[发明专利]表征氧化铝的方法

说明书

技术领域

本发明大体上涉及表征氧化铝的方法，更特别涉及快速测定在铝熔融和铸造过程中何时何处形成氧化铝的方法和技术。

背景技术

铝在空气（方程式（1））或水分（方程式（2和3））存在下容易氧化，在任何暴露的铝金属表面，包括液体和固体表面二者上快速形成薄的强保护氧化物膜。

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃                            (1)

3H₂O + 2Al → Al₂O₃ + 3H₂                            (2)

H₂ → 2[H]_熔体                                                   (3)

由于氧化铝在热力学上非常稳定，其通常存在于所有铝合金中。因此，任何炉料都以典型涂层的形式含有不可避免量的氧化铝，构成外来夹杂源（inclusion source）。在铸造工艺的模具装填过程中，在熔体前沿的自由表面接触空气时，且特别是在液态熔体速度产生湍流时形成氧化铝。通常区分熔炉中预先存在的氧化物（被称作“旧氧化物”）和在模具装填过程中产生的那些（被称作“新氧化物”）。Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003；Q.G. Wang、C.J. Davidson、J.R. Griffiths和 P.N. Crepeau, “Oxide Films, Pores and The Fatigue Lives of Cast Aluminum Alloys”, Metall. Mater. Trans. 第37B卷 (2006), 第887-895页。对新氧化物而言，夹带的起因已被描述为是“表面湍动”，是指例如两个或更多个流动前沿汇合在一起（双膜、流痕、折叠和冷隔）、液体表面积的收缩（氧化物表面折叠）或气泡经过液体之类的现象。

新氧化物比旧氧化物对材料性质更有害。由于在新氧化物中干面折叠到干面上的氧化物膜之间缺乏润湿，夹带的氧化物在固化过程中展开并在固化铝铸件中表现得像空隙或裂纹。这些裂纹不仅能够是孔隙形成的初始位点，还冻结成固体并会显著降低该铸件的拉伸和疲劳强度。该双膜还会造成热撕裂。夹带的氧化物被认为提高熔体粘度，并因此降低流动性和不利地影响铸件的进给。表面氧化物皮会显著提高熔体的表观表面张力并提高形成冷隔、流痕和浇铸不满的可能性。

为尽可能减少和最终消除最终铸铝产品中的氧化物，希望不仅识别氧化物类型，还识别它们的形成时间，特别是对铸造过程中的新氧化物而言。这将有助于铸工更有效地设计和优化浇注/冒口系统、过滤和装填状况。

尽管实践中非常需要表征氧化铝，但尚未报道可靠的方法或技术。

发明内容

本发明涉及表征氧化铝的方法，且更特别涉及快速测定氧化物类型和测定在铝熔融和铸造过程中何时形成氧化铝的方法和技术。

可以在它们的形态和化学组成的差异方面测定和区分两种类型的氧化物，新和旧。由于在熔融中的完全展开过程，熔融过程中液态熔体中预先存在的旧氧化物通常在一面上厚、平和干。在模具装填过程中形成的新氧化物相对薄和弯曲（褶皱）并常作为双膜存在。新氧化物几乎始终与孔隙率相关联。旧和新氧化物之间的化学组成存在明显差异。旧氧化物中的氧和镁含量比新氧化物高。氧化物中的Mg和O含量随该氧化物在含氧和Mg的环境中的暴露时间而提高。Mg含量是用于区分旧和新氧化物的更好指征，因为其更容易准确检测。

可以使用定性和定量方法二者在断裂样品的断裂表面上评测氧化物的形态，特别是平坦度（粗糙度和波纹度）。定性方法包括用立体显微镜或扫描电子显微镜（SEM）观察氧化物并将氧化物图像与通过本发明开发的数据库中的标样进行比较。定量方法涉及氧化物表面的平坦度（波纹度）和粗糙度的地形测量。当波纹度，特别是粗糙度，大于一个二次枝晶臂间距（SDAS）时，该氧化物被视为新氧化物。