铝合金铸造工艺及缺陷研究

硕士学位论文

铝合金铸造工艺及缺陷研究

姓名：李有佳

申请学位级别：硕士

专业：材料加工工程

指导教师：罗吉荣

20090527华中科技大学硕士学位论文

摘要

铝合金铸件在工业领域有着广泛的应用，其中以Al—Si系和 Al—Cu系铸造合金应用最为广泛。在铝合金铸件的生产中难以避免产生各种缺陷，铸件缺陷的解决会直接地提高经济效益。Al—Cu系合金凝固温度区间较宽，最容易产生热裂纹缺陷；Al—Si系合金中，硅含量较高的合金，吸氢倾向严重，铸件容易形成针孔。本课题结合生产实际对采用砂型铸造的复杂薄壁ZL201铸件支架的裂纹和浇不足缺陷；采用金属型铸造的复杂薄壁ZL102铸件对称架气孔和冷隔缺陷；采用砂型铸造的厚壁ZL114铸件横梁的针孔缺陷进行了研究。铸件的特点、合金种类、铸造方法和缺陷都具有较强的代表性。

通过实验分析得出：ZL201铸件支架的热裂纹缺陷是由于合金的凝固特性、零件的壁厚不均、零件中部薄壁大芯的结构，砂芯的退让性差等原因引起的，解决的措施是在热节处放置冷铁、中部的厚大砂芯采用中空结构、采用低的浇注温度710℃。其未浇足缺陷是由于局部憋气阻碍金属液充型，解决措施是改善砂芯的局部排气。ZL102铸件对称架的气孔缺陷是由于砂芯的发气量大、金属型的排气性差、合金本身的吸气性强等原因导致，其解决措施是延长热芯盒法制芯时的加热时间，确保砂芯的完全固化，降低发气量，加强合金液的除气。其冷隔缺陷是由于两股液流在铸件的薄壁处形成汇流，通过修改浇注系统得以解决。ZL114A铸件横梁和铝板的针孔缺陷主要由于铝液质量引起，解决措施控制合金液气体来源、加强铝液除气精炼工艺、加快铸件的凝固速度。通过实际生产的验证在采取上述措施后，各铸件的缺陷都得到了很好的解决。

关键词：铸造铝合金铸造缺陷解决措施华中科技大学硕士学位论文

Abstract

Aluminum alloy castings are widely used in the industrial field, especially Al-Si alloys and Al-Cu alloys. Various defects of aluminum castings are unavoidable during production. Hot cracking defect often occurs in Al-Cu alloy castings because of its wide solidification range, while pinhole defect always appears in some Al-Si alloy castings because of their high silicon content leading to serious hydrogen absorption. In this paper, a couple of casting defects were researched such as cracking and misrun of ZL201 stent with thin-walled complex shape produced by sand casting; blow hole and cold shut of ZL102 casting with thin-walled complex shape produced by permanent mould casting; pinhole defects of ZL114 beam with thick-walled shape produced by sand casting. The characteristics of parts, alloy type, casting methods and defects have a strong representation.

Analysis showed that, solidification characteristics of the alloy, non-uniform wall thickness of the components and structure volume of the sand cores result in hot cracking of the ZL201 stent, which can be solved by setting chills, using hollow structure in sand cores and poring under the low casting temperature710℃. High gas evolution, bad permeability of permanent mold and strong gas absorption of the alloy account for blow holes of the ZL102 casting, which can be solved by prolonging the heating time of the sand cores ; two flow of the alloy converging at thin section cause cold shut, which can be solved by modifying gating system; the poor quality of aluminum melt lead to pinhole defects of ZL114 beam, which can be solved by controlling the source of gas in liquid alloy, enhancing degassing technology of liquid aluminum, speeding up the casting solidification rate.

Keywords: casting aluminum alloy casting defects solving maesures独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研

究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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日期：年月日

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日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文

1绪论

1.1课题的研究背景、目的和意义

铝的密度小，比强度高，可以在表面能够形成致密的氧化膜具有较好的抗腐蚀性，易于回收并且铝资源丰富，储量仅次于铁。铝合金发展迅速，在越来越多的领域代替传统的钢铁材料。

铸造铝合金在汽车、机车、航天航空领域有着广泛的应用，具有无比广阔的前景。对铸造铝合金的研究包括很多方面，比如合金元素在合金中的作用、合金成分的优化和新的合金的研究、合金的熔炼、合金液的精炼处理、合金的晶粒细化、铝硅合金的变质处理、传统铸造方法的优化和开发新的铸造方法以满足铝合金铸件的大型化、薄壁化、复杂化要求。总之进一步提高合金的性能，确保生产出合格的铸件。

在铝合金铸件的实际生产中，会有多种缺陷，常见的有气孔、针孔、裂纹、缩孔、疏松、变形、冷隔、未浇足、夹砂等。前人对各种缺陷的形成机理已经有详尽的研究，但实际生产中解决各种铸件的缺陷仅仅靠理论知识是远不够的，而且零件结构各异，材料各异，影响缺陷形成的原因会因铸件的不同而有所不同。本课题就是结合实际生产，解决多个铸件存在的缺陷，具有非常强的实用性。

1.2铸造铝合金的研究及应用

1.2.1铸造铝合金的分类

按照添加的合金元素，铸造铝合金通常被分为如下几类：

1）铝硅为基的铸造铝合金Al-Si二元合金ZL102。Al-Si-Mg系的ZL101，ZL114A。以及在Al-Si-Mg中添加Zn的ZL115，添加Mn的ZL104，以及添华中科技大学硕士学位论文

加Be的ZL116。Al-Si-Cu系的ZL107，以及Al-Si-Cu-Mg的ZL105和ZL105A，以Al-Si-Cu-Mg-Mn元素构成的ZL106、ZL108、ZL111，以Al-Si-Cu-Mg-Ni 为构成的ZL109[1]。主要作为活塞材料的高硅铝合金ZL117、A390、AC9A、AC8A等[2]。

2）铝铜为基的铸造铝合金Al-Cu二元合金ZL203、ZL202。Al-Cu-Mn的ZL201，以及在Al-Cu-Mn基础上添加Cd形成的ZL204A和以Al-Cu-Mn-Cd-V构成的ZL205A和在俄罗斯ΒΑЛ10合金基础上研制的ZL210A[1]。

3）铝镁为基的铸造铝合金Al-Mg二元合金ZL301，Al-Mg-Si的ZL303和以Al-Mg-Zn为组成的ZL305。

4）铝锌为基的铸造铝合金含少量Mg的Al-Zn-Si的ZL401和在Al-Zn-Mg基础上添加少量Cr和Ti形成的ZL402

5）铝锂基铸造铝合金国外研究了几种比如RPPX1、RPPX2、RPPX3等[2]。6）铝稀土基铸造铝合金以Al-RE为基的有ZL207合金[3]。

1.2.2 铸造铝合金中主要合金元素及其作用

铸造铝合金中的主要合金元素有Si、Mg、Cu、Zn、Mn、Ni、Be、Ti、V、Cd、Cr、B、Zr等，Fe是主要的常存杂质。这些元素中固溶度最大的为Zn 、Mg、Cu，其次依次是Mn、Si、Ti、Cr、Zr、V，而Be、RE、Ni、Cd的溶解度很小。所以铸造铝合金的主要热处理强化元素Zn 、Mg、Cu。Al与Si、Mg、Zn、Mn、Ni、Be 能够发生共晶反应，Ti、Zr、Cr可以和Al形成包晶反应[1,3]。

Si在铝合金中形成二元共晶或多元共晶组织，能够改善合金的铸造工艺性能,减少缺陷。Si和Mg形成Mg2Si相，是Al-Si系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Si系合金的主要强化相。但是在Al-Mg系合金中Si质量分数一般控制在0.3%以下，因为Si含量过多的形成的粗大骨骼状的Mg2Si相难以在热处理过程中全部溶解，会导致力学性能的降低[4]。Si含量的提高会降低合金的线膨胀系数，提高合金的耐磨性，高硅铝合金作为发动机活塞材料，是目前的研究热点之一。

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Mg在Al中的溶解度较大，所以Mg 对Al的固溶强化明显。在Al-Si系合金中，会形成Mg2Si相，但Mg得含量不能过高，在Al-Si系合金中控制在0.25%—1.30%。在Al-Mg系合金中Mg含量一般在4.5%—11.0%，防止形成的β相（Mg5Al8）不能完全溶解于α（Al）相中，使力学性能和耐蚀性下降。Mg在Al-Cu系合金中是有害的杂质，会形成三元低熔共晶体，增加热裂倾向和热处理是的过烧危险[4,5]。

Cu和Al形成θ（Al2Cu）相，是Al-Cu系合金的主要强化相，铜含量的增加会增加强度，降低塑性。在Al-Cu系合金中铜含量一般不超过5.5%，因为铜的增加会使合金的凝固区间变宽，容易产生铸造缺陷，而且过多的脆性相θ（Al2Cu）热处理过程中无法全部溶解会导致力学性能的下降[4]。

Mn在铸造铝合金中除了起固溶强化作用外，还可以使针状的β（Al9Si2Fe2）转变为AlMnFeSi相，降低Fe对力学性能的有害作用。在Al-Cu系合金中Mn是主要的添加元素，形成T（Al12Mn2Cu）相，提高合金的热稳定性，同时固溶在α（Al）中的Mn会降低原子的扩散速度，延缓时效过程，使合金的沉淀硬化效果能保持更高的温度[4][5]。

稀土元素能够与Al和其他元素形成高熔点化合物，在合金中形成高熔点共晶体，能够提高合金的耐热性能。并可以起到细化组织、净化熔体、减少气体和夹杂物含量、降低线膨胀系数[6]。

Ti、B、Zr在铝合金中形成细小的化合物TiAl3、ZrAl3、Ti B2，作为结晶核心，能够强烈的细化铝固溶体的晶粒，同时使合金凝固时形成结晶骨架的时间延迟，缩小有效的结晶温度，减轻裂纹和缩松倾向，提高合金的热处理效果和力学性能。这几种元素是高强度铸造铝合金中常用的添加元素[7]。Cd主要添加在铝铜基铸造合金中，能够显著提高合金强度，ZL204A、ZL105A、ZL210A中都有应用。

Be主要应用在铝镁基铸造铝合金中比如ZL114A。Be添加入合金熔体时，能够在表面上形成一层氧化铍保护薄膜，这种薄膜能减少熔渣，提高铝液纯洁度，以及改善流动性。由于Be对氧和氮具有很大的亲合力，所以它对熔体除气也是高效的。铸造过程中，Be还有助于减少金属与砂型起反应．并防止镁优先氧化。这样就能得到较纯净的、质量较高的优质铸件，这种铸件具有较好的表面光洁度、较高的强度华中科技大学硕士学位论文

和良好的塑性。但Be得加入会引起晶粒变粗，所以在添加Be的同时加入Ti或Zr 以细化晶粒[8,9]。

Fe在铸造合金中通常是一种有害杂质，在铝合金中形成粗大的针状或片状的化合物，割裂基体，降低力学性能。同时β是凝固过程中的领先形成相，会阻碍金属液的流动，造成热节部位缩松的增加。通常加入Mn改变Fe的化合物形貌，使之呈枝杈状、骨骼状或颗粒状从而改善其性能。Be和RE也有类似的作用[4,10]。

1.2.3各种铸造铝合金的特点及应用

试验中应用了ZL102、ZL114A、ZL201三种合金，所以主要介绍下Al-Si系合金和Al-Cu系合金。

1、 Al-Si系铸造合金

Al-Si系铸造合金的Si含量一般为5%—13%，属于亚共晶和共晶型合金。也有Si含量超过15%的过共晶铝合金。Al-Si系具有良好的铸造性能，气密性好，流动性好，热裂倾向小。在Al-Si系合金中主要的强化相有Al2Cu、Mg2Si和Al2CuMg，经过变质处理和热处理后，合金的力学性能会显著提高，加上较好的铸造性能，Al-Si 系合金是铸造铝合金中品种最多，应用最广的。

ZL102合金为Al-Si二元合金，Si含量为10.0-13.0%，为共晶型合金。在577℃和12.5%Si时发生共晶反应，L→α(Al)+Si。室温条件下，α(Al)的Si含量很低小于0.01%，其性能与纯铝相近。由于合金成分在共晶点左右，所以合金可能有少量的初生Si或者初生α(Al)相。Fe是ZL102合金的主要杂质元素，会形成针状的β（Al9Si2Fe2），添加Mn使其从针状变成骨骼状，降低其对性能的影响，添加Mn后会出现AlFeMnSi相[4]。

ZL102合金为共晶型合金，具有好的铸造性能，流动性好，没有热裂倾向，气密性好。但由于生成的共晶硅为粗大的针状和片状，割裂了铝基体组织，力学性能和切削加工性能差，所以合金需要变质处理，改变硅的形态，使共晶硅变细。

ZL114A具有较好的铸造性能，具有较高的强度且具有较好的塑性，可焊性较好，华中科技大学硕士学位论文

在航天航空和军工领域有广泛的应用。ZL114A为Al-Si-Mg系合金，美国牌号为A357，Si含量为6.5-7.5%，Mg为0.45-0.60%，Ti为0.10-0.20%，并含有0.04-0.07%的Be[1]。合金成分处于α(Al)+ Mg2Si+ Si三元共晶系内，平衡凝固组织为α(Al)、α(Al)与Si的共晶组织。Mg在A357合金中的作用通过热处理来实现，固溶处理时，Mg 溶入α(Al)基体，时效时Mg2Si弥散析出,使合金强化[5]。Fe是合金的主要杂质元素，有三种形态铁相，即汉字状Fe2SiAl8相、板片状βFeSiAl5铁相和粗大块状FeMg2Si6Al8铁相；这三种铁相对合金基体的割裂和性能的危害，以β铁相最严重，Fe含量越低越好，不得超过0.2%[10,11]。微量的Be能使Mg最大限度地形成Mg2Si强化相，并能增强合金时效时Mg2Si的析出动力，使强化相的数量增加，并能防止Mg的过烧氧化，从而减少合金的氧化夹杂物含量[12-14]。Ti在合金中有两种存在形态，一种固溶在铝基体内；另一种为形成各种化合物，形成的化合物充当形核核心，从而使晶粒细化。降低Ti的固溶会增强细化效果。Al-Ti-B晶粒细化剂较为常用。对于Ti的细化作用及细化机理有许多理论，如包晶理论，碳化物、硼化物理论，亚稳相理论，包晶残骸理论以及两次形核理论等[15,16]。

采用Sr变质的合金的抗拉强度、屈服强度都大于Na、Sb变质合金，而且Sb变质合金的延伸率最高。富镧混合稀土金属比锶有更强的变质A357合金晶硅的能力。锶变质的铝合金熔体有强烈的吸气倾向，而富镧混合稀土金属具有变质和净化铝合金熔体、降低含氢量的双重作用[17,18]。

对于含铁量为0.14%的合金，采用545℃固溶处理时，合金的强塑性配合较好，而对于含铁量较高的合金(0.29%)，采用较高的固溶处理温度，可以明显改善合金的强塑性。提高固溶温度或延长保温时间， Mg2Si固溶更加充分，Si相和Fe相的形态也更为有利。155℃时效，合金的强度稍低，塑性很高；175℃时效，强度较高，塑性极差；165℃时效，合金的强塑性较佳。545℃固溶12 h,165℃时效6 h,此时，合金的抗拉强度为324.3 Mpa，延伸率为5.4%[19,20]。

2、 Al-Cu系铸造合金

Al-Cu系铸造合金中Cu含量在4.5%—11%范围内，Al2Cu是最主要的强化相，在室温和高温下有较好的强度和热稳定性而且具有较好的切削加工性能。但是铸造华中科技大学硕士学位论文

性能比Al-Si系铸造合金差、气密性低、耐蚀性差，特别是热裂倾向较大，给铸件的生产带来较大的工艺难度。特别是当含量处于4%—5%时热裂倾向最大，超过这个含量是的热裂倾向降低[21]。通过添加中间合金细化晶粒，可以降低合金的热裂倾向。通过利用原位反应合成技术制备Al-Ti-B中间合金晶粒细化剂细化ZL201合金的铸造组织，可以基本消除晶界三元共晶组织，改善杂质分布，大大减少铸造缺陷，大幅度提高材料性能[22]。通过控制合金的凝固条件，当平均凝固速度提高时，二次枝晶间距和枝晶大小都降低，也可以降低热裂倾向[23]。

ZL201合金是Al-Cu-Mn合金，最佳Cu的含量范围为4.5—4.8%，最佳Mn含量范围为0.8—0.95%[24]。在铸造状态下可能存在的相有：α(Al)、θ（Al2Cu）、T(Al12CuMn2)，Al6Mn和Al3Ti。Mn可以溶入α(Al)强化基体，改善合金的耐热性。同时Mn会增加共晶组织，改善合金的铸造性能。添加少量的Ti在高温首先从液相结晶出Al3Ti，形成的弥散质点形成α(Al)固溶体的结晶核心，细化晶粒，从而降低热裂倾向，并能提高热处理的强化效果[4]。

ZL201合金为固溶性合金，凝固温度区间较宽，热裂倾向较大，铸造性能较差。ZL201合金的机械性能较高，热处理后强度可以达到300～400MPa。可用作承受大的动载荷和静载荷的零件，也可用于300℃以下温度工作的零件，用途很广。

1.3 铝合金铸造成形方法

1.3.1铝合金的砂型铸造

在铝合金铸件的生产过程中，表面和尺寸精度要求不是很高或者批量很小的零件多采用砂型铸造，尤其是一些外形复杂，内部有弯曲管道的复杂异形铸件。根据砂型、砂芯本身建立强度过程中其粘结力产生的机制不同，大体可分为三类(见图1.1)，也可以分为湿型、干型、表面干型和各种化学硬化砂型[25]。

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图1.1 造型和造芯方法[25]

铝合金砂型铸造多采用粘土砂型和有机粘结剂型砂，下面重点介绍这两种造型和造芯方法。

1、粘土砂型

粘土砂型根据合箱和浇注时的状态不同分为湿型、干型、表面烘干型三种。湿型是造好的砂型不经过烘干，直接浇入高温金属液；干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型烘干；表面烘干型只在浇注前对型腔表面层采用适当的方法烘干一定深度（一般5—10mm，大件20mm以上）[26]。

铝合金与镁合金铸件、小型铸铁件的生产常使用湿型。湿型生产周期缩短，生产率高，并节省投资和能耗，特别适合于机械化和自动化生产。干型由于烘干能够显著的降低发气量，大大减少了气孔、砂眼、夹砂等缺陷。但是生产周期长，需要烘干设备，增加燃料消耗，恶化劳动条件，难于实现机械化和自动化。干型主要用于质量要求高、结构复杂的中大型铸件的单间小批量生产。表面烘干型介于湿型和干型之间，常用于生产中大型铝合金铸件[27]。

2、有机粘结剂砂砂型和砂芯

有机粘结剂型（芯）砂种类很多，现在通常使用的是合成树脂粘结砂。按粘结华中科技大学硕士学位论文

剂的硬化工艺和硬化温度分为模具内冷硬和模具内热硬，模具内冷硬包括吹气冷芯盒法和自硬冷芯盒，模具内热硬包括热芯盒法和热壳法。

热壳法采用覆膜砂，覆膜砂具有良好的流动性和存放性，制作的砂芯强度高、尺寸精度高，能够获得较好的铸件表面质量。其不仅用于造型，更主要的是用于造芯。壳法工艺特别适合制造出大的中空壳芯。砂芯的存放性好，透气性好。但必须采用金属型，耗能较高，生产环境较差[28]。

热芯盒法和温芯盒法制芯，是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂，填入加热到一定温度的芯盒内，其粘结剂在很短时间即可缩聚而硬化。热芯盒法硬化温度在200-250℃之间，温芯盒法是指芯盒温度低于175℃的造芯方法。温芯盒法，芯盒温度低，砂芯表面不会过烧，可使砂芯表面光洁和具有最高强度，防止热芯盒法常出现的局部过烧和硬化不足的现象，并且会降低能耗改善环境[25]。

自硬冷芯盒法是将砂子、液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒或砂箱中，稍加紧实，在室温下硬化成型。自硬冷芯盒法提高了铸件的尺寸精度，便于实现自动化，模具可以采用多种材料，旧砂可以再生。但砂芯的强度低容易吸潮，砂芯浇注时膨胀量大[25]。自硬法不仅仅用于造芯，也可以造型，适用于单件和小批量生产。

气硬冷芯盒法是将树脂砂填入芯盒，而后吹气硬化制成砂芯。气硬冷芯盒法造芯（型）的脱模时间较自硬冷芯盒法短，利于高效大批量造芯[25]。

1.3.2铝合金的金属型铸造

金属型的热容量、传热系数比砂型大得多，而且寿命长，会加快合金液的凝固速度，从而减少气孔和缩孔、疏松等缺陷，铸件表面能得到细晶组织，显著地提高铸件的力学性能和表面质量，而且铝合金的金属型铸造生产效率高，劳动环境和劳动条件好。但金属型几乎没有退让性，排气性差，所以应尽早开模，防止形成冷裂纹，设置排气塞排气槽，增强排气，防止憋气形成气孔或者未浇足。

铝合金的金属型铸造通常采用底注式和顶注式浇注。底注式浇注充型平稳，不会产生激溅，有较好的挡渣作用，但容易在铸件侧壁上形成氧化夹渣。更重要的是

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底注式浇注合金液的凝固通常为同时凝固，难以实现顺序凝固，易产生缩松缺陷。顶注式浇注的优势就是能够实现顺序凝固，能铸件减少缩松、以及薄壁件的冷隔、浇不足等缺陷的产生。但顶注式合金液容易产生激溅、氧化、夹渣等缺陷，通过采用过滤装置、降低铝液充型压头、控制流速等手段避免[29]。

1.3.3 铝合金其他铸造方法

除了最常用的砂型铸造和金属型铸造外，铝合金还有很多铸造方法。比如压力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、石膏型精密铸造、消失模铸造和英国赛车发动机Cosworth 公司发明的CP法等。

调压铸造由西北工业大学发明，是对差压铸造改进。与其他反重力铸造技术相比具有真空除气、调压充型、正压凝固的特点，使其相比差压铸造和真空吸铸具有更好的充型能力，针孔控制能力[30]。

CP法有英国赛车发动机Cosworth 公司发明，其主要特点是：该工艺采用低压铸造的原理，通过电磁泵控制液流充型,采用呋喃树脂气硬冷芯盒法造型制芯，原砂采用锆英砂。具有充型平稳、精度高、铸型冷却速度快等优点，适用于制造薄壁、高致密度、复杂的铝合金铸件，最早应用于制造F1赛车的发动机[31,32]。

1.4 铝合金铸件的常见缺陷

对于不同的铸造方法，产生同样缺陷的原因会有所不同，针对课题主要应用砂型铸造和金属型铸造，所以重点介绍针对这两种铸造方法的缺陷的常见原因。

1.4.1 气孔

从气孔的形成原因、形成过程气孔缺陷可分为五种：侵入气孔、裹携气孔、析出气孔、内生式反应气孔、外生式反应气孔。在铝合金铸件中最长见的为前三种气孔缺陷[33]。

侵入气孔为外部气体主要是砂芯和砂型的发气，从铸件的浇注开始到表面凝固华中科技大学硕士学位论文

成固体壳的期间侵入金属液中形成。其形成的过程分为三个阶段：气体侵入金属液；在型壁上形成气泡；气泡在型腔金属液中的排出和滞留。针对侵入气孔的解决措施主要有：控制型砂的湿透气性和湿型表面的硬度；设置排气系统提高排气能力；尽量减少砂芯砂型浇注时的发气量；采用顶注式或者雨淋式浇注系统，可以使型腔内的金属液不平静，使金属液中的气泡易于溢出；设置溢流冒口[33]。

裹携气孔也称为卷气气孔，是在浇注时浇注系统中的金属液流裹携着气泡，或者金属液在型腔内形成紊流，将气体卷入，形成气泡[33]。这类气孔的形成通常根铸件的浇注系统设计密切相关，铸件的内部结构复杂，也会导致金属液在充型时形成紊流，卷入气体。解决裹携气孔主要是优化浇注系统设计，确保金属液平静的进入直浇道，采用底注式浇注系统可以避免卷气。

析出气孔是以原子态溶解于铝金属液中的氢，在金属液凝固时以分子态气相析出，形成气泡产生的气孔[33]。在铝合金铸件中通常为针孔缺陷。其形成的过程分为金属液中溶解气体的析出和析出气体气泡核的生长和长大。气泡通常是异质形核的，通常以Al2O3作为核心。防止析出气孔的措施：控制合金液的含气量；提高金属液的精炼质量；加快铸件的冷却速度，比如采用金属型；确保金属液在压力下凝固。

针对金属型主要为析出气孔和侵入气孔。侵入气孔主要是由于金属型排气性较差，型腔内的气体难以排出形成的。

1.4.2 裂纹

裂纹缺陷分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹为在铸件的凝固温度范围内即线收缩开始到略高于合金的实际固相线温度，产生的裂纹。断口有明显的氧化，呈暗灰色。裂纹沿着晶界，所以也被称为晶界裂纹。冷裂纹为在常温或者略高于常温条件下的形成的裂纹。断口有金属光泽，裂纹的形态多呈连续的直线或圆滑的曲线。

热裂纹的产生主要有两方面的原因：铸件的凝固方式和凝固过程中的铸造应力。铸件具有较宽的凝固温度范围，合金呈糊状或者体积凝固方式，Al—Cu系合金即属于这一类。因为在这种凝固方式下，铸件的固相收缩开始的早，铸件的线收缩值大；华中科技大学硕士学位论文

由于凝固温度范围宽，晶粒间液相渗流流动行程长，不易填补枝晶间形成的裂纹；这种合金在凝固后期有液膜期，即液相已成为孤立的不连续的存在于晶粒之间的液膜。铸件是否产生热裂纹取决于铸件凝固时的热应力和收缩应力。在凝固末期，当这种铸造应力超过液膜的强度或者塑性极限时，液膜会被拉裂形成热裂。热裂纹的解决措施：控制合金的成分，防止在晶界形成低熔共晶体，添加Ti等元素细化晶粒；增强砂型、砂芯的高温退让性；采用低的浇注温度；工艺上配合冷铁和冒口的使用，实现顺序凝固[33,34]。

冷裂纹产生原因是铸造应力超过了合金在该温度条件下的抗拉强度δb，冷裂纹的产生与铸件的结构有关。铸件的应力集中处最容易形成裂纹。解决措施主要有以下几个方面：优化铸件的结构，尽量减少应力集中；正确确定铸件在砂型中的停留时间，针对金属型要尽早开模。

金属型的冷却速度较快，容易造成较大的铸造应力，而且金属型没有退让性，特别容易导致裂纹缺陷。

1.4.3 缩孔和缩松

缩孔孔壁表面粗糙，形状不规则，通常出现在铸件最后凝固的位置和热节处。缩松为铸件截面上分布着的弥散的，大量的不规则的微小孔洞，在显微镜下孔壁粗糙。在铸件最后凝固的部位，如果体积收缩得不到金属液补充时，会形成管状或枝杈状的缩孔[33]。Al—Si系合金，凝固温度区间较小，集中收缩倾向大，在铸件补缩不足的部位形成管状集中缩孔。Al—Cu系合金的凝固温度区间较宽，在铸件补缩不足的部位易形成枝杈状缩孔[1]。缩松是在凝固后期，凝固区的液相被枝晶分割成一个个孤立的小熔池，小熔池在凝固时体积收缩无法得到补偿而形成的。结晶温度范围宽的合金最容易形成缩松。Al—Cu系、Al—Mg系为固溶体型合金，树枝晶发达，共晶成分的液相少，容易形成晶界缩松。Al-Si系合金为共晶型合金，容易形成集中缩松[1]。薄壁类铸件容易在热节处形成热节缩松。

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1.4.4 冷隔

冷隔呈现裂纹状缝隙，但缝隙带有圆角的棱边。冷隔的形成机理为金属液充型时，两股液流流头都产生了固相壳会合堵塞，或晶粒网格堵塞，或者是流头形成了氧化膜，流头无法熔合。冷隔缺陷大部分是由流头凝固阻塞形成的。冷隔缺陷的解决措施主要为提高金属液的充型能力，包括提高浇注温度，提高模具温度，改善排气，优化浇注系统设计等。

冷隔是金属型常见的缺陷，多发生在铸件的薄壁处和厚薄壁的连接处。解决的措施也主要是提高金属的充型能力和增强排气两方面。

1.5 铝合金熔体处理技术

铝合金的熔体处理技术包括合金液的精炼除气、变质处理、细化晶粒处理、熔体的过热处理。精炼除气主要是降低合金液的氧化夹杂和含气量。变质处理主要是针对铝硅合金，改变共晶硅粗片状的形态，使之粒化，减少对组织的割裂，提高力学能能和改善切削性能。常用的变质元素有钠、锶、稀土、锑等。钠主要以多元钠盐的方式加入合金液，应用的最早，但变质有效时间短，合金重熔后就失效了。锶具有长效的变质作用，锶的加入量与熔体处理状态、合金、浇注条件相关，适量的锶能够使共晶硅变成纤维状，目前的应用最多[35]。稀土的变质同样具有长效性，而且能够起到固氢的的作用。锑变质也具有长效性，但变质效果对铸件的冷却速度非常敏感，了其使用范围。由于铝硅合金的变质处理对合金的力学性能至关重要，热分析技术的研究成为一个热点。热分析技术的研究领域包括变质机理、变质效果评估、晶粒细化效果评估等方面[36,37]。细化晶粒能够提高合金的力学性能，并且能够降低裂纹倾向，这点对凝固区间宽的铝铜、铝镁合金尤为重要。熔体的过热处理主要是改变熔融状态下金属液组织的不均匀性，利用金属的遗传性，细化晶粒和改变相得形貌，从而提高力学性能[38]。

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1.5.1精炼净化处理

铝合金的精炼，方法很多，按其作用的原理通常被分为两类，即吸附精炼法和非吸附精炼法。吸附精炼法就是通过吸附氧化夹杂，通过清除氧化夹杂物以及其表面吸附的氢来净化合金液。非吸附精炼法是通过物理或化学反应，净化铝合金液。

1、吸附精炼法

吸附精炼法分为气泡浮游法、溶剂法和过滤法等。

气泡浮游法就是向铝液中通入气体，或者是由于盐类反应生成的气泡，氢在形成的气泡内的分压为零，在分压差的作用下氢会扩散至气泡中，并随气泡的上浮而排出，从而实现除气的目的[39]。目前最常用的是用通氩气除氢。吹气的除气效果取决于气体的性质和气泡在合金液中的分散度，气泡大小等因素。采用旋转吹气法的效果较好。

熔剂精炼法的精炼原理是依靠主要成分NaC1、KCl等对Al2O3等氧化物之间浸润、粘附能力强，且密度远比铝合金液小，在合金液表面的铺展性好，在氟盐的加速和帮助下，破碎、疏松合金液表面上氧化膜的作用大，使合金液内的氢能逸出，并与这些氧化物一起被熔剂吸附或溶解，因而使合金液得到净化[40]。熔剂多由碱或碱土金属元素的氯化物、氟化物的混合盐组成。

过滤法是依靠过滤介质的机械阻碍作用或者吸附作用捕获夹杂物，同时截除吸附在夹杂上的氢而达到精炼目的的。最常用的过滤材质为泡沫陶瓷。过滤法去除夹杂物效果显著，但除气效果较差，为了达到好的除气效果通常结合吹气法一并使用。

2、非吸附精炼法

非吸附精炼法是通过物理或化学反应，净化铝合金液，具体方法有真空精炼、电磁搅拌、压力结晶、超声处理、稀土元素储氢等[39]。

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1.6 论文的主要研究内容

课题结合生产实际，为厂商生产多种零件。零件所用的材料包括ZL102、ZL201、ZL114A合金，采用的铸造方法包括金属型和砂型铸造。主要的研究内容如下：1）ZL201合金铸件支架生产中存在的主要缺陷为裂纹和未浇足，通过实验分析，找出导致缺陷的因素，制定合理的解决措施；

2）ZL102合金铸件对称架主要缺陷为气孔和冷隔，通过实验分析缺陷的产生原因，制定合理的解决措施；

3）ZL114A合金铸件横梁和铝板，生产中存在的主要缺陷为针孔，分析缺陷的形成原因，制定合适的解决措施。

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2试验材料和试验方法

2.1试验材料和试验设备

试验与生产紧密结合，实验材料包括ZL102、ZL201、ZL114A合金。ZL102和ZL201直接从专业的生产厂家购买合金锭，L114A由自己配置。

ZL102合金为铝硅二元合金，成分为10.0-13.0%Si，余量为Al。

ZL201的合金成分为4.5-5.3%的Cu、0.6-1.0%的Mn、0.15-0.35%的Ti，余量为Al。

ZL114A的合金成分为6.5-7.5%的Si、0.45-0.60%的Mg、0.10-0.20%的Ti、0.04-0.07%的Be，余量为Al。配置合金所需的材料有纯铝、镁、硅、钛添加剂、铝铍中间合金。

试验中采用电加热炉和焦炭加热炉两种炉熔化金属，其中电加热炉的型号为SDL 200/F，主要性能指标为：额定功率30kw,额定电压380v，额定温度950℃。焦炭加热炉为石墨坩埚。其它用到的设备主要由固熔处理炉、砂芯的烘箱、混砂机。

图2.1 SDL 200/F熔化炉图2.2 固熔处理炉

2.2试验方法

试验与铸件的生产相结合，对称架采用金属型，呋喃树脂自硬砂芯；支架采用粘土砂湿型铸造，砂芯也是呋喃树脂自硬砂芯；对称架和支架的基本工艺已经确定，只是在实际生产过程中有铸造缺陷，所以结合生产过程，记录基本的工艺参数，比华中科技大学硕士学位论文

如浇注温度、浇注速度等，找出导致缺陷产生的主要因素，制定相应的解决措施，再在实际生产中验证，如此反复直到达到满意的合格率。

支架和横梁都采用砂型铸造，其基本的工艺流程几乎相同，见下图2.3：

图2.3 支架和横梁砂型铸造基本工艺过程图

对称架采用金属型铸造，并运用了倾转浇注工艺，其工艺流程如图2.4：

图2.4 倾转浇注工艺流程图

铸件热处理工艺：

支架为ZL201材料，且壁厚相对较薄，采用T4热处理，即淬火+自然时效，在华中科技大学硕士学位论文

540±5℃，保温8小时，进行固溶处理，在80℃的水中冷却，如图2-5

图2.5 支架的热处理工艺图

ZL114A的横梁采用T6热处理，即淬火+完全人工时效处理，可获得最大的强度和硬度，塑性会降低。其淬火和时效处理的工艺如图2.6：

(a)淬火处理工艺

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时效处理工艺图

图2.6 ZL114A 的T6热处理工艺图 测试方法：

组织和成分分析：

利用金相显微镜对不同厚度的ZL114A 铝板以及不同批次ZL102合金锭的显微组织及相组成进行分析。通过光谱分析怀疑有问题批次ZL102合金锭的化学成分，分析配置熔炼的ZL114A 合金的成分组成是否达到要求。

力学性能测定：

对于ZL114A 的铝板和横梁，则要进行铸造工艺设计，进行试浇注，解决存在的缺陷和工艺问题。铸件的性能进行检测，针对铝板主要测试抗拉强度，（试样尺寸如图2.7，实物如图2.8）针对横梁则主要测试三点弯曲条件下可以承受的最大力，或者使用特殊的压具，模拟真实工况条件下的受力情况，检测可以承受的最大破坏力。

图2.7 矩形拉伸试样图

图2.8 拉断后试样华中科技大学硕士学位论文

3 ZL201铸件裂纹和未浇足成因分析及防止

3.1 ZL201铸件基本工艺的介绍

支架采用ZL201合金，要求较高的强度，零件结构比较复杂，属于薄壁零件，但局部壁厚很不均匀。

铸造方法：粘土砂湿型铸造；

造型（芯）材料和造型（芯）工艺：粘土砂湿型，手工造型；砂芯采用呋喃树脂砂，自硬冷芯盒法造芯；

浇注工艺：浇注温度在700--720℃范围内，浇注时间在10s左右；

ZL201合金的熔炼工艺：

将电炉升温，清除坩埚内杂物并涂涂料，烘干后加入预热过的铝锭，进行熔化；加入适量的回炉料待完全熔化后，在金属液表面上撒上除渣剂除渣；在750℃左右通入氩气进行吹气精炼，10～15min后扒渣；合金液保温在合适温度范围内。

零件热处理工艺：

采用T4热处理，即淬火+自然时效，在540±5℃，保温8小时，进行固溶处理，在80℃的水中冷却。

3.2 缺陷分析和防止

铸件生产过程中的主要缺陷有裂纹和未浇足。裂纹为宏观的外裂纹，但有的较小，需要借助放大镜才能观察到。铸件的裂纹缺陷会直接导致铸件报废，是解决的重点。未浇足缺陷影响铸件的外观质量，并不会导致铸件报废。

3.2.1 裂纹

铸件裂纹为外裂纹，目视或借助放大镜可以观察到，成不连续无规则的曲线，起始处相对宽些，尾部逐渐变细，主要存在于支架内圆角，厚薄断面的转接处如下

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图3.2所示，并且裂纹处无金属光泽，较暗，结合ZL201合金凝固区间较宽的特性，判断裂纹为热裂纹。

图3.1 裂纹所处位置

目前关于热裂纹的形成有两种理论，即强度理论和塑性理论。强度理论认为：铸件先收缩时，由于受阻而产生收缩应力，当应力增大超过合金在该温度所具有的强度时，就会产生热裂纹。塑性理论认为：合金的塑性随温度升高至接近固相线时突然降低，当极低的塑性不足以补偿铸件收缩所需的变形时，就会产生热裂纹[4]。铸件凝固过程中随着树枝晶的相互连接形成骨架后就会产生固态收缩，但在此时树枝晶之间往往还存在尚未凝固的液膜，而且铸件的收缩会受到型砂或砂芯的阻碍，从而产生收缩应力，这时树枝晶间的液膜将受到拉伸的作用而变形。当拉应力超过液膜的强度或塑性极限时(如上述强度和塑性理论)，树枝晶间就会被拉开，如果没有金属液填充进来，铸件就会产生热裂纹。

解决措施：由上述分析可知，ZL201合金本身的特性导致实际生产中很容易产生热裂纹，所以首先要严格控制杂质元素Fe和Si的含量，如果条件允许加入Ti抑制树枝晶长大，细化晶粒；制定合适的浇注工艺，使浇注温度尽量降低；铸件的裂纹处为厚薄面的转接处，为凝固时的热节，配合使用冷铁，从而降低热节处的裂纹倾向。所以在严格控制铝液质量，型砂和砂芯的前提下，重点通过优化浇注温度和冷铁的防止解决裂纹缺陷。

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3.2.2 未浇足

缺陷位置如下图所示（热处理后），边缘呈圆弧状，铸态下有较强的金属光泽。通常未浇足是由于液态金属本身的充型能力差引起的。由下图3.3可以看出，铸件未浇足的部位并不是铸件的最末端，也就是说未浇足缺陷的产生，并不是由于浇注系统的设计不合理导致的。

图3.2 未浇足缺陷

解决措施：经上述分析决定适当提高浇注温度。

综上所述，为了解决铸件裂纹、未浇足缺陷，初步制定采取以下的解决措施：跟踪零件的实际生产，确定铸件的浇注温度对裂纹、未浇足缺陷的影响，确定铸件最佳浇注温度。

3.3工艺的改进及实验结果

跟踪零件的实际生产，记录了十一炉共计五十五件铸件的生产过程的工艺，零件存在的缺陷，采用边生产边改进工艺解决缺陷。生产过程中每一炉铝液可以浇注五件，每一浇包铝液可以浇注两个铸件。每一炉铝液浇注的第一件为单独浇注，后四件每一浇包铝合金液浇注两件。同一浇包铝合金液浇注的第一件温度较高，是由于浇包本身温度较低，降温较快，第一件浇注温度高些也是对浇包的加热，防止浇华中科技大学硕士学位论文

注第二件时铝合金液温度过低。

前二十件的生产工艺与之前的生产工艺相同，主要记录铸件生产过程中的浇注温度、浇注时间、铸件的生产中出现的问题和浇注出的铸件是否有缺陷（如表3.1）。

表3.1 前四炉实验数据

铸件炉次铸件

编号

浇注温

度℃

浇注所用时

间t/s

铸件外观质量及浇注过程中出现的

问题

1-1 720 28 发生跑火，左侧冒口处补浇，未浇足1-2 707 24 发生跑火，右侧冒口处补浇，未浇足1-3 720 20 右侧冒口补浇，A处发现裂纹，两侧

肋部未浇足明显

1-4 705 18 A处有裂纹

第一炉

1-5 720 11 铸件完好

2-1 710 9 A处有裂纹

2-2 708 10 铸件完好

2-3 720 10 A处有裂纹左侧肋部未浇足

2-4 703 13 A处有裂纹且较长

第二炉

2-5 710 10 铸件完好

3-1 710 10 两侧肋部未浇足

3-2 701 11 A处有裂纹两侧肋部未浇足

3-3 712 9 两侧肋部未浇足

3-4 703 10 A处有裂纹

第三炉

3-5 710 9 A处有裂纹两侧肋部未浇足

4-1 710 11 A处有裂纹左侧肋部未浇足

4-2 695 A处有裂纹

4-3 718 9 有裂纹

4-4 705 9 两侧肋部未浇足

第四炉

4-5 715 10 铸件完好

有上述生产过程中记录的数据可以看出，裂纹缺陷的发生几率非常高，在20件华中科技大学硕士学位论文

中只有7件没有出现裂纹缺陷，而且裂纹出现的位置几乎相同。而且绝大多数都存在在两侧的肋部有未浇足的缺陷，虽然不会导致铸件的报废，但影响铸件的美观，严重的需要进行补焊修复。将这二十件中所有有裂纹的铸件的浇注温度统计如下表3.2：

表3.2 有裂纹铸件的浇注温度

铸件的编号浇注温度℃

1-3 720

1-4 705

2-1 710

2-3 720

2-4 703

3-4 703

3-5 710

4-1 710

4-2 695

4-3 718 有上述数据，浇注温度与铸件的裂纹缺陷很难找出较明显的对应规律，所以认为，在目前的工艺下，在700-720℃的浇注温度范围内，浇注温度高低并不是决定铸件产生裂纹的决定性因素。分析裂纹产生的地方为热节处，其周围的壁厚均较薄，凝固时会先于热节处凝固，从而对热节处产生拉应力，而且由于周边壁厚薄已先行凝固，又得不到合金液的补充，从而形成裂纹。而且此处热节在700-720℃的浇注温度范围内，温度变化的影响并不敏感。所以采用冷铁，形成局部激冷，改变其凝固速度。在图3.2所示A处对应的砂型位置放置6*6*1cm的方形冷铁。

由上文对铸件产生热裂纹原因的分析，主要是由于在铸件凝固过程中树枝晶的相互连接形成骨架后会产生固态收缩，但在此时树枝晶之间往往还存在尚未凝固的液膜，而且铸件的收缩会受到型砂或砂芯的阻碍，从而产生收缩应力，这时当树枝晶间的液膜将受到的拉应力超过液膜的强度或塑性极限时树枝晶间就会被拉开。如

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果不能及时得到金属液填充，铸件就会产生热裂纹。所以增加型砂或者砂芯的退让性，会减小铸件发生固态收缩时的应力，降低热裂倾向。支架的砂芯采用呋喃树脂自硬砂，由于呋喃树脂自硬砂的特性在浇注后被金属液加热会发生膨胀。而且支架中部的结构类似薄壁箱型结构，砂芯厚大。铸件壁薄不能将砂芯加热到足够的温度，加热深度有限，使砂芯仍保持原有的干强度，强烈阻碍支架凝固外壳的线收缩，增大裂纹发生的倾向。在这种情况下，通常将厚大砂芯改成中空砂芯，对于支架使用的砂芯改成中空砂芯的工艺难度较大，所以采取在制芯时在砂芯心部放入一部分塑料泡沫材料，使其具有类似中空的结构，从而增强砂芯的退让性。

在上述二十件中没有几乎都有未浇足缺陷，只是轻重有别，但位置相同。由于采用的浇注速度不同，浇注温度较高时同样会出现。所以分析不是由于合金的充型能力导致的，而是由于在局部憋气，导致金属液难以充型。所以在相应的砂芯位置，打通气孔，增强排气性，改善局部排气。

表3.3 五、六、七炉实验数据

铸件炉次

铸件编号 浇注温度℃铸件的外观质量 5-1 715 完好 5-2 710 完好 5-3 707 完好 5-4 715 完好 第五炉

（铸件裂

纹对应的

型砂处放

置方形的

冷铁）

5-5 709 A 处有裂纹 6-1 710 完好 6-2 720 A 处有裂纹 6-3 709

完好 6-4 718

A 处有裂纹 第六炉

（放置冷

铁） 6-5 708 完好

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (续上表)

7-1 702 左侧冒口位置补浇，未浇足 7-2 705 完好 7-3 715

A 处有裂纹 7-4 706

A 处有裂纹 第七炉

（放置冷

铁） 7-5 711 完好

为了便于分析，将各浇注温度区间有无裂纹缺陷的铸件做成如下表格：

表3.4 各温度区间铸件有无裂纹的个数

浇注温度范围 700-704℃ 705-710℃ 711-715℃ 716-720℃ 对应铸件总数

1 8 4

2 有

1 2 1 2 铸件有无裂纹缺陷 无 0 6 3 0 虽然在各温度区间内，浇注的铸件个数不同，但通过上表仍可以反映出在706-715℃温度范围内，铸件裂纹倾向更低些。在705-715℃之间尽可能采用低的浇注温度，确定在710℃左右。这里有一个情况需要说明，由于一浇包铝合金液浇注两件，所以通常两件的浇注温度会有一定差别。

有上述数据可以得出，在之前产生裂纹的位置对应的砂型位置放置6*6*1cm 的方形冷铁后，裂纹出现的几率明显降低，但在较高浇注温度时依然会产生裂纹（如表3.3中6-2、6-4、7-3编号铸件），在浇注温度较高时，冷铁的激冷作用对凝固先后顺序的改变作用会降低。所以增大冷铁，强化极冷效果，会进一步降低裂纹缺陷对浇注温度的敏感性。所以在同样位置，放置更大一点的冷铁，会进一步降低此热节处的热裂倾向，冷铁的尺寸改为5*10*1cm 。

针对两侧肋部的未浇足缺陷，在相应的砂芯位置，打通气孔后，可以完全消除，证实了未浇足缺陷的产生是由于局部排气不畅，阻碍金属液充填导致的。如图3.4所示的零件会很有说服力，其中一侧打了通气孔，一侧由于工人师傅的疏忽，没有打通气孔，从而没打通气孔的一侧有浇不足，打通气孔的一侧形状完整。

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图3.3 铸件两侧肋部对比

在更换更大冷铁和缩小浇注温度范围之后，之后生产的二十件做了跟踪记录的数据如表3.5：

表3.5 改进工艺后浇注的二十件实验数据

铸件炉次 铸件编号浇注温度℃ 浇注所用时间t/s

铸件外观质量及浇注过程中出现的

问题 8-1 708

9 完好 8-2 706

7 底部由于有夹杂物，形成小孔，导致裂纹 8-3 709

8 完好 8-4 708

8 完好 第八炉（砂型上对应铸件

裂纹处，放置长条状冷铁）

8-5 710 9 完好 9-1 709

8 A 处有裂纹 9-2 710 9 完好

9-3 710 10 完好

第九炉 9-4 704 10

完好

（续上表）

9 完好

710

9-5

10-1708 13 完好

第十炉

10-2710 9 完好

10-3710 9 完好

10-4708 8 完好

10-5710 10 完好

11-1709 完好

第十一炉

11-2710 9 完好

11-3706 10 完好

11-4710 11 完好

11-5708 10 完好

通过上述记录的数据可以看出，铸件的裂纹、未浇足缺陷已经基本解决。而且在浇注温度基本稳定的条件下，浇注速度的轻微改变并没有对铸件产生明显的影响。

3.4 本章小结

（1） ZL201支架的裂纹缺陷，为热裂纹，产生的原因和解决措施：

ZL201合金的凝固区间较宽，热裂倾向较大；

砂芯为呋喃树脂自硬砂，受热后会有一定膨胀，而且支架中部为类似箱型的结构，铸件壁厚较薄，砂芯厚大，浇注时砂芯会保留很高的干强度，强烈的阻碍支架中部的收缩；

铸件发生裂纹缺陷的位置比较固定，该位置为支架臂与中部的交接处，为热节位置。

支架裂纹缺陷的解决措施：

在制芯时在砂芯中部放入一定量塑料泡沫，使用于成型支架中部箱型结构的厚华中科技大学硕士学位论文

大砂芯具有类似中空的结构，从而增强砂芯退让性，减少铸件收缩时的阻碍；

在支架裂纹发生处所对应的砂型位置放置5*10*1cm的冷铁；

采用低的浇注温度，降低热裂倾向。浇注温度定为710℃左右。

（2） ZL201支架两侧肋部得未浇足缺陷的产生原因和解决：

支架臂较长，金属液流到端部时，温度会下降，流动性会变差；

最主要的时由于铸件结构和砂芯的排气性较差，导致在支架臂的两端的肋部造成局部的憋气，增加金属液充型的阻力。

支架两侧肋部未浇足缺陷的解决措施：

在砂芯相应的位置打通气孔，增强局部排气性，防止该处的憋气，较少金属液充型的阻力。

实验验证，通过采取上述措施，支架铸件的裂纹和未浇足缺陷已经得到了很好的解决。

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4 ZL102铸件气孔和冷隔成因分析和防止

4.1 ZL102铸件基本情况介绍

ZL102铸件对称架为薄壁零件，表面质量要求较高，壁厚很不均匀，较薄处为6cm，厚壁处21cm，内侧波浪纹处壁厚变化明显。零件图如图4.1。

(a) (b)

图4.1 对称架三维图

铸造方法：金属型，呋喃树脂自硬砂一体砂芯；

浇注工艺：

倾斜浇注工艺，倾斜角度15度左右；浇注温度660-680℃，每浇注五个零件喷涂一次涂料。

铝合金液的除气工艺：

采用气体浮游法除气。在720℃左右，通氩气进行旋转吹氩气精炼15分钟后，扒渣，保温，待浇；

对称架生产过程中存在的主要问题：

铸件内侧波浪纹处有气孔和中部薄壁处有冷隔缺陷，虽然不会导致铸件报废，但降低了铸件的外观质量，气孔需要后期的修补。铸件内侧表面质量不高，粗糙度较大。其气孔形态如图4.2。另外其中一批ZL102合金锭，在浇注时流动性很差，气华中科技大学硕士学位论文

孔倾向非常严重，难以浇注出完整的铸件，怀疑合金锭的成分存在问题。

图4.2 气孔缺陷

4.2 铸件缺陷成因分析

4.2.1气孔缺陷分析

气孔形状有呈圆形的也有异形的孔洞，其孔洞直径大概有几个毫米，而且气孔多分布在对称架铸造时上半部，与砂芯接触的表面，而且主要集中在波浪纹处。所以铸件的气孔可能是侵入型气孔，也可能是由于合金液充型过程中卷气，在充填波浪纹处相对阻力较大，在此处形成气孔。

侵入性气孔是在浇注时，砂型在金属液的加热作用下，产生的大量气体有可能侵入金属液。在型壁上的气泡核可能导致产生气坑式表面气孔，或者形成皮下气孔。侵入气体在型壁上形成气泡，脱离型壁后，会卷入金属液中，如果不能排除而滞留在金属液中，则会产生侵入性气孔[33]。

金属液在充型过程中，如果形成紊流，则会卷入气体。对称架波浪纹处，铸件壁厚变化明显，容易导致紊流，可能导致气体的卷入。

气孔缺陷导致的原因可能是多方面的，可能是由于砂芯发气量较大、除气效果不佳。也可能由于铸件内部形状复杂，有波浪纹，容易导致合金液流动过程中的紊华中科技大学硕士学位论文

流，导致卷气，增强氧化夹杂倾向，增强合金液的吸气性，导致的气孔。另外ZL102合金的硅含量较高，吸气倾向大。

4.2.2 冷隔缺陷的形成分析

铸件表面有熔合线，熔合线呈人字状的凹坑。引起冷隔缺陷的原因是多方面的。合金液的浇注温度过低或者模具温度较低，合金液的流动性较差；浇注系统或者浇注位置使合金液会流处集中在铸件的薄壁处都会导致冷隔。对称架采用金属型，合金液在型腔中保持流动的时间较砂型大大缩短，会使合金液的流动能力降低。

浇注温度通常是解决冷隔等流动性缺陷的最重要参数，因为表面张力和合金液的粘度，随着浇注温度的提高都会降低，金属液的流动能力会提高。

4.3 改进措施及实验验证

（1）针对其中一批铝合金锭相比其他批次的铸造性能较差，在相同工艺条件下，根本无法保证成品率。所以怀疑这批铝锭成分存在偏差。对其进行成分分析。

（2）首先要确保合金锭和熔炼用工具表面的锈迹、油污及熔渣等都被很好的清除，尽量少添加回炉料，质量差有氧化夹杂的回炉料不要使用。变质剂、精炼剂、浇包和扒渣工具等在使用前都应烘干，加热前清除坩埚内的杂质，坩埚要提前预热至暗红色再加入炉料[41]。

改进合金液的精炼除气工艺、通常情况下，单一的精炼方法要达到既能高效的除氢又能清除夹杂物是很难的。之前的生产实践已经表明针对对称架的生产工艺条件，单纯采用旋转吹氩气的精炼方法效果不佳。考虑采用复合精炼，将除气工艺改进为：在720℃左右，通氩气进行旋转吹起精炼15分钟，扒渣；压入块状的六氯乙烷，10分钟后，扒渣，保温待浇。

在改进铝液的除气工艺前提下，跟踪铸件的生产过程，通过改变浇注温度、浇注速度等浇注工艺参数，找出导致铸件气孔的最主要因素。

（3）针对冷隔缺陷，首先提高金属型的初始温度，在连续的有固定节奏的生产

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过程中，模具温度的波动会具有规律性，在浇注每个零件时模具温度的差异会较小，所以要保证生产的连续性。提高金属模具的初始温度。

4.3.1对有问题批次铝锭的成分分析结果

采用的荧光光谱成分分析误差较大，但从分析结果（如表 4.1）可以看出，光斑

所打的位置为富硅区，所以硅含量很高，但检测到ZL102中不应该有的杂质元素Cr，正常批次铝锭成分如表4.2。至于Cr在合金中究竟起到什么样的作用，成分上的差

别是怎样导致合金的铸造性能，没有做更进一步的研究，但是可以确定这一批次的

铝合金锭，成分存在问题。分析结果如图4.3。

图4.3 铝锭荧光光谱分析结果

表4.1 问题批次铝锭合金成分

Elem: Net Wt% At% I-Error% AlK 696.65 77.94 78.98 0.38

SiK 129.8 21.08 20.52 0.88

CrK 44.71 0.43 0.23 1.53

MnK 23.92 0.18 0.09 2.16

FeK 61.67 0.37 0.18 1.31华中科技大学硕士学位论文

表4.2 正常铝锭合金成分

Elem: Net Wt% At% I-Error% AlK 752.83 80.54 81.27 0.36

SiK 119.06 19.15 18.56 0.92

TiK 13.21 0.2 0.12 2.9

FeK 17.58 0.1 0.05 2.67

由于光谱分析的光斑较小，误差较大，测得的Si的含量较高，光斑聚焦的位置为富硅区。但有问题批次的ZL102合金锭含有Cr、Mn，而且Fe含量较高，证明其成分存在问题，至于Cr、Mn以及较高含量的Fe究竟是怎样导致合金的铸造性能的显著下降，并没有做进一步研究。

4.3.2浇注试验

本次试验采用新的合金锭，没有添加回炉料。仔细清除合金锭和熔炼用工具表面的锈迹、油污及熔渣等变质剂、精炼剂、浇包和扒渣工具等在使用前都经过烘干。坩埚提前预热至暗红色再加入炉料。采用优化后的除气工艺：在720℃左右，通氩气进行旋转吹气精炼15分钟，扒渣；压入块状的六氯乙烷，10分钟后，扒渣，保温待浇。模具经3个小时的加热，在喷涂料之前为350℃，喷涂料后浇注前为245℃。

在采取上述措施后，进行浇注试验，试验记录的数据如下表4.3：华中科技大学硕士学位论文

表4.3 实验记录数据

铸件编号浇注温度℃浇注用时s 铸件外观质量

1 690 15 铸件上半部有冷隔，有明显的熔合线，

破浪纹处有气孔，

2 684 14.5

上半部有熔合线，波浪纹处有气孔

3 681 18 上半部有熔合线

4 67

5 1

6 上半部有熔合线，波浪纹处有气孔

5 670 15 上半部有熔合线

6 668 15 上半部有熔合线，波浪纹处有少量气孔

7 666

20（跑火补交）上半部有明显的熔合线，波浪纹处有少

量气孔

由上述数据可以看出，铸件上半部表面的熔合线，在提高模具温度和浇注温度时并没有完全消除，也就是说在现行工艺条件下，模具温度和浇注温度并不是导致铸件上半部表面熔合线的决定性因素。考虑可能是浇注系统或者浇注位置的设计不合理的导致的。

另一方面铸件的气孔缺陷并没有消除，在两批次生产的铸件的浇冒口的相同位置截取试样，磨平后对比针孔度，由于试样是从浇冒口上截取的，浇冒口是铸件上最后凝固的区域，通常会存在气孔的，所以并不能精确的反应铸件内部的针孔度，对于两种除气工艺的效果还是能够反映的。

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(a) 除气工艺优化前(b)除气工艺优化后

图4.4 两种除气工艺的铸件浇冒口针孔对比

上图4.4中(a)为没有进行除气工艺优化铸件的浇冒口截面，(b)为优化除气工艺后铸件浇冒口截面图，对比可以看出采用优化后的除气工艺后，金属液中的气体含量大大降低。必须说明的是由于是在铸件的浇冒口上截取的试样，并不能说明铸件内部是否有针孔。

4.3.3改进措施

1、模具的改进

原来的模具精度较差，合型后密封性较差，需要涂抹糊状的耐火泥进行密封，防止浇注时跑火。由于耐火泥的含水量较大，在浇注时发气明显，在充型过程中增加水汽压，导致合金充型时吸气，也增大合金充型的阻力。总之密封模具的耐火泥的发气量较大，会使气孔缺陷发生的几率增加。由于厂方对该零件的需求量较稳定，并且希望将零件出口，对零件的质量提出了更高的要求。所以决定重新制作模具，确保精度。

2、浇注系统的改进

原来对称架浇注时，铸件的浇注系统示意如图4.4，铸件的浇注为两边同时浇注，由于采用金属模，而且浇口所在位置属于薄壁处，合金液冷却相对较快，所以为了华中科技大学硕士学位论文

提高合金液的流动性采用倾转浇注，提高充型压头，增强金属液的充型能力。

铸件此位置多

有明显的熔合

线

150

图4.5 原工艺下浇注系统示意图

如图4.5，浇注过程中金属液首先和大部分填充的是对称架的下半部，下半部填满后，处于充填前头的金属液的温度会降低，与充填上半部的新的温度较高的金属液汇合处会形成熔合线，造成对称架上半部的冷隔缺陷。而且通过上述的实验已经证明，通过增加浇注温度、提高模具温度并不能完全解决铸件的冷隔缺陷。铸件的冷隔缺陷主要是由于浇注系统在设计上存在问题。由于重新开模，所以考虑重新设计浇注系统。重新设计后的浇注系统示意图如图4.6所示。

浇注系统

图4.6 修改后的浇注系统示意图华中科技大学硕士学位论文

3、砂芯的改进

先前采用磷酸催化呋喃树脂自硬砂制作整体砂芯。砂的利用率较低，在一些难填充的位置，芯砂的充填不够致密，所以在实际生产时铸件内侧，靠砂芯成型的表面质量不高。而且呋喃树脂自硬砂砂芯强度低容易吸潮，吸潮后会增大铸件的气孔倾向。之前在生产其他铝合金铸件时，采用了覆膜砂热芯盒工艺制作的砂芯，表面质量较好。由于零件为对称结构，可以做分体的组合砂芯，提高芯砂的利用率，若采用一体砂芯会大大加大采用热芯盒法的工艺难度。

由之前的分析和浇注试验，在通过改进合金液的除气工艺；确保清除合金锭和熔炼用工具表面的锈迹、油污，变质剂、精炼剂、浇包和扒渣工具等在使用前都经过烘干，尽量减少气体的来源后，并没有消除铸件的气孔缺陷，对称架气孔的缺陷是由于砂芯的发气量较大，导致形成侵入性气孔。为了防止铸件气孔缺陷要尽量降低砂芯的发气量。

覆膜砂砂芯的发气量与砂芯的固化质量密切相关。本实验采用的是热芯盒法制实体芯，覆膜常用来制壳芯，相比实体芯壳芯的排气性大大增加。

在覆膜砂用热芯盒制芯时，砂芯的固化主要分为两个阶段[28]，第一阶段是覆膜砂射入热的芯盒中，在芯盒热的作用下，砂芯的表面开始固化；第二阶段是指砂芯从芯盒中取出后，在余热的作用下，砂芯内部未固化的部分继续固化的过程。砂芯固化的第一阶段是用热芯盒覆膜砂制芯的关键阶段。

实际生产中通常通过砂芯的表面颜色来判断。砂芯的表面颜色均匀，微发暗则固化质量较好，如果表面颜色不均匀，表面局部烤焦或者未固化则固化质量较差。固化质量差砂芯心部未完全固化，浇注时在合金液热的作用下，覆膜砂中的树脂会发生固化，发气量会很大，使气孔缺陷的发生几率大大提高[28]。

为方便人工操作和节约设备成本，试验中使用的砂芯为单面加热，难以保证砂芯固化的均匀性，为了提高砂芯的固化质量，适当延长砂芯的加热时间，或者在浇注前，将砂芯放入烘箱中，适当加热，从而确保砂芯完全固化，并清除吸附的水汽，降低砂芯浇注时的发气量。

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4、采取水平浇注代替倾转浇注

由于砂芯采用了两片组合，并且较之前采用磷酸催化呋喃树脂自硬砂制作整体砂芯的重量大大降低。在这种情况下采用倾转浇注工艺，会增加两片砂芯定位的难度，导致两片砂芯的错位，同时砂芯的上浮更容易，影响铸件的尺寸精度。

在采取上述多方面改进后，进行浇注试验，记录的数据如下表4.4：

表4.4 实验记录数据

铸件序号浇注温度℃铸件的外观质量

1 681 铸件完好

2 675 铸件完好

3 670 铸件完好

4 668 铸件完好

5 669 铸件完好

6 670 铸件完好

(a)(b)

图4.7 对称架局部细节

由图4.7可以看出铸件波浪纹处成型完好，精度较高，没有气孔。铸件容易产生冷隔缺陷的位置，没有熔合线。对称架铸件的气孔和冷隔缺陷已经很好的解决。

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4.4本章小结

（1）对称架的气孔缺陷产生的原因和解决

对称架的气孔缺陷的原因是多个方面的。合金的成分决定着气体在合金液中的溶解度，合金的流动性，合金的凝固特性。由于其中一个批次的ZL102合金锭的成分存在问题，含有ZL102合金不该含有的Cr、Mn，以及Fe的含量较高。另一方面合金液的质量，即合金液的含气量和氧化夹杂物含量对铸件的气孔倾向有较大影响。优化合金的精炼工艺，在旋转吹氩气后，增加六氯乙烷除气，降低合金液的含气量。最重要一个方面砂芯的发气，无论是呋喃树脂砂砂芯或者覆膜砂热芯盒砂芯在浇注过程中发气量加大。对称架波浪纹处的气孔为侵入性气孔，控制砂芯的发气量和增强排气是解决气孔的落脚点。延长覆膜砂砂芯的加热时间，确保砂芯内部完全固化。砂芯放置时间较长后，应烘干去除吸附的水汽。

（2）对称架的冷隔缺陷的原因和解决措施

对称架的冷隔缺陷主要是由于铸件的浇注系统设计和倾转浇注工艺，导致充型对称架上半部和下半部的两股金属液，在铸件的薄壁处汇集，而且充型下半型的金属液的流程更长，两股合金液流的温度会有一定差距。铸件采用金属型铸造，铸型的激冷作用较强，导致两股合金液汇流的地方形成冷隔缺陷。解决的方法就是对浇注位置进行修改，改为在上下两半部的最主要交汇处。

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5 ZL114A铸件的针孔分析及解决

5.1 ZL114A铝板的针孔缺陷分析及解决

本课题与研究ZL114A合金激光焊接的课题组合作，为其焊接试验提供合格的ZL114A合金板，批量较小。板材的尺寸要求10*15mm，厚度分为6、10、20mm三种。对铝板的要求主要有抗拉强度要超过280MPa，组织致密，没有铸造缺陷。

由于批量小，零件形状简单，采用粘土砂湿型铸造。由于铝板为激光焊接试验用，激光焊接要求非常高的拼装精度，所以铝板表面要很平整，边缘要非常整齐，铸造生产的精度是难以达到的，所以铸件表面需要进行机加工。

5.1.1 ZL114A铝板的试制

1、Zl114A合金的熔炼

表5.1 ZL114A合金化学成分[1]

合金代号主要合金元素 %

ZL114A

Si Mg Ti Be Al

6.7-

7.5 0.45-0.60 0.10-0.20 0.04-0.07 余量

表5.2 ZL114A合金的主要杂质元素及其含量[1]

合金代号杂质含量不大于%

ZL114A

Fe Cu Zn Mn 其他杂质杂质总和

0.2 0.2 0.1 0.1 每种0.05共0.15 0.75

合金配置需要的原料：

纯铝锭120㎏、硅9.5㎏、镁锭1.2㎏、钛添加剂（ZS-Ti30）1㎏、铝铍中间合华中科技大学硕士学位论文

金1.75㎏，铝锶变质合金0.7㎏.

Zl114A合金的熔炼工艺过程：

1）将石墨坩埚预热至暗红色，清除水汽，加入纯铝锭；

2）等到铝锭溶化后，加入已经预热至500℃以上的硅，并将硅压入铝合金液中，升温；

3）加入Ti添加剂；

4）升温至800℃以上熔化，在合金液表面撒上清渣剂，扒渣；

5）将烘干、表面除油后的铝铍中间合金加入炉中，待全部溶化后，在750℃左右加入纯镁，保温熔化；

6）升温至760℃，吹氩气精炼15min，扒渣；

7）将铝锶变质合金用锡纸包好后用钟罩压入熔体中，并搅拌30秒左右，进行变质处理，保温，待浇。

2、 ZL114A合金铝板的性能检测和分析

1）铝板的针孔缺陷

在将铸造出的铝板进行机加工时，发现铝板内部有非常多的气孔。气孔孔洞很小，形状近似球状，弥散分布，为针孔缺陷。如图5.1，孔壁发亮，呈金属本色。

图5.1针孔缺陷华中科技大学硕士学位论文

2）抗拉强度测试

由于对铝板的性能要求主要是抗拉强度要超过280MPa,针对三种不同厚度的合

金板，热处理后每种取两个矩形拉伸试样，拉伸试验的数据如下表：

表5.3 试样的拉伸数据

取样的铝板厚度mm 第一件强度MPa第二件强度MPa平均强度MPa

213.28

20 228.85

197.71

248.81

235.12

10 262.49

301.7

6 301.15

302.26

由上表可以明显看出，随着厚度增加，铝板的抗拉强度明显下降，但6mm和

10mm板的性能差别较大，可能由于铸件的针孔缺陷导致的，10mm和20mm厚的铝

板性能没有达到280Mpa以上的要求，而且由于针孔缺陷，难以满足焊接对材料的要

求。由于铝板的针孔呈点状不规则形和网状趋向，这种呈网状分布的针孔连续的分

布在晶界和枝晶间，严重的割裂组织间的联系，降低合金组织的连续性，会导致力

学性能的显著降低[42]。由于铝板壁厚增加，其凝固时间会增加，冷却速度会相应降

低，针孔缺陷会更严重，对力学性能的影响会加重，随着铸件厚度的变大晶粒的变

粗大如图5.3，所以本来厚度相差不是很大的铝板，性能相差较大。

3）对铝板的成分检测和金相分析

图5.2 合金成分分析的结果华中科技大学硕士学位论文

表5.4 合金的化学成分

化学元素Wt% At% Mg 00.68 00.75

Al 91.15 91.52

Si 07.77 07.50

Ti 00.40 00.23 测定的合金成分与规定的ZL114A成分基本相符（如图5.2和表5.4），制定的熔

炼工艺达到预期效果。

(a)6mm (b)10mm

(c)20mm

图5.3 不同厚度铝板的金相图

从上图5.3可以看出，随着铝板厚度的增加，晶粒明显变粗，浇注过程中，没

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有严格控制每浇包铝液的浇注温度，不同浇包铝液浇注的铝板的性能会有一定差别，后期的实验中需改进，确保铸件质量的稳定。

5.1.2 针孔缺陷的分析和解决措施

由于铝板较薄，其针孔缺陷的产生主要是铝液质量的问题导致的。是由于在铝液在凝固过程中，氢的溶解度急剧降低，析出的氢会形成气泡，如果来不及上浮排出，就会形成大量细小、分散的针孔。

1. 铝合金液的气体来源

铝合金铸件形成气孔的主要原因是合金中含有过量的H2，氢含量占所含气体总含量的80%—90%，其余是N2，O2，和CO等，所以分析清楚H的可能来源对控制气孔缺陷有重要意义[41]。

1）熔化时炉气的吸气

不断升温的炉料和逐步熔化中的合金液包围，使合金不断吸气氧化，合金液吸入的氢，主要来自通过炉气中的水蒸气与合金反应。

2/3Al（液）+H2O（汽）=== 1/3Al2O3 + 2H

所产生的原子态的氢，迅速溶入铝液中，生成的Al2O3成为夹杂[40]。

由于试验中采用焦炭炉熔炼合金，焦炭燃烧生成大量水蒸气，比电阻炉，导致产生的吸气量多得多。

2）砂芯砂型中所含的水汽以及浇注过程中粘结剂发生化学反应生成的气体也是重要的来源。

3）来自吸附有水汽的炉料、熔化浇注工具、炉体、坩埚、含有水分的熔剂、变质剂、以及涂料的吸气。

2. 氢的在合金液中的溶解、扩散和析出

氢以两种方式存在于铝液中:第一种是分解为原子状态溶解在铝液中，称为溶解型，约占90%；第二种氢以分子状态气泡形式吸附于夹杂物的表面或缝隙中，称为吸附型[42]。

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氢的含量受多种因素影响：合金液的温度和氢气的分压，其溶解度遵循西怀特(Sievert)定律；铝合金液本身的蒸汽压，高温下较高的蒸汽压会阻止气体的吸入，但针对铝合金在780℃以下，蒸汽压很小无法阻止气体的吸入；铝合金液内部的氧化夹杂含量；合金的成分元素硅和铜会降低氢的溶解度，镁会增加氢的溶解度[40]。

溶入在合金液中的氢，会在合金液上方的水汽压下降时析出。在铝合金液的凝固过程中，从液态转变到固态，氢的溶解度下降19倍，所以在凝固过程中析出的氢等气体，会扩散到最后未凝固的部位的铝合金液中，使该部位的氢等气体的浓度增大。如果此部位的补缩通道被凝结时，便形成了气泡。如果来不及上浮排出，就会形成大量细小、分散的针孔[40]。析出的氢是以非自发形核生成气泡核心，其主要的形核基底为合金液中的氧化夹杂物，主要为Al2O3。

3. 针孔缺陷的解决措施

结合上文对合金液中的气体的来源，气体在合金液中的扩散、析出，以及气孔的形成。针孔缺陷的形成，与合金液凝固时含气量、铸件的冷却条件和合金成分有关。所以从以下几个方面消除针孔缺陷：

1）控制铝合金液的含气量。避免在潮湿的天气进行生产，确保清除每样配料表面的油渍，水汽，清除合金锭表面的铝锈，因为铝锈不但会增加合

金液的含气量，而且又提高氧化物夹杂的含量。在加入铝液中前必须烘

干。浇注工具、扒渣工具和钟罩等工具必须烘干，涂覆涂料。

2）由于合金的熔炼采用焦炭炉，会增加铝液上面的水汽压，从而增加氢在合金液中的溶解度。所以要尽量缩短合金的熔炼时间。

3）由于受试验条件，难以实现旋转吹氩工艺，由于坩埚尺寸较大，单纯通氩气，气泡集中，分散度不够除气效果较差，所以在吹氩精炼的基

础上，除气精炼工艺改为吹氩气精炼20min，扒渣，将事先压成块状的

六氯乙烷用钟罩压入合金液中，10min后扒渣。

4）由于原工艺采用粘土砂湿型铸造，铸件凝固速度慢。针对铝板的结构非常简单，故改用金属型铸造，会大大增加冷却速度，使过饱和的氢能溶

解于固相金属中，降低针孔倾向，细化晶粒提高力学性能。