很遗憾地说,对于所有形成表面膜的合金,认为浇注过程中卷入表面膜只是偶然发生的想法仅是一种期望而已。这是一个降低铸件质量和可靠性的基本现象,并且由于这此缺陷的遗传性,它们会保存下来,以缺陷的形式留在锻造金属中。令人感到惊讶的是,如此简单的机制,竟然长期逃过了成千上万工人、研究人员及老师的注意,直到21世纪才得以发现。
无论如何,现在我们己经清楚:在铸造产品中,卷入膜有可能成为最具破坏性的缺陷之一。因此,应当弄清楚膜的形成过程以及进入铸件对铸件性能造成损害的方式,这些都是极其重要的问题,将在下文中予以阐述。
值得反复强调的是,当表面膜一直停留在金属液表面上时,它是无害的。事实上,对与空气接触的液态铝来说,表面氧化膜起着重要的保护作用,它防止金属液发生进一步的氧化。与液态镁相比,液态铝的表面氧化膜有明显保护作用,镁表面的氧化膜不起保护作用。液态镁需要采取特殊的保护措施,否则液态镁就会剧烈燃烧,直到全部液态镁转变成
氧化物。同时,液态镁燃烧产生的大量热先后将坩埚底和熔炼炉的底部熔穿,并且继续向下穿过混凝土地面,从混凝土中吸收氧气来维持氧化过程,直到液态镁全部耗尽为止。这就是燃烧弹的原理,此氧化反应的能量非常高!
由于每个金属原子都会与周围气体中新接触到的原子或分子结合,所以金属液表面上长大的固体薄膜呈现出原子间紧密排列的状况。因此,氧化铝薄膜上的表面原子与金属液接触非常好,并且可以认为金属液能很好地润湿氧化铝薄膜(需要说明的是本例中所用的“润湿”这个概念。此润湿仅指原子之间完好的接触,当氧化膜以这种方式长大时,这种接触将自发完成。这个概念与氧化铝基体上放置液滴时所用到的“润湿”概念不同。液滴覆盖氧化铝基体的地方也存在着完好的原子接触,但在液滴边缘,液滴与氧化铝基体之间将会形成一个很大的接触角,实际上,这说明了液滴与基体的接触并不理想。从理论上来讲,生成液/固界面会提高系统总的能量,可认为这种情况润湿不良)。仅当表面膜卷入口浸入金属液内部时,才会产生表面膜的卷入问题。
需要强调的是,浸入金属液内部的氧化膜最初与金属液接触那个面,仍然与金属液润湿良好,也就是说,该面仍与金属液保持着完好的原子接触。正因为如此,该面具有很好的黏附力,不利于体积缺陷,如裂纹、气泡、缩孔在此处形核。当金属凝固时,金属/氧化物黏结处继续保持牢固的黏结,就如同所有固态铝产品表面的氧化层,特别是阳极电解铝的情况,都属于这样的例子。
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