蓋底面能夠直接接觸模具，產生快速冷卻的效果，缸蓋中部主要采用熱芯工藝加工，冷卻速度較慢。缸蓋上部冷卻最慢，造成組織粗大，因此共晶Si主要為針狀。

2.3 形成原因

2.3.1 熔體吸氣

在鑄件鑄造過程中，鋁合金熔體帶有吸氣性。相較于其他氣體，氫更容易溶解，能夠占據90%左右的比重。而氫等氣體以原子、化合物等狀態存在熔體中，將給鑄錠性能帶來影響。受微小氣孔的影響，鑄錠內部將發生疏松問題，造成材料氣泡、分層，甚至出現氫脆情況。如果夾雜氧、氮等物質，將造成材料力學性能大幅度下降。由于氫溶解形成的針孔將在鑄件表面均勻分布，直徑通常不超1mm，通常出現在凝固慢的位置。從缸蓋針孔內部元素組成上來看，包含大量氧、碳等雜質，則為鋁液中的夾雜物，能夠成為氫的形核介質，導致針孔析出。想要減少氫的析出，需要做好除渣、除氣處理，避免鋁液中帶有形核基體。

2.3.2 金屬吸氣

鋁合金中存在帶有較強吸氣性的金屬，也將造成過多氣體在鋁液中溶解，引發針孔缺陷。從金屬與氣體的結合能力來看，鎂元素、鈦元素等都具有一定吸氣性。相較于其他元素，鎂元素能夠與爐氣中的氧氣、水汽等反應，生成氧化鎂，造成鋁液表面致密氧化膜被破壞，促使鋁液發生氧化，氣體溶解量也隨之增加。但由于鎂元素能夠與氟反應生成保護膜，因此鑄造過程中通常將氟化鹽當成是覆蓋劑，通過與金屬反應降低氣體溶解度，避免鋁液發生氧化問題[3]。

2.3.3 溫度影響

熔體發生氣體溶解現象，將經歷吸附、溶解、擴散三個過程。氣體能否順利溶解，將受到溫度、壓力條件影響。在A356.2合金鑄件鑄造期間，氣體想要溶解需要先分解成原子，整個反應需要吸收熱量。提高鑄造溫度，能夠加速氣體溶解。在熔煉溫度區間，溫度的提升將使氫的溶解度提升。而在由固態向液態轉變時，溫度將產生更大影響。在固態時，鋁液中氫溶解度將達到0.034mL/100gAl～0.05mL/100gAl，液 態 時 提 高 至0.65mL/100gAl～0.77mL/100gAl。如 果超出熔點溫度，如在750℃～800℃之間，溶解度達到1.15mL/100gAl～1.64mL/100gAl。鑄造溫度過高，鋁合金容易發生氧化，導致熔體中氣體增加，容易形成針孔缺陷。但溫度過低又將造成冷隔發生，氣體和溶渣難以通過液面浮出，將引發夾渣和氣孔缺陷。溫度不變，溶解度與分壓成正比，因此可采用真空處理設備減少鋁合金中的氣體含量。

2.3.4 環境不佳

鑄錠內針孔缺陷的產生，與周圍生產加工環境也密切相關。空氣中氫分壓較小，比熔體低較多。所以熔體內氣體不僅來自于原材料，也來自于爐氣、工具帶入水分等。在使用的工具等存在油污、水分、夾渣等情況時，將造成鋁液中溶解氣體增加。對周圍生產環境進行調查發現，廠房內長期積水，造成環境中水分較大，鋁液面臨二次污染威脅。由于熔煉爐內采用燃氣加熱，爐內包含氫氣、二氧化碳、烷烴、氮氣等多種氣體，容易導致鋁合金熔體吸氫。在鋁合金熔煉期間，爐內溫度較高，水和有機物將發生反應，之后與鋁液反應得到氫氣。爐氣中含有水分，只需要少量就能使鋁合金中氫增加。水汽與鋁液反應后，也將導致鋁液發生氧化問題，導致夾渣問題發生。存在氧化鋁等含水腐蝕物，受熱后釋放水汽，同樣也會導致氫增加[4]。結合實踐經驗可知，相較于干燥季節，多雨季節生產的鋁合金鑄錠產生針孔缺陷的幾率更大。

3 A356.2鑄造鋁合金鑄錠內針孔缺陷控制

3.1 重視除氣除渣

在實踐生產中，A356.2鑄造鋁合金鑄錠內針孔缺陷相對頑固，需要通過綜合運用除氣除渣技術消除缺陷。從總體上來看，可以采用的方法較多，但大致可以劃分為吸附法與非吸附法。采用吸附法除氣，可以利用精煉劑或氣體吸附反應除氣的同時，將氧化物夾渣去除。如采用氬氣等惰性氣體，可以避免與鋁合金反應，同時形成的氣泡能夠使鋁液界面產生壓力差，使氫擴散至惰性氣體中，隨之浮出頁面。采用氯氣發生化學反應，能夠生成不溶于鋁液的物質，同樣可以起到除氣效果。在工業生產中，通常采用精煉劑除氣，如碳酸鹽、氟化鹽等都可以通過反應吸附氣泡。非吸附法包含真空法和過濾法，前者依靠氣體壓差促使氫氣從鋁液中逃逸。具體來講，可以通過覆蓋熔劑防止鋁液與過多氣體接觸，以免因加料等操作造成鋁液表面保護膜破裂。考慮到A356.2中包含鎂元素和鈦元素，應使用覆蓋劑防止鋁液氧化，使吸氣量得到減少。采用過濾法，需要在鋁液中布置過濾設施，對氧化鋁等夾雜物進行去除。

3.2 引入精煉工藝

從本質上來講，精煉工藝也屬于吸附法，應用在鋁液充型和泡沫模型反應過程中，能夠使鋁液中的雜質減少，有效預防針孔缺陷的發生。如采用氣體和熔劑混合精煉技術，使用氬氣等惰性氣體精煉鋁液，可以在鋁液表面形成氧化膜，阻礙氫進入。添加少量細粉熔劑，能夠使氣泡表面得到包裹，加強氣泡表面氧化劑吸附，因此能夠提高氣泡擴散速度，避免鋁熔體與惰性氣體中的水分接觸。使用熔劑膜，能夠使氣泡活性增強，起到更好除渣效果。結合A356.2鑄件生產特點，需要使用AJ101A精煉劑除渣，可以在650℃～720℃下高效分離渣液，并且不會產生有毒氣體，能夠保證生產安全。在實際生產中，可以先用氮氣對AJ2精煉劑進行吹掃，之后利用AJ101精煉劑除渣。經過反復除渣，能夠使合金錠中的雜質和氣體含量得到有效降低。

3.3 加強溫度控制

實現低溫生產，能夠有效減少鑄件針孔缺陷。但考慮到澆鑄溫度和鋁液流動性之間存在較大關系，需要避免溫度過高引發針孔缺陷的同時，避免溫度過低增加夾渣等缺陷發生概率。而原有工藝澆鑄溫度較高，充型期間局部會因溫度過大形成針孔缺陷。采用翻轉式澆鑄工藝替代原有工藝，整個過程帶有低速、低溫特點，局部溫度最大不超680℃，有助于氫和夾雜物浮出鋁液表面。在工藝操作中，考慮到充型時間從22s縮短至12s，為避免氣泡難以及時逸出，需要加強溫度控制，促進氫的擴散。在熔煉工藝中，可以將爐內溫度控制在660℃～680℃范圍內。開展除渣除氣作業，應確認鋁液溫度在700℃～730℃之間。在澆筑口時，應確認溫度在630℃～640℃范圍。在各道工序中，需要加強溫度監控，連續生產應確保鋁液維持低溫狀態，并盡可能減少率鋁熔體在爐內的熔化和保溫時間。通過嚴格控制工藝溫度，使端面、螺紋位置冷卻速度得到提高，能夠減少氣縮孔的產生。

3.4 優化生產環境

考慮到鑄件質量與周圍環境密切相關，需要優化生產環境，使A356.2鋁合金鑄錠針孔缺陷得到徹底消除。在生產前，針對使用的鋁液、添加劑、工業硅等各種材料，需要嚴格按照行業技術標準檢驗，確認符合工藝生產要求。針對熔鋁爐等生產設備，應建立科學管理制度，如采取完善烘爐制度確保爐內干燥，避免爐氣中含有大量水汽。在工具器材管理上，應提前確認是否存在水分、油污、銹蝕等缺陷，通過預熱、保溫保證表面清潔、干燥。配置各類熔劑，按規定做好脫水、烘干處理，避免帶入過多水汽、雜質等。針對澆包、渣箱等各種工具，應按規定涂刷0.5mm～1.0mm厚涂料。此外，需要加強生產車間管理，引入物聯網等技術加強環境溫、濕度監測和調節，減少環境中的水汽。

4 結論

對A356.2鑄造鋁合金鑄錠內針孔缺陷產生原因展開分析可以發現，熔體吸氣、金屬吸氣等多種因素都會給鋁合金鑄錠質量帶來影響。想要提高A356.2鋁合金鑄錠質量，需要采取多重控制手段，做好除氣除渣和溫度、環境的管控，并且引進先進工藝，繼而完成理想產品生產。