金屬氧化膜對鋁合金鑄件質量的影響
“鑄造”是一種液態金屬成型工藝。 眾所周知，液態金屬在高溫下會在大氣中表面被氧化並產生氧化膜。
但長期以來，這種氧化膜對鋁合金鑄件質量的影響，基本上只考慮了熔融金屬中非金屬夾雜物的問題，沒有進一步討論。
英國伯明翰大學的J. Campbell基於多年的研究發現，折疊雙膜從宏觀和微觀兩個方面對鋁合金鑄件的質量有非常重要的影響。 坎貝爾等人。 相信對雙膜的理解是最激動人心的發現。 目前，我們暫時將坎貝爾等人獲得的初步結論和見解稱為“雙膜理論”。
液態鋁合金所涉及的氧化膜夾層後，其對鑄件質量的影響大致可分為兩個方面：
一是宏觀方面。 除了切割金屬基體降低機械性能外，還會誘發氣孔、收縮小等鑄造缺陷；
另一個是微觀方面，對鋁矽合金中的晶粒尺寸、枝晶間距以及Na、Sr的改性效果有重要影響。
1、液態金屬表面氧化膜的特性
分析氧化膜的特性，不能同時考慮其附著的金屬母液的密度和熔點。 在鋼鐵方面，以鑄鋼件的生產為例。 鋼水氧化產生的FeO，其熔點和密度遠低於鋼水，在高溫下非常活躍，基本不可能單獨存在。 FeO能與SiO2結合形成低熔點的FeO.SiO2，與鋼中的矽、錳反應生成MnO和SiO2，再結合形成MnO.SiO2。 它還可以與鋼中的碳反應生成CO，並且會有一小部分。 溶於鋼水。 如果脫氧處理不當，或出鋼後鋼水二次氧化，會使鋼中非金屬夾雜物增多，或造成鑄件表面氣孔、夾渣等缺陷。 但是，在鋼水錶面產生的氧化物熔點低於鋼水溫度，只能積累。 它們不能折疊成氧化膜夾層並懸浮在鋼水中，因此不會出現氧化膜夾層引起的問題。 .
鋁合金和鎂合金的情況完全不同。 鋁合金的簡要說明如下：鋁在液態時非常活潑，鋁液表面很容易與大氣中的氧氣反應形成Al2O3薄膜。 Al2O3的熔點遠高於液態鋁合金，而且非常穩定。 Al2O3 的密度略高於熔融鋁的密度。 因此，Al2O3薄膜容易懸浮在鋁液中，不會從鋁液中聚集分離。 當鋁合金液受到擾動時，表面的Al2O3薄膜會折疊成夾層狀並被拉入熔融金屬中，造成鋁合金許多特有的問題。
2、氧化膜夾層的形成及其危害
鋁合金液在熔煉過程中、從熔爐中倒出時、變質處理中、高風速噴射淨化時以及澆注過程中都會受到強烈的擾動。 液態金屬表面的擾動會拉動其表面的氧化膜，使其膨脹、折疊和破裂。 氧化膜斷開處暴露的干淨合金液表面會被氧化，產生新的氧化膜。 氧化膜的折疊會使面向大氣一側的干燥表面相互粘連，少量空氣會包裹在兩個乾燥表面之間，成為“氧化膜三明治”。 氧化膜夾層很容易捲入熔融金屬中，在受到擾動的熔融金屬的作用下會被擠壓成小團塊。
由於Al2O3的熔點比鋁合金液的溫度高出一千多攝氏度，而且具有高度的化學穩定性，小團簇不會熔合，不會溶解在鋁合金中。 雖然Al2O3的密度略高於鋁合金液，但包裹在空氣中的氧化膜夾層的密度與鋁合金液比較接近。 因此，除了在大型保溫爐中長期放置氧化膜夾層有下沉的可能性外，在一般鑄造生產條件下，它會更穩定地懸浮在鋁合金液中。 有懸浮氧化膜夾層的鋁合金液，再次受到擾動時，會產生更多的氧化膜夾層。 在鑄件生產過程中，合金的冶煉、出爐澆注、變質處理、淨化處理、澆注等操作都會對鋁合金液產生強烈的擾動。 鋁合金液除了保留原有的氧化膜夾層外，還會造成再次擾動，不斷添加新的氧化膜夾層。 因此，進入型腔的熔融金屬含有大量微小的氧化膜夾層。 熔融金屬充滿型腔後，處於靜止狀態，被擠壓成簇狀的氧化膜夾層會逐漸拉伸成小塊。 熔融金屬冷卻到液相線以下後，枝晶的形核和生長也是促進被擠壓成團塊的氧化膜夾層拉伸的因素。
鑄件凝固後，大量的小片狀氧化膜夾層本身就是小裂紋，起到切割金屬基體的作用。 當然，合金的力學性能會降低，但更有害的是誘發氣孔和小縮孔。 隨著液態金屬的溫度逐漸降低，氫氣在熔融金屬中的溶解度不斷降低，但氫氣很難以氣孔的形式從液態金屬中析出。 當在均相液相中產生另一種新相（氣相）時，它總是先由少數原子或分子聚集而成，體積很小。 這種微小的新相具有非常大的比表面積（即單位體積的表面積）。 為了產生一個新的界面，需要在它上面做一些工作。 這是新相的界面能，即其表面積和表面張力。 的產物。 在鋁合金液的冷卻過程中獲得如此大量的能量實際上是不可能的。 即便是新相的核心產生了，也需要大量的能量才能長大，只有當新相的大小超過某個臨界值時，才有可能長大。 尺寸小於臨界值的新相的核心無法長大，只會自行消失。 理論上，氣相很難在液相中成核和長大。 實際上。 如果沒有其他誘發因素，在氫含量基本正常的情況下，均勻的鋁合金不可能因為析出氫而產生氣孔。
當熔融金屬中含有大量懸浮氧化膜夾層時，情況就大不相同了。 大部分氧化膜夾層被少量空氣覆蓋。 當金屬液溫度降低，氫在其中的溶解度降低時，氧化膜夾層中的小氣泡對氫氣是真空的，溶解在金屬液中的氫會向氣泡移動。 介質擴散非常方便。 氫氣擴散到小氣泡中，使氧化膜夾層膨脹，並在鑄件中產生氣孔。 如果鋁合金液淨化處理好，金屬液中的氫含量很低，鑄件中就會出現很少的氣孔。 但是，如果金屬熔液中沒有氧化膜夾層，即使金屬熔液中的氫含量很高，在凝固過程中氫也只能以過飽和狀態溶解在合金中，不可能產生氣孔。 如果鑄件的補料條件不好，在凝固和收縮過程中就會出現縮孔。 由於氧化膜的夾層是中空的，很容易拉開，而且氧化膜的夾層多形成了縮孔。 在這種情況下，溶解在熔融金屬中的氫也會擴散到其中，導致氣孔擴大。
綜上所述，可以認為對於鋁合金鑄件來說，氧化膜夾層是造成材料力學性能惡化和鑄件針孔、氣孔缺陷的主要原因。 為了提高材料的力學性能和增加鑄件的緻密度，採取措施消除氧化膜夾層比加強脫氣淨化操作更重要。
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