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“鑄造”是液態金屬成形工藝。處于高溫的液態金屬，在大氣中表面會被氧化，并產生氧化膜，這是眾所周知的。但是，長期以來，關于這種氧化膜對鋁合金鑄件質量的(de)影響(xiang)，基本上都只考慮(lv)金(jin)屬(shu)液中卷入(ru)非金(jin)屬(shu)夾(jia)雜物的(de)問題，很少作更進一步的(de)探討(tao)。
基于多(duo)年的研究(jiu)，從宏觀(guan)和微觀(guan)方面發現折疊的氧化(hua)膜夾(jia)層（bi-films）對鋁合(he)金鑄件的質量有非常(chang)重要的影響。對氧化(hua)膜夾(jia)層（bi-films）的認識(shi)是一項最(zui)令(ling)人振奮(fen)的發現。目前，我們暫將得到的初(chu)步(bu)結論和見解稱為(wei)‘氧化(hua)膜夾(jia)層（bi-films）說’。
液態(tai)鋁合金中(zhong)卷入(ru)的(de)氧化膜(mo)夾層后，其對鑄(zhu)件質(zhi)量(liang)的(de)影(ying)響大(da)體上可分為兩個方(fang)面(mian)：一(yi)是宏觀方(fang)面(mian)，除割裂金屬(shu)基(ji)體使力學性能降低外，還(huan)會誘發氣孔和(he)小(xiao)(xiao)縮孔等缺陷(xian)；另一(yi)是微(wei)觀方(fang)面(mian)，對晶粒大(da)小(xiao)(xiao)、枝晶間距、鋁硅合金中(zhong)Na和(he)Sr的(de)變質(zhi)效果等都有重要的(de)影(ying)響。
一．液態金屬表面氧化膜的特性
分析氧(yang)(yang)化(hua)膜的(de)(de)(de)特性(xing)，不(bu)(bu)(bu)能不(bu)(bu)(bu)同時考(kao)慮其所(suo)依(yi)附的(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)母液(ye)的(de)(de)(de)密(mi)度和熔點． 在(zai)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)、鐵(tie)方面(mian)，以(yi)鑄(zhu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)件(jian)生(sheng)(sheng)產為例(li)加以(yi)說明。鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)被氧(yang)(yang)化(hua)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)FeO，熔點和密(mi)度都(dou)比(bi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)低(di)(di)得多，而(er)(er)且(qie)在(zai)高(gao)溫下的(de)(de)(de)活性(xing)很(hen)強，基(ji)本上不(bu)(bu)(bu)可(ke)能單(dan)獨存在(zai)。FeO可(ke)以(yi)與SiO2結(jie)合(he)成(cheng)低(di)(di)熔點的(de)(de)(de)FeO.SiO2，可(ke)以(yi)與鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)中的(de)(de)(de)硅和錳作用(yong)生(sheng)(sheng)成(cheng)MnO和SiO2 并進而(er)(er)結(jie)合(he)成(cheng)MnO.SiO2，也(ye)(ye)可(ke)以(yi)與鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)中的(de)(de)(de)碳(tan)作用(yong)生(sheng)(sheng)成(cheng)CO，還會(hui)有(you)小部(bu)分溶于鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)。如果脫氧(yang)(yang)處理(li)不(bu)(bu)(bu)當，或(huo)出鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)后(hou)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)被二次氧(yang)(yang)化(hua)，都(dou)會(hui)使(shi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)中非金(jin)(jin)屬(shu)夾雜物增多，或(huo)使(shi)鑄(zhu)件(jian)產生(sheng)(sheng)氣孔或(huo)表面(mian)夾渣之類的(de)(de)(de)缺陷(xian)。但是，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)表面(mian)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)物，熔點都(dou)低(di)(di)于鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)溫度，只能聚集，不(bu)(bu)(bu)可(ke)能折疊(die)成(cheng)氧(yang)(yang)化(hua)膜夾層懸(xuan)浮于鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)液(ye)中，因(yin)而(er)(er)也(ye)(ye)就不(bu)(bu)(bu)會(hui)有(you)氧(yang)(yang)化(hua)膜夾層所(suo)造成(cheng)的(de)(de)(de)各(ge)種問題。
鋁合金(jin)和(he)鎂合金(jin)的情況則與此完全不同(tong)，現以鋁合金(jin)為例簡要地說明(ming)如下：
鋁在(zai)液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)下的(de)(de)活性很強，鋁液(ye)(ye)(ye)(ye)表面極易與大氣中(zhong)的(de)(de)氧作用(yong)生成(cheng)Al2O3薄(bo)膜(mo)。Al2O3的(de)(de)熔點(dian)比液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)鋁合(he)金的(de)(de)溫度高得(de)多(duo)，而且非常穩定。Al2O3的(de)(de)密度又略高于鋁液(ye)(ye)(ye)(ye)。因此，Al2O3薄(bo)膜(mo)易懸浮(fu)在(zai)鋁液(ye)(ye)(ye)(ye)中(zhong)，不會(hui)聚集而與鋁合(he)金液(ye)(ye)(ye)(ye)分離。
在(zai)鋁(lv)(lv)合(he)金液發生擾動(dong)時，表面(mian)的Al2O3薄(bo)膜就會折疊(die)成夾層，并被卷入金屬液中，從而(er)造成許多鋁(lv)(lv)合(he)金所(suo)特有(you)的問(wen)題。
二．氧化膜夾層的形成及其有害作用
鋁合金(jin)在熔(rong)煉過(guo)程中、自熔(rong)爐內傾出時、變質處(chu)理過(guo)程中、以高氣流(liu)速度(du)進行噴(pen)吹凈化處(chu)理時以及(ji)澆注過(guo)程中，鋁合金(jin)液都會受到強(qiang)烈的擾動(dong)(dong)。液態金(jin)屬表面(mian)(mian)的擾動(dong)(dong)，會拉(la)動(dong)(dong)其表面(mian)(mian)上的氧(yang)化膜，使(shi)之擴展、折疊、斷開(kai)。氧(yang)化膜斷開(kai)處(chu)露出的清潔合金(jin)液面(mian)(mian)，又會被氧(yang)化而產生(sheng)新的氧(yang)化膜。氧(yang)化膜的折疊會使(shi)其朝向(xiang)大氣一側的干燥表面(mian)(mian)互相(xiang)貼合，并(bing)在兩干燥表面(mian)(mian)間裹入少(shao)量空(kong)氣，成為‘氧(yang)化膜夾層’。
氧(yang)化(hua)膜夾層易(yi)于(yu)(yu)(yu)卷入金(jin)(jin)屬液中(zhong)，還(huan)會(hui)(hui)在擾(rao)動的(de)金(jin)(jin)屬液作用下(xia)被擠成(cheng)小團。由于(yu)(yu)(yu)Al2O3的(de)熔點(dian)比鋁合(he)(he)金(jin)(jin)液的(de)溫度高一千多攝氏(shi)度，而(er)且具有高度的(de)化(hua)學穩定性(xing)，小團不(bu)會(hui)(hui)熔合(he)(he)，也不(bu)會(hui)(hui)溶于(yu)(yu)(yu)鋁合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)。雖然Al2O3的(de)密度略(lve)高于(yu)(yu)(yu)鋁合(he)(he)金(jin)(jin)液，但裹入空氣后(hou)的(de)氧(yang)化(hua)膜夾層的(de)密度就比較接近(jin)于(yu)(yu)(yu)鋁合(he)(he)金(jin)(jin)液。因此，除在大型保溫爐(lu)內長時間(jian)靜置過程中(zhong)氧(yang)化(hua)膜夾層可能下(xia)沉(chen)外，在一般鑄造生(sheng)產條件下(xia)，都會(hui)(hui)比較穩定地懸浮于(yu)(yu)(yu)鋁合(he)(he)金(jin)(jin)液中(zhong)。
已經懸浮有氧化膜夾層的鋁合金液，再次受到擾動時，又會產生更多的氧化膜夾層。生產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，合金(jin)的(de)(de)(de)(de)熔煉、自熔爐(lu)傾出、變質(zhi)處理(li)、凈化(hua)處理(li)、澆注等作(zuo)業(ye)都(dou)會使(shi)鋁合金(jin)液產(chan)生強烈(lie)的(de)(de)(de)(de)擾動，鋁合金(jin)液中(zhong)除保留原有的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)膜夾(jia)層外，還(huan)會因(yin)(yin)再次擾動而不斷增(zeng)加新的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)膜夾(jia)層。因(yin)(yin)此，進入型腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)金(jin)屬液中(zhong)都(dou)含有大量微小的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)膜夾(jia)層。
金屬液(ye)充滿型腔后(hou)，即(ji)處于靜(jing)止狀態，被(bei)擠壓成(cheng)團的氧化(hua)膜(mo)夾層會逐(zhu)漸舒(shu)展(zhan)成(cheng)為(wei)小片狀。金屬液(ye)冷卻到液(ye)相線以下(xia)后(hou)，枝狀晶的生核和長大，又是促(cu)進(jin)被(bei)擠壓成(cheng)團的氧化(hua)膜(mo)夾層舒(shu)展(zhan)的因素(su)。
鑄(zhu)件凝固后，大(da)量小(xiao)片狀氧化(hua)膜夾層本身就是小(xiao)裂紋，起切(qie)割金屬基體的(de)作(zuo)用(yong)，當(dang)然會使合金的(de)力學性能降(jiang)低，而(er)危害更大(da)的(de)卻是誘發氣孔和小(xiao)縮(suo)孔的(de)產(chan)生。
隨著(zhu)液(ye)態金(jin)屬(shu)溫度(du)的逐(zhu)漸降低，氫(qing)在金(jin)屬(shu)液(ye)中(zhong)的溶解度(du)不斷(duan)下降，但是(shi)氫(qing)以(yi)氣孔的形式(shi)自液(ye)態金(jin)屬(shu)中(zhong)析出是(shi)非常(chang)困難的。均(jun)勻的液(ye)相中(zhong)產(chan)生另一種新相（氣相）時，總(zong)是(shi)先由(you)幾個原子(zi)或分子(zi)聚(ju)集而成，其(qi)(qi)體積(ji)很(hen)小(xiao)。這種體積(ji)微小(xiao)的新相，其(qi)(qi)比(bi)表(biao)面(mian)積(ji)（即單位體積(ji)的表(biao)面(mian)面(mian)積(ji)）極大，要(yao)產(chan)生新的界面(mian)，就(jiu)需(xu)要(yao)對(dui)其(qi)(qi)作功，這就(jiu)是(shi)新相的界面(mian)能，即其(qi)(qi)表(biao)面(mian)面(mian)積(ji)與表(biao)面(mian)張力的乘(cheng)積(ji)。鋁合金(jin)液(ye)冷卻過程中(zhong)要(yao)得到這樣大的能量，實際上是(shi)不可能的。
即使產生了新相(xiang)的核心，其長大(da)(da)也需要很大(da)(da)的能(neng)量，而且只有(you)(you)在新相(xiang)的尺寸超過某一臨界值后才(cai)有(you)(you)可(ke)能(neng)長大(da)(da)。尺寸小于臨界值的新相(xiang)核心不可(ke)能(neng)長大(da)(da)，只會自行消失。
理論上(shang)，氣(qi)相在(zai)液(ye)相中(zhong)生(sheng)(sheng)核、長(chang)大(da)是非常困難的(de)。實際上(shang)。如果沒(mei)有(you)其他(ta)誘發因素，在(zai)氫含量(liang)基本正常的(de)條件下，均勻的(de)鋁合金(jin)中(zhong)因氫氣(qi)析(xi)出而產(chan)生(sheng)(sheng)氣(qi)孔的(de)情況，是不(bu)可能發生(sheng)(sheng)的(de)。
金(jin)屬(shu)液(ye)中(zhong)含有大(da)(da)量懸浮的(de)氧(yang)化(hua)膜(mo)夾(jia)層(ceng)(ceng)時(shi)，情況就大(da)(da)不(bu)相同(tong)了。氧(yang)化(hua)膜(mo)夾(jia)層(ceng)(ceng)中(zhong)大(da)(da)都裹有少量空氣，當金(jin)屬(shu)液(ye)的(de)溫度降低、氫(qing)(qing)在其中(zhong)的(de)溶(rong)解度下(xia)降時(shi)，氧(yang)化(hua)膜(mo)夾(jia)層(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)小空氣泡(pao)對氫(qing)(qing)而(er)言是真空，溶(rong)于金(jin)屬(shu)液(ye)中(zhong)的(de)氫(qing)(qing)向(xiang)空氣泡(pao)中(zhong)擴(kuo)散是非常方便(bian)的(de)。氫(qing)(qing)向(xiang)小空氣泡(pao)中(zhong)擴(kuo)散，使(shi)氧(yang)化(hua)膜(mo)夾(jia)層(ceng)(ceng)張大(da)(da)，就在鑄(zhu)件(jian)中(zhong)造成(cheng)氣孔。
如(ru)果鋁合金(jin)液(ye)(ye)的凈(jing)化(hua)處理作業良(liang)好，金(jin)屬(shu)液(ye)(ye)中的氫(qing)(qing)含量很低，鑄件(jian)中產(chan)生的氣孔就會很少。但(dan)是，如(ru)果金(jin)屬(shu)液(ye)(ye)中沒有氧化(hua)膜夾(jia)層(ceng)，即使金(jin)屬(shu)液(ye)(ye)中氫(qing)(qing)含量較高，凝固時氫(qing)(qing)也(ye)只(zhi)能以過(guo)飽和(he)狀態固溶于合金(jin)中，不(bu)可(ke)能產(chan)生氣孔。
如果(guo)鑄(zhu)件的補縮(suo)條件不好(hao)，凝固(gu)收縮(suo)過程(cheng)中會產生縮(suo)孔。由于氧(yang)化膜(mo)夾層(ceng)中是空的，易于拉開，縮(suo)孔也大都在氧(yang)化膜(mo)夾層(ceng)處形成。在這種情(qing)況下，溶于金(jin)屬液中的氫也會向其中擴散(san)，使孔洞(dong)擴大。
綜上所述，可以認為：對于鋁合金鑄件，氧(yang)化(hua)膜夾(jia)層是使材質(zhi)力學(xue)性能降(jiang)低、導(dao)致鑄(zhu)(zhu)件產(chan)生(sheng)針孔(kong)氣(qi)孔(kong)類缺(que)陷的主要原(yuan)因。為(wei)提高材質(zhi)的力學(xue)性能，提高鑄(zhu)(zhu)件的致密(mi)度，采(cai)取措施(shi)消(xiao)除(chu)氧(yang)化(hua)膜夾(jia)層比加強脫氣(qi)凈(jing)化(hua)作業更為(wei)重要。
三．減少乃至消除氧化膜夾層的措施
由于認(ren)識氧化膜夾層的(de)作(zuo)用為(wei)時(shi)不久，目前(qian)，對于減少或消除鋁合金(jin)液中的(de)氧化膜夾層，還沒有成熟的(de)經驗，這正是今后我們所要面對的(de)課題。按(an)目前(qian)的(de)認(ren)知(zhi)，原則(ze)上可從以下幾方面入手：
合金熔煉過程(cheng)中，應(ying)盡量避免液(ye)面(mian)(mian)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)(de)擾動。但液(ye)面(mian)(mian)以下金屬(shu)液(ye)的(de)(de)(de)對(dui)流(liu)(liu)(liu)和攪(jiao)動不會導致氧(yang)(yang)化(hua)(hua)膜(mo)卷入；采用(yong)噴(pen)吹凈化(hua)(hua)處理，也有(you)脫(tuo)除懸浮于金屬(shu)液(ye)中的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)(de)作用(yong)，但處理時(shi)(shi)應(ying)盡量降(jiang)低(di)氣流(liu)(liu)(liu)速度(du)，使其對(dui)液(ye)面(mian)(mian)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)(de)破壞作用(yong)降(jiang)到最(zui)低(di)程(cheng)度(du)；采用(yong)‘澆包(bao)澆注’方式時(shi)(shi)，最(zui)好采用(yong)茶壺嘴式澆包(bao)，以減輕對(dui)液(ye)面(mian)(mian)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)(de)擾動；采用(yong)低(di)壓鑄造(zao)工藝(yi)時(shi)(shi)，如能保持液(ye)流(liu)(liu)(liu)平穩地進入型(xing)腔，則鑄件本體的(de)(de)(de)力學性(xing)能會明顯高于用(yong)常規工藝(yi)制造(zao)的(de)(de)(de)鑄件；工藝(yi)設(she)計時(shi)(shi)，必須力求澆注系統中的(de)(de)(de)金屬(shu)液(ye)流(liu)(liu)(liu)平穩，不產生(sheng)紊(wen)流(liu)(liu)(liu)，最(zui)好采用(yong)底注方式。
此外，應特別注意作為爐料的鋁合金錠的質量。
廢金屬的(de)回收(shou)(shou)、再(zai)(zai)利用(yong)，對于可(ke)持(chi)續(xu)發展(zhan)的(de)工業(ye)社會(hui)是非(fei)常必(bi)要的(de)。鋁和(he)鋁合金制品的(de)一(yi)個重要優點就是易(yi)于回收(shou)(shou)再(zai)(zai)生(sheng)和(he)再(zai)(zai)利用(yong)，與原生(sheng)鋁相比，再(zai)(zai)生(sheng)鋁可(ke)減少能(neng)耗約95％。目前，全(quan)球再(zai)(zai)生(sheng)鋁用(yong)量(liang)約占金屬鋁總用(yong)量(liang)的(de)三(san)分(fen)之一(yi)。鑄造(zao)行業(ye)中再(zai)(zai)生(sheng)鋁錠的(de)用(yong)量(liang)也很可(ke)觀。
需要強調的(de)(de)是，再生(sheng)鋁錠的(de)(de)質量(liang)差(cha)別(bie)很大。用不(bu)同(tong)廠家生(sheng)產(chan)的(de)(de)化學成分(fen)相近的(de)(de)鋁錠，生(sheng)產(chan)的(de)(de)鑄件(jian)的(de)(de)質量(liang)可以(yi)大不(bu)相同(tong)。同(tong)一廠家提供的(de)(de)不(bu)同(tong)爐(lu)次(ci)的(de)(de)鋁錠，質量(liang)也可以(yi)有很大的(de)(de)差(cha)別(bie)。再生(sheng)鋁錠生(sheng)產(chan)過程中，對其中氧化膜夾層不(bu)加控制，可能是造(zao)成這種差(cha)別(bie)的(de)(de)重要原因之一。
除大力呼吁加強再生鋁錠生產過程中的質量控制外，鋁合金鑄件生產廠家選用再生鋁錠時，一(yi)定要(yao)特別注意來料的質量考核，而且應有(you)試(shi)生產階段。有(you)些廠家寧可以較高(gao)的價格購買原生鋁錠配料，也不是沒有(you)道理的。
