Einfluss des Metalloxidfilms auf die Qualität von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen

„Casting“ ist ein Verfahren zur Umformung flüssiger Metalle. Es ist bekannt, dass flüssiges Metall bei hoher Temperatur an der Oberfläche in der Atmosphäre oxidiert und einen Oxidfilm erzeugt.

Allerdings wurde der Einfluss dieses Oxidfilms auf die Qualität von Aluminiumlegierungsgussteilen lange Zeit im Wesentlichen nur auf das Problem nichtmetallischer Einschlüsse in der Metallschmelze eingegangen und nicht weiter erörtert.

J. Campbell von der University of Birmingham, Großbritannien, hat auf der Grundlage jahrelanger Forschung herausgefunden, dass gefaltete Doppelfilme einen sehr wichtigen Einfluss auf die Qualität von Aluminiumlegierungsgussteilen aus makro- und mikrotechnischer Sicht haben. Campbell et al. Ich glaube, dass das Verständnis von Bi-Filmen die aufregendste Entdeckung ist. Gegenwärtig bezeichnen wir die vorläufigen Schlussfolgerungen und Erkenntnisse von Campbell und anderen vorübergehend als „Bi-Film-Theorie“.

 Nach der Zwischenschicht des in der flüssigen Aluminiumlegierung beteiligten Oxidfilms lässt sich dessen Einfluss auf die Qualität des Gusses grob in zwei Aspekte unterteilen:

Einer davon ist der makroskopische Aspekt. Zusätzlich zum Schneiden der Metallmatrix zur Verringerung der mechanischen Eigenschaften führt es auch zu Gussfehlern wie Porosität und geringer Schrumpfung;

Der andere ist der mikroskopische Aspekt, der einen wichtigen Einfluss auf die Korngröße, den Abstand zwischen Dendriten und den Modifikationseffekt von Na und Sr in der Aluminium-Silizium-Legierung hat.

1. Die Eigenschaften des Oxidfilms auf der Oberfläche von flüssigem Metall

Bei der Analyse der Eigenschaften des Oxidfilms können die Dichte und der Schmelzpunkt der Metallmutterflüssigkeit, auf der er haftet, nicht gleichzeitig berücksichtigt werden. Nehmen wir als Beispiel für Stahl und Eisen die Herstellung von Stahlgussteilen. Das durch die Oxidation von geschmolzenem Stahl erzeugte FeO hat einen Schmelzpunkt und eine viel niedrigere Dichte als geschmolzener Stahl, ist bei hohen Temperaturen sehr aktiv und kann im Grunde nicht alleine existieren. FeO kann sich mit SiO2 zu FeO.SiO2 mit niedrigem Schmelzpunkt verbinden, das mit Silizium und Mangan im Stahl zu MnO und SiO2 reagieren und sich dann zu MnO.SiO2 verbinden kann. Es kann auch mit Kohlenstoff im Stahl zu CO reagieren, und zwar in einem kleinen Teil davon. In geschmolzenem Stahl gelöst. Wenn die Desoxidationsbehandlung nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird oder der geschmolzene Stahl nach dem Abstich zweimal oxidiert wird, erhöht sich die Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse im Stahl oder es entstehen Defekte wie Poren oder Schlackeneinschlüsse auf der Oberfläche des Gussstücks. Allerdings haben die auf der Oberfläche der Stahlschmelze erzeugten Oxide Schmelzpunkte, die unter der Temperatur der Stahlschmelze liegen, und können sich nur ansammeln. Sie können nicht zu einer Oxidfilm-Zwischenschicht gefaltet und in der Stahlschmelze suspendiert werden, sodass durch die Oxidfilm-Zwischenschicht keine Probleme auftreten. .

Ganz anders ist die Situation bei Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen. Eine kurze Beschreibung von Aluminiumlegierungen lautet wie folgt: Aluminium ist im flüssigen Zustand sehr aktiv und die Oberfläche von geschmolzenem Aluminium kann leicht mit Sauerstoff in der Atmosphäre reagieren und Al2O3-Filme bilden. Der Schmelzpunkt von Al2O3 ist viel höher als der einer flüssigen Aluminiumlegierung und es ist sehr stabil. Die Dichte von Al2O3 ist etwas höher als die von geschmolzenem Aluminium. Daher lässt sich der Al2O3-Film leicht in der Aluminiumflüssigkeit suspendieren und aggregiert nicht und trennt sich nicht von der Aluminiumflüssigkeit. Wenn die Flüssigkeit der Aluminiumlegierung gestört wird, faltet sich der Al2O3-Film auf der Oberfläche zu einem Sandwich und wird in das geschmolzene Metall gezogen, was viele einzigartige Probleme der Aluminiumlegierung verursacht.

2. Die Bildung einer Oxidfilm-Zwischenschicht und ihre schädlichen Auswirkungen

Die flüssige Aluminiumlegierung wird während des Schmelzprozesses, beim Ausgießen aus dem Schmelzofen, während der metamorphen Behandlung, beim Sprühen und Reinigen bei hoher Luftgeschwindigkeit und während des Gießvorgangs stark gestört. Durch die Störung der Oberfläche des flüssigen Metalls wird der Oxidfilm auf seiner Oberfläche angezogen, wodurch er sich ausdehnt, faltet und bricht. Die saubere Oberfläche der Legierungsflüssigkeit, die bei der Trennung des Oxidfilms freigelegt wird, wird oxidiert, um einen neuen Oxidfilm zu erzeugen. Durch die Faltung des Oxidfilms haften die trockenen Oberflächen auf der der Atmosphäre zugewandten Seite aneinander und eine kleine Menge Luft wird zwischen den beiden trockenen Oberflächen eingewickelt, so dass ein „Oxidfilm-Sandwich“ entsteht. Die Oxidfilm-Zwischenschicht wird leicht in das geschmolzene Metall eingebunden und wird unter der Wirkung des gestörten geschmolzenen Metalls in kleine Klumpen gequetscht.

Da der Schmelzpunkt von Al2O3 mehr als tausend Grad Celsius höher ist als die Temperatur der Aluminiumlegierungsflüssigkeit und es über ein hohes Maß an chemischer Stabilität verfügt, verschmelzen die kleinen Cluster nicht und lösen sich nicht in der Aluminiumlegierung auf. Obwohl die Dichte von Al2O3 etwas höher ist als die einer Aluminiumlegierungsflüssigkeit, liegt die Dichte der in Luft eingewickelten Oxidfilm-Zwischenschicht relativ nahe an der einer Aluminiumlegierungsflüssigkeit. Zusätzlich zur Möglichkeit des Absinkens der Oxidfilm-Zwischenschicht während der Langzeitlagerung in einem großen Warmhalteofen wird sie daher unter allgemeinen Gussproduktionsbedingungen stabiler in der Aluminiumlegierungsflüssigkeit suspendiert. Die Aluminiumlegierungsflüssigkeit mit suspendierten Oxidfilm-Zwischenschichten erzeugt bei erneuter Störung weitere Oxidfilm-Zwischenschichten. Während des Produktionsprozesses von Gussteilen führen das Schmelzen der Legierung, das Gießen aus dem Ofen, die Modifizierungsbehandlung, die Reinigungsbehandlung, das Gießen und andere Vorgänge zu starken Störungen in der Flüssigkeit der Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierungsflüssigkeit behält nicht nur die ursprüngliche Oxidfilm-Zwischenschicht bei, sondern führt auch dazu, dass sie erneut gestört wird und kontinuierlich neue Oxidfilm-Zwischenschichten hinzugefügt werden. Daher enthält das geschmolzene Metall, das in den Hohlraum gelangt, eine große Anzahl winziger Oxidfilm-Zwischenschichten. Nachdem das geschmolzene Metall den Hohlraum gefüllt hat, befindet es sich in einem statischen Zustand und die Zwischenschicht des Oxidfilms, der zu einem Cluster zusammengedrückt wird, dehnt sich allmählich zu einem kleinen Stück aus. Nachdem das geschmolzene Metall unter die Liquiduslinie abgekühlt ist, sind die Keimbildung und das Wachstum von Dendriten ebenfalls Faktoren, die die Dehnung der Oxidfilm-Zwischenschicht fördern, die zu Agglomeraten zusammengedrückt wird.

Nach dem Erstarren des Gussstücks bilden sich zahlreiche kleine schuppige Oxidfilm-Zwischenschichten, die selbst kleine Risse bilden und die Rolle des Schneidens der Metallmatrix spielen. Natürlich werden die mechanischen Eigenschaften der Legierung reduziert, aber umso schädlicher ist die Entstehung von Poren und kleinen Lunkerlöchern. Wenn die Temperatur des flüssigen Metalls allmählich sinkt, nimmt die Löslichkeit von Wasserstoff in der Metallschmelze weiter ab, es ist jedoch sehr schwierig, dass Wasserstoff aus dem flüssigen Metall in Form von Poren ausfällt. Wenn in einer homogenen flüssigen Phase eine weitere neue Phase (Gasphase) entsteht, entsteht diese immer zuerst durch die Aggregation einiger weniger Atome oder Moleküle und ihr Volumen ist klein. Diese winzige neue Phase hat eine sehr große spezifische Oberfläche (d. h. die Oberfläche pro Volumeneinheit). Um eine neue Schnittstelle zu erstellen, muss daran gearbeitet werden. Dies ist die Grenzflächenenergie der neuen Phase, also ihre Oberfläche und Oberflächenspannung. Das Produkt von. Es ist praktisch unmöglich, während des Abkühlprozesses einer Aluminiumlegierungsflüssigkeit eine so große Energiemenge zu gewinnen. Selbst wenn der Kern der neuen Phase produziert wird, benötigt er viel Energie, um heranzuwachsen, und ein Heranwachsen ist erst möglich, wenn die Größe der neuen Phase einen bestimmten kritischen Wert überschreitet. Der Kern der neuen Phase mit einer Größe kleiner als der kritische Wert kann nicht wachsen und verschwindet nur von selbst. Theoretisch ist es für die Gasphase sehr schwierig, Keime zu bilden und in der flüssigen Phase aufzuwachsen. Eigentlich. Wenn keine anderen induzierenden Faktoren vorliegen, ist es unter der Voraussetzung, dass der Wasserstoffgehalt grundsätzlich normal ist, aufgrund der Ausfällung von Wasserstoff nicht möglich, Poren in einer homogenen Aluminiumlegierung zu erzeugen.

Wenn das geschmolzene Metall eine große Menge suspendierter Oxidfilm-Zwischenschichten enthält, ist die Situation ganz anders. Der größte Teil der Oxidfilm-Zwischenschicht ist mit einer kleinen Menge Luft bedeckt. Wenn die Temperatur des geschmolzenen Metalls sinkt und die Löslichkeit des Wasserstoffs darin abnimmt, bilden die kleinen Luftblasen in der Zwischenschicht des Oxidfilms ein Vakuum für Wasserstoff, und der im geschmolzenen Metall gelöste Wasserstoff bewegt sich in Richtung der Luftblasen. Die mittlere Diffusion ist sehr praktisch. Der Wasserstoff diffundiert in die kleinen Luftbläschen, wodurch sich die Zwischenschicht des Oxidfilms ausdehnt und Poren im Gussstück entstehen. Wenn die Reinigungsbehandlung der Aluminiumlegierungsflüssigkeit gut ist und der Wasserstoffgehalt in der Metallschmelze sehr niedrig ist, gibt es wenige Poren im Gussstück. Wenn jedoch in der Metallschmelze keine Oxidfilm-Zwischenschicht vorhanden ist, kann der Wasserstoff während der Erstarrung selbst bei hohem Wasserstoffgehalt in der Metallschmelze nur in einem übersättigten Zustand in der Legierung gelöst werden, und es ist unmöglich, Poren zu erzeugen. Wenn der Zuführzustand des Gussstücks nicht gut ist, kommt es beim Erstarren und Schrumpfen zu Lunkern. Da die Zwischenschicht des Oxidfilms hohl ist, lässt sie sich leicht auseinanderziehen, und an der Zwischenschicht des Oxidfilms bilden sich meist Schrumpfungshohlräume. In diesem Fall diffundiert auch der in der Metallschmelze gelöste Wasserstoff in diese hinein, wodurch sich die Poren erweitern.

Zusammenfassend kann davon ausgegangen werden, dass bei Gussteilen aus Aluminiumlegierungen die Oxidfilm-Zwischenschicht der Hauptgrund für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials sowie für die Loch- und Porendefekte des Gussteils ist. Um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern und die Dichte des Gussstücks zu erhöhen, ist es wichtiger, Maßnahmen zur Beseitigung der Oxidfilm-Zwischenschicht zu ergreifen, als den Entgasungs- und Reinigungsvorgang zu verstärken.

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