减压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度.pdf

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.05.007 第19卷第5期北京科技大学学报 Vol.19 No.5 1997年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1997 减压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度毛卫民)钟涛兴2) 1)北京科技大学材料学院，北京1000832)北京工业大学，北京摘要利用砂型样杯取代传统的金属型样杯制作了铝合金诚压凝固试样，结果表明，该试样可以预测铝合金铸件的氢针孔级别，控制铝合金的熔炼质量.测试仪器中还设置了预真空室，可使凝固室在最短的时间内达到预定的真空度，提高测试精度.试验还发现合适的砂型减压凝固压力约为1,13kPa 关键词密度，减压凝固，氢气孔，铝合金中图分类号TG291 作为结构材料，铸造铝合金得到广泛应用，然而铸造铝合金，尤其是铝硅类合金，在熔炼时，炉气或坩埚等材料中的水汽所产生的氢，很容易被熔体吸附，并扩散至熔体内部.含氢量较高的铝合金在凝固时，氢的析出可能产生气孔（常称为针孔），造成铸件的报废，根据熔炼处理条件，100g铝合金溶液含氢量一般为0.05~0.50cmm.为了控制铝合金的熔炼质量，需要测试合金的含氢量.目前，铝合金含氢量的测定分为定量”~列和定性方法5~刀在定性测氢方法中，减压密度测量数据较为准确，但它所用的样杯为传统的金属型，需刷涂料和预热，在搬运过程中，降温程度较难控制，涂料厚度也难以均匀一致；浇注铝合金熔液后，建立预定真空度的时间较长（从浇注到预定真空度约需30$）.这些因素对测试精度均有不利影响.而且测试密度的试样为凝固试样的一部分，因此需要切样，测试时间太长“~刀.本文试图利用砂型样杯代替金属型样杯，取消预热与涂料，简化测试工序；测试密度用完整的凝固试样，取消切样工序，缩短测试时间：再设置预真空室，样杯浇注金属液后，凝固室可以迅速达到预定的真空度（≤10s),并使试样密度与铝合金铸件的氢针孔度建立起联系， 1试验方法试验合金选用ZL104,其成分（质量分数）：Si,8%~10.5%;Mg,0.17%~0.30%;Mn 0.20%~0.50%.合金熔炼炉为坩埚电阻炉，合金熔化至760℃，用不同量的CC1除气精炼，调整熔体的含氢量，扒渣勺等工具均预热至600℃，以减少对气孔析出的影响. 砂型样杯用热芯盒呋喃树脂砂制作，形状和尺寸如图1所示.试验时同时浇注2个试样， 1个减压凝固试样用于测试密度，】个大气凝固试样用于针孔金相分析.制作针孔金相时，试样按图】所示20mm处切开，经粗磨，然后抛光.减压凝固系统如图2所示： 1996-09-25收稿第一作者男39岁副教授硕士

第 19 卷第 5期 1 9 9 7年 10月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n l v e r s i ty o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 1 9 N o . 5 《〕 c t 。 1 9 9 7 减压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度毛卫民 ’ ) 钟涛兴 2) l )北京科技大学材料学院 , 北京 10 0 0 8 3 2 ) 北京工业大学 , 北京摘要利用砂型样杯取代传统的金属型样杯制作了铝合金减压凝固试样 . 结果表明 , 该试样可以预测铝合金铸件的氢针孔级别 , 控制铝合金的熔炼质量 . 测试仪器中还设置了预真空室 , , 可使凝固室在最短的时间内达到预定的真空度 , 提高测试精度 . 试验还发现合适的砂型减压凝固压力约为 1 . 13 kP .a 关键词密度 , 减压凝固 , 氢气孔 , 铝合金中图分类号 T G 2 9 1 作为结构材料 , 铸造铝合金得到广泛应用 . 然而铸造铝合金 , 尤其是铝硅类合金 , 在熔炼时 , 炉气或坦涡等材料中的水汽所产生的氢 , 很容易被熔体吸附 , 并扩散至熔体内部 . 含氢量较高的铝合金在凝固时 , 氢的析出可能产生气孔 ( 常称为针孔 ) , 造成铸件的报废 . 根据熔炼处理条件 , 10 9 铝合金溶液含氢量一般为 .0 05 一 0 . 50 c m , 1] . 为了控制铝合金的熔炼质量 , 需要测试合金的含氢量 . 目前 , 铝合金含氢量的测定分为定量【’ 一 ’ 〕和定性方法〔 , 一 ’ ] . 在定性测氢方法中 , 减压密度测量数据较为准确 , 但它所用的样杯为传统的金属型 , 需刷涂料和预热 , 在搬运过程中 , 降温程度较难控制 , 涂料厚度也难以均匀一致 ; 浇注铝合金熔液后 , 建立预定真空度的时间较长 ( 从浇注到预定真空度约需 30 5) . 这些因素对测试精度均有不利影响 . 而且测试密度的试样为凝固试样的一部分 , 因此需要切样 , 测试时间太长卜 ’ ] . 本文试图利用砂型样杯代替金属型样杯 , 取消预热与涂料 , 简化测试工序 ; 测试密度用完整的凝固试样 , 取消切样工序 , 缩短测试时间; 再设置预真空室 , 样杯浇注金属液后 , 凝固室可以迅速达到预定的真空度 ( 簇 10 5) , 并使试样密度与铝合金铸件的氢针孔度建立起联系 . 1 试验方法试验合金选用 z L 1 0 4 , 其成分 (质量分数 ) : 5 1 , 8 0, 一 10 . 5 0, ; M g , 0 . 17 0,0 一 0 . 3 0 0, ; M n , .02 0 % 一 0 . 5 0 % . 合金熔炼炉为柑涡电阻炉 , 合金熔化至 7 60 ℃ , 用不同量的 C 2 0 。除气精炼 , 调整熔体的含氢量 , 扒渣勺等工具均预热至 6 0 0 ℃ , 以减少对气孔析出的影响 . 砂型样杯用热芯盒吠喃树脂砂制作 , 形状和尺寸如图 1 所示 . 试验时同时浇注 2 个试样 , 1 个减压凝固试样用于测试密度 , l 个大气凝固试样用于针孔金相分析 . 制作针孔金相时 , 试样按图 1 所示 20 m m 处切开 , 经粗磨 , 然后抛光 . 减压凝固系统如图 2 所示 : 19 9 6 一 09 一 2 5 收稿第一作者男 39 岁副教授硕士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 05. 007

Vol.19 No.5 毛卫民等：减压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度 *447· 54 中32 网6 6 φ28- Φ50 图2减压凝固系统示意图 1机械真空泵，2预真空室，3凝固室，4样杯，图1样杯尺寸（单位mm) 5真空表. 减压凝固试样的质量用万分之一电子天平称量，并记录当时的水温，查取水的密度，试样的密度按下式计算： P= maxpw m-mw 式中m,为试样在空气中的质量，m为试样在蒸馏水中的质量，P为测试m量蒸馏水的密度. 2试验结果与讨论 2.1减压凝固室的压力诚压凝固试样的密度不但与凝固时的环境压力及合金的含氢量有关，还与其他工艺条件 (如浇注温度、样杯导热性等)有关，在其他工艺条件不变时，减压凝固试样的密度将随合金液中的含氢量增加而降低.当合金液的含氢量一定时，如果试样凝固时压力不一致，不同试样的密度将发生变化，所以减压凝固试样的凝固压力应保持一致.用金属样杯作减压凝固气孔测试时的凝固压力一般为0.7~8kPa6.”.如果改用砂型样杯，因其冷却速度较慢，凝固时压力过低，会造成部分氢气泡从试样表面溢出，引起试样密度上升，给测试结果带来误差，如果凝固压力过高，氢气孔析出不充分，不同含氢量试样的密度差别缩小，也不利于测试.经试验发现用砂型样杯进行减压凝固，合适的凝固压力为11.3kPa左右.在此压力下，高含氢量试样 (其大气试样针孔级别为5.5级)也不会溢出氢气泡 2.2砂型减压凝固试样密度与大气凝固试样针孔度的关系每个减压凝固试样质量约80g,这些试样的质量和密度见表1.与减压凝固试样对应的大气凝固试样的针孔度级别见表1和图3. 从表1和图3及图4可以看出，完整砂型减压凝固试样的密度与大气凝固试样的针孔度之间有密切的关系.在氢气泡不溢出试样表面的条件下，ZL104合金液中含氢量越高，减压试样中的气泡越多，气泡的直径越大，试样的密度越小.因为凝固试样的针孔主要是由氢气的析出造成的，因而ZL104合金液含氢量越高，大气凝固试样中的针孔愈多，针孔直径也越大，试样的针孔级别越高.由上所述，砂型减压试样密度和大气试样针孔级别是从不同侧面反映了ZL104合金液含氢量的同一实质，减压试样密度越小，大气试样针孔级别越高，相反，减压试样密度越大，大气试样针孔级别越小，两者之间存在明显的线性关系.所以利用完整砂型减

V o l . 1 9 N o . 5 毛卫民等 : 减压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度 . 4 4 7 · 马i 可 {断7 。 i - 二穿乡习 2 l 3 浏砂冈图 1 样杯尺寸 (单位 m m ) 图 2 减压凝固系统示意图 1 机械真空泵 , 2 预真空室 , 3 凝固室 , 4 样杯 , 5 真空表 . 减压凝固试样的质量用万分之一电子天平称量 , 并记录当时的水温 , 查取水的密度 , 试样的密度按下式计算 : am m a 一 ” 2 叭 X P w 式中 am 为试样在空气中的质量 , mw 为试样在蒸馏水中的质量 , p w 为测试 m w 量蒸馏水的密度 . 2 试验结果与讨论 2 . 1 减压凝固室的压力减压凝固试样的密度不但与凝固时的环境压力及合金的含氢量有关 , 还与其他工艺条件 (如浇注温度、样杯导热性等 ) 有关 . 在其他工艺条件不变时 , 减压凝固试样的密度将随合金液中的含氢量增加而降低 . 当合金液的含氢量一定时 , 如果试样凝固时压力不一致 , 不同试样的密度将发生变化 , 所以减压凝固试样的凝固压力应保持一致 . 用金属样杯作减压凝固气孔测试时的凝固压力一般为 .0 7 一 s k P al , 6 , ’ ] . 如果改用砂型样杯 , 因其冷却速度较慢 , 凝固时压力过低 , 会造成部分氢气泡从试样表面溢出 , 引起试样密度上升 , 给测试结果带来误差 . 如果凝固压力过高 , 氢气孔析出不充分 , 不同含氢量试样的密度差别缩小 , 也不利于测试 . 经试验发现用砂型样杯进行减压凝固 , 合适的凝固压力为 1 . 3 k P a 左右 . 在此压力下 , 高含氢量试样 (其大气试样针孔级别为 5 . 5 级 ) 也不会溢出氢气泡 . 2 . 2 砂型减压凝固试样密度与大气凝固试样针孔度的关系每个减压凝固试样质量约 80 9 , 这些试样的质量和密度见表 1 . 与减压凝固试样对应的大气凝固试样的针孔度级别见表 1 和图 3 . 从表 1 和图 3 及图 4 可以看出 , 完整砂型减压凝固试样的密度与大气凝固试样的针孔度之间有密切的关系 . 在氢气泡不溢出试样表面的条件下 , Z 1L 04 合金液中含氢量越高 , 减压试样中的气泡越多 , 气泡的直径越大 , 试样的密度越小 . 因为凝固试样的针孔主要是由氢气的析出造成的 , 因而 Z 1L 04 合金液含氢量越高 , 大气凝固试样中的针孔愈多 , 针孔直径也越大 , 试样的针孔级别越高 . 由上所述 , 砂型减压试样密度和大气试样针孔级别是从不同侧面反映了 Z L 10 4 合金液含氢量的同一实质 , 减压试样密度越小 , 大气试样针孔级别越高 , 相反 , 减压试样密度越大 , 大气试样针孔级别越小 , 两者之间存在明显的线性关系 . 所以利用完整砂型减

Vol.19 No.5 毛卫民等：诚压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度。449· ZL104合金含氢量一定时，随铸件的 6 12 凝固条件（如壁厚等）不同，铸件中的针孔图中数字为试样骗号 10,I1 CO 度级别也会有所差别.那么，在实际生产测定中，大气凝固试样可用砂型样杯制 9 作，其尺寸大小反映某种铸件主要壁厚或 3 6,7 重要部位尺寸的特征，并预先测取1组减 94,5 压凝固试样密度和该大气凝固试样针孔级别的数据，做成经验曲线.在合金熔炼 e2,3 中，只需检测每炉合金减压凝固试样的密 0 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 度，就可预测出铸件的针孔级别，而决定 p/(g·cr) 该合金溶液的含氢量是否合适，如果含氢图4减压凝固试样密度与大气凝固试样针孔度的关系量过高，则可预先除气或再次除气，从而避免不必要的废品，提高生产效益， 2.3砂型减压凝固试样密度法的特点砂型减压凝固试样表面光滑，不粘砂，也无侵人气孔，对试样密度测试不会产生不良影响.而且砂型样杯不需预热，也不需刷涂料，简化操作工序，又可以消除因金属样杯温差和涂料厚度之差引起试样密度的误差，使砂型减压凝固试样密度与大气凝固试样针孔度级别的对应关系更加密切，所以砂型样杯可以代替预热的金属型减压凝固样杯.本试验中的密度试样采用完整的砂型减压凝固试样，取消金属型减压密度法中切样的工序及时间，缩短了测试时间，完成1个测试周期约需6~8min. 仪器中设置了1个较大的预真空室，可以在最短时间内（≤10s)使凝固室的压力降至预定数值，缩小了抽取速度不一致对试样密度的测试误差，而且可选用抽气速度较小的真空泵. 在浇铸减压凝固试样时，每次浇注的ZL104合金液的质量存在一些差别.为了衡量试样质量对其密度的影响，本试验设计了3组含氢量一样，但减压凝固试验质量有差别的试验，即 3,10,11号试样，结果表明，氢含量相同试样之间的最大重量之差为13g,但它们的密度相差不大，所以减压凝固试样的质量差别在本试验范围内基本上不会影响试样密度测试的准确程度，为了提高试样在空气和水中的质量测试精度，试样中使用了10-4g精度的天平，但从表 1和图4看，不需要这种高精度天平，改用10-2g精度的普通天平，也可以保证密度测试和对应针孔度级别的可靠性，总之，本测试方法较新颖，测试简单，速度较快，完全可以应用于ZL104合金的炉前熔炼控制，也可以推广应用于其他铝合金的熔炼控制. 3结论 (1)用完整砂型减压凝固试样的密度可以预测ZL104及其他合金铸件的针孔级别，控制熔炼质量，又可缩短测试时间. (2)用砂型样杯作减压凝固密度测试时，凝固压力为11.3kPa左右

V o l . 1 9 N o . 5 毛卫民等 : 减压试样密度法预测铝合金铸件的氢针孔度 . 4 4 9 . ù彰浮叩本 ZL 10 4 合金含氢量一定时 , 随铸件的凝固条件 (如壁厚等 ) 不同 , 铸件中的针孔度级别也会有所差别 . 那么 , 在实际生产测定中 , 大气凝固试样可用砂型样杯制作 , 其尺寸大小反映某种铸件主要壁厚或重要部位尺寸的特征 , 并预先测取 1 组减压凝固试样密度和该大气凝固试样针孔级别的数据 , 做成经验曲线 . 在合金熔炼中 , 只需检测每炉合金减压凝固试样的密度 , 就可预测出铸件的针孔级别 , 而决定该合金溶液的含氢量是否合适 . 如果含氢量过高 , 则可预先除气或再次除气 , 从而避免不必要的废品 , 提高生产效益 . ! 2 . _ 二图中数字为试样骗号、、 I U , 1 1 o L 一一一一一一一` 一上二二习 2 . 0 0 2 . 2 0 2 . 4 0 2 . 6 0 2名0 户/ ( g · e nr , ) 图4 减压凝固试样密度与大气凝固试样针孔度的关系 2 . 3 砂型减压凝固试样密度法的特点砂型减压凝固试样表面光滑 , 不粘砂 , 也无侵人气孔 , 对试样密度测试不会产生不良影响 . 而且砂型样杯不需预热 , 也不需刷涂料 , 简化操作工序 , 又可以消除因金属样杯温差和涂料厚度之差引起试样密度的误差 , 使砂型减压凝固试样密度与大气凝固试样针孔度级别的对应关系更加密切 , 所以砂型样杯可以代替预热的金属型减压凝固样杯 . 本试验中的密度试样采用完整的砂型减压凝固试样 , 取消金属型减压密度法中切样的工序及时间 , 缩短了测试时间 , 完成 1 个测试周期约需 6一 8 而 n . 仪器中设置了 1 个较大的预真空室 , 可以在最短时间内 ( 簇 10 5 )使凝固室的压力降至预定数值 , 缩小了抽取速度不一致对试样密度的测试误差 , 而且可选用抽气速度较小的真空泵 . 在浇铸减压凝固试样时 , 每次浇注的 Z 1L 04 合金液的质量存在一些差别 . 为了衡量试样质量对其密度的影响 , 本试验设计了 3 组含氢量一样 , 但减压凝固试验质量有差别的试验 , 即 3 , 10 , 1 号试样 , 结果表明 , 氢含量相同试样之间的最大重量之差为 13 9 , 但它们的密度相差不大 , 所以减压凝固试样的质量差别在本试验范围内基本上不会影响试样密度测试的准确程度 . 为了提高试样在空气和水中的质量测试精度 , 试样中使用了 10 一 4 9精度的天平 , 但从表 1 和图 4 看 , 不需要这种高精度天平 , 改用 10 一 ’ g 精度的普通天平 , 也可以保证密度测试和对应针孔度级别的可靠性 . 总之 , 本测试方法较新颖 , 测试简单 , 速度较快 , 完全可以应用于 Z LI 0 4 合金的炉前熔炼控制 , 也可以推广应用于其他铝合金的熔炼控制 . 3 结论 ( l) 用完整砂型减压凝固试样的密度可以预测 z LI 0 4 及其他合金铸件的针孔级别 , 控制熔炼质量 , 又可缩短测试时间 . (2) 用砂型样杯作减压凝固密度测试时 , 凝固压力为 1 . 3 k P a 左右

. 4 50 · 北京科技大学学报 1 9 9 7年第 5期 (3 ) 设置预真空室可使凝固室压力在最短时间内降至预定值 , 既可提高测试精度 , 又可选用较小的真空泵 . 参考文献 1 C h e n X G , E n g l e r S . B e s t i m m u n g W a s s e sr t o fs e h a et s u n d d e r P o or s i t i n lA um i n u m l e g i e unr g e n . G e s s e er i , 1 98 9 , 7 6 ( 2 2 ) : 7 6 7 一 7 7 4 2 aR n s l e y C F , T a l b o t D E J . hT e OR u it n e eD te rm i n a it o n o f hte yH dor g e n oC n te n t o f A l itm i n urn an d A lum i n um A l l o y s b y th e H o t 一 E x t’Ia c it o n M e ht od . J I n s t M e atl s , 19 5 5 一 5 6 , 84 : 4 4 5一 4 5 2 3 OR g e rs J A . T w o Ne w eT e hn iq ue s of r M o in t o ir n g ht e Qaul ity o f M e atl s i n lA tun i n um 一 lA l o y M e atl s . oF l l n d ry TJ , 19 8 1 ( 7 ) : 4 3~ 4 5 4 们五ag a r砚l an M , M a ll y a U D . E v a lua it o n o f het G a s oC n et n t o f M o let n AI ~ n u l n lA l o y s . T 仟nL s A FS , 19 8 1 , 9 8 : 4 9 5 ~ 5 0 0 5 《铸造有色合金手册》编写组 . 铸造有色合金手册 . 北京 : 机械工业出版社 , 1 9 7 8 . 5 一 58 6 T are n k l l e r F O . P m c it e al eT e 俪q ue s i n G 巧it n g lA um i n um 一 P’aIt l . oF u n dry M & T , 1 9 82 , 1 1 0 ( 4 ) : 1 7 9 一 18 4 7 S e m e sr 助 L P . 氏et e it n g yH d or g e n G a s i n lA u I1 11 n um . M ed e nr C as it n g , 19 8 3 , 7 3 ( 8 ) : 3 8 一 3 9 A P P l y i n g t h e R e d u e e d P r e s s u r e S am P l e D e n s i yt t o P r e d i e t ht e H y dr o g e n B l o w H o l e D e g r e e o f A l u m i n i u m A ll o y C a s ti n g 肠。琳 im i n l ) 及 o n g aT o 朋g l ) M a t e ir a l S e l e n c e a n d E n g i ne e ir n g S c h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C hj n a 2 ) B e ij i n g P o ly te c h in e U in v e rs i ty , B e ij ing , C ih n a A B S T R A C T hT e RP S ( s a m P l e s o l i d i fl e d u n d e r re d cu e d P re s s u re ) w as m ad e o f a s an d s am Pl e c u P w i t h w 瓦e h t h e e o n v e n ti o n a l Pre h e a te d m e at lli e s am Pl e e u P w as s u b s it tu te d . A s a re s u l t , ht e h y d r o g e n b l o w h o l e d e g er e o f a l u m i n i u m a l l o y c a s it n g e a n be P er d i e et d by ht e RP S , d e n s i yt a n d t h e q u a li yt o f ht e m e l t c a n be e o n otr ll e d · M o er o v e r a p er v ac u u m i Z e d c h am be r i s d e s i g n e d i n th e et s t a p p a ar ut s , a n d th e 、 s o li d iif c a it o n c h a m be r m a y er ac h ht e er d cu e d P er s s u er v a l u e i n th e s h o ert s t t im e 5 0 t h a t ht e m o er e x a c t et s t e a n be d o n e . hT e Por pe ir y er d u c e d P er s s u er o f s o lid iif e a it o n w i ht s a n d e u P 1 5 a b o u t 1 1 . 3 k P a . K EY W O R D S d e n s i yt , er d u e e d P er s s u er s o li d l if e a it o n , h y d r o g e n b l o w h o l e , a l u m iin um al l o y