アルミニウム合金鋳物の品質に及ぼす金属酸化膜の影響

公開時間： 03 / 28 2021 著者：サイト編集者訪問：13027

鋳造」は液体金属成形プロセスです。

「鋳造」は液体金属成形プロセスです。高温の液体金属が大気中の表面で酸化され、酸化膜が生成されることはよく知られています。

しかし、長い間、この酸化膜がアルミニウム合金鋳物の品質に与える影響は、基本的に溶融金属中の非金属介在物の問題のみを考慮しており、これ以上の議論は行われていません。

英国バーミンガム大学のJ.Campbellは、長年の研究に基づいて、折りたたまれたバイフィルムがマクロおよびミクロの観点からアルミニウム合金鋳物の品質に非常に重要な影響を与えることを発見しました。キャンベル等。バイフィルムの理解が最もエキサイティングな発見であると信じています。現在、キャンベルらによって得られた予備的な結論と洞察を一時的に「バイフィルム理論」と呼んでいます。

液体アルミニウム合金に含まれる酸化膜の中間層の後、鋳造の品質への影響は大きくXNUMXつの側面に分けることができます。

XNUMXつは巨視的な側面です。金属マトリックスを切断して機械的特性を低下させるだけでなく、多孔性や小さな収縮などの鋳造欠陥も引き起こします。

もうXNUMXつは微視的側面であり、これは結晶粒径、デンドライト間の距離、およびアルミニウム-シリコン合金のNaとSrの改質効果に重要な影響を及ぼします。

1.液体金属表面の酸化膜の特性

酸化膜の特性を分析することは、それが付着している金属母液の密度と融点を同時に考慮することはできません。鋼と鉄に関しては、例として鋳鋼の生産を取り上げます。溶鋼の酸化により生成されるFeOは、融点と密度が溶鋼よりもはるかに低く、高温で非常に活性が高く、基本的に単独で存在することは不可能です。 FeOはSiO2と結合して低融点FeO.SiO2を形成し、これは鋼中のシリコンとマンガンと反応してMnOとSiO2を形成し、次に結合してMnO.SiO2を形成します。また、鋼中の炭素と反応してCOを形成する可能性があり、その一部が存在します。溶鋼に溶解。脱酸処理が不適切な場合、または溶鋼がタッピング後にXNUMX回酸化されると、鋼内の非金属介在物の数が増加したり、鋳物の表面に細孔やスラグ介在物などの欠陥が発生したりします。しかし、溶鋼の表面に生成された酸化物は、融点が溶鋼の温度よりも低く、蓄積することしかできません。酸化膜中間層に折りたたんで溶鋼に懸濁することはできないため、酸化膜中間層による問題はありません。。

アルミニウム合金とマグネシウム合金の状況は完全に異なります。アルミニウム合金の簡単な説明は次のとおりです。アルミニウムは液体状態で非常に活性が高く、溶融アルミニウムの表面は大気中の酸素と容易に反応してAl2O3膜を形成します。 Al2O3の融点は液体アルミニウム合金の融点よりもはるかに高く、非常に安定しています。 Al2O3の密度は、溶融アルミニウムの密度よりもわずかに高くなっています。したがって、Al2O3膜はアルミニウム液に懸濁しやすく、凝集してアルミニウム液から分離することはありません。アルミニウム合金の液体が乱されると、表面のAl2O3膜がサンドイッチ状に折りたたまれて溶融金属に引き込まれ、アルミニウム合金に特有の多くの問題が発生します。

2.酸化膜中間層の形成とその有害な影響

アルミニウム合金の液体は、製錬プロセス中、溶解炉から注ぐとき、変成処理中、高速で噴霧および精製するとき、および注ぐプロセス中に強く乱されます。液体金属の表面が乱れると、その表面の酸化膜が引っ張られ、膨張、折り畳み、破壊が発生します。酸化皮膜の切断時に露出した清浄な合金液面が酸化され、新しい酸化皮膜が生成されます。酸化膜を折りたたむと、大気に面する側の乾燥面が互いに付着し、XNUMXつの乾燥面の間に少量の空気が巻き付いて「酸化膜サンドイッチ」になります。酸化膜中間層は溶融金属に容易に関与し、乱された溶融金属の作用下で小さな塊に圧搾されます。

Al2O3の融点はアルミニウム合金液の温度よりも2℃以上高く、化学安定性が高いため、小さなクラスターは融合せず、アルミニウム合金に溶解しません。 Al3OXNUMXの密度はアルミニウム合金液の密度よりわずかに高いですが、空気に包まれた酸化膜中間層の密度はアルミニウム合金液の密度に比較的近いです。したがって、大型の保持炉での長期間の放置中に酸化膜中間層が沈む可能性に加えて、それは一般的な鋳造製造条件下でアルミニウム合金液中により安定して懸濁されるであろう。酸化膜中間層が浮遊しているアルミニウム合金液は、再び乱されると、より多くの酸化膜中間層を生成します。鋳物の製造工程では、合金の製錬、炉からの注入、改質処理、精製処理、注入などの操作により、アルミニウム合金液に強い乱れが生じます。元の酸化膜中間層を保持することに加えて、アルミニウム合金液はまたそれを引き起こし、新しい酸化膜中間層が継続的に追加されます。したがって、キャビティに入る溶融金属には、多数の小さな酸化膜中間層が含まれています。溶融金属が空洞を満たした後、それは静的な状態にあり、クラスターに押し込まれた酸化膜の中間層は徐々に小さな断片に伸びます。溶融金属が液相線より下に冷却された後、デンドライトの核形成と成長も、凝集体に圧搾される酸化膜中間層の伸長を促進する要因です。

鋳造物が固化した後、多数の小さな薄片状の酸化膜中間層はそれ自体が小さな亀裂であり、金属マトリックスを切断する役割を果たす。もちろん、合金の機械的特性は低下しますが、より有害なのは、細孔や小さな収縮穴の誘導です。液体金属の温度が徐々に低下するにつれて、溶融金属への水素の溶解度は低下し続けますが、水素が細孔の形で液体金属から沈殿することは非常に困難です。別の新しい相（気相）が均一な液相で生成される場合、それは常に最初にいくつかの原子または分子の凝集によって形成され、その体積は小さいです。この小さな新しい相は、非常に大きな比表面積（つまり、単位体積あたりの表面積）を持っています。新しいインターフェースを作成するには、そのインターフェースで作業を行う必要があります。これは、新しい相の界面エネルギー、つまりその表面積と表面張力です。の製品。アルミニウム合金液の冷却過程でこのような大量のエネルギーを得るのは事実上不可能です。新しい相のコアが生成されたとしても、それは成長するために多くのエネルギーを必要とし、新しい相のサイズが特定の臨界値を超えた場合にのみ成長することが可能です。臨界値よりも小さいサイズの新しいフェーズのコアは成長できず、自然に消えるだけです。理論的には、気相が核形成して液相で成長することは非常に困難です。実際。他に誘発要因がない場合、水素含有量が基本的に正常な状態では、水素の析出により均質なアルミニウム合金に細孔を形成することは不可能です。

溶融金属に懸濁酸化膜中間層が多く含まれている場合は、状況が大きく異なります。酸化膜中間層の大部分は少量の空気で覆われています。溶融金属の温度が低下し、水素の溶解度が低下すると、酸化膜中間層の小さな気泡は水素に対して真空になり、溶融金属に溶解した水素は気泡に向かって移動します。中程度の拡散は非常に便利です。水素は小さな気泡に拡散し、酸化膜の中間層を膨張させ、鋳造物に細孔を形成します。アルミニウム合金液の精製処理が良好で、溶融金属の水素含有量が非常に少ない場合、鋳造物の細孔はほとんどありません。しかし、溶融金属に酸化膜中間層がない場合、溶融金属の水素含有量が高くても、凝固時に過飽和状態でしか合金に水素が溶解できず、細孔を形成することができない。鋳物の供給状態が良くないと、凝固・収縮の過程で収縮キャビティが発生します。酸化膜の中間層は中空であるため、引き離しやすく、酸化膜の中間層に収縮空洞が形成されることが多い。この場合、溶融金属に溶解した水素も拡散し、細孔が膨張します。

要約すると、アルミニウム合金鋳物の場合、酸化膜中間層が、材料の機械的特性の劣化、および鋳物のピンホールおよび細孔欠陥の主な理由であると考えることができます。材料の機械的特性を改善し、鋳造物の密度を高めるためには、デガッシングおよび精製操作を強化するよりも、酸化膜中間層を除去するための対策を講じることが重要です。

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