2024年4月11日发(作者：郑念云)
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铸 造
Ｓｅｐ．２００６
・
９３０・ ＦＯＵＮＤＲＹ
ＶｏＩ．５５ Ｎｏ．９
Ａ２０１铝合金针孔形成机制的探讨
郭永圣
（建国科技大学机械工程系，台湾彰化）
摘要：本研究的目的为藉由完整的试验，找出铝合金中针孔与铝合金凝固期间热参数之间的关系，进而于铸造实际处
理时，可为铸造方案设计及金属凝固提供参考。Ａ２０１￣合金有１２７℃的凝固范围，适合作为研究对象；经由有系统的
改变冒口大小，及平板铸件的长度及厚度，并浇注于两种不同的砂型中，通过变化铝合金凝固时的各种热参数，例如：
局部凝固时间、冷却速率、液相前进速度及热梯度等，经计算针孔量，可得出热参数与针孔量间的关系。试验结果显
示，Ａ２０１铝合金的针孔量减少与补充参数值Ｇ／ ｍ增大有一定的关系。
关键词：针孑Ｌ量；Ａ２０１铝合金；热参数；热梯度
中图分类号：ＴＧ１４６．２ ｌ 文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４９７７（２００６）０９—０９３０—０３
Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎ ｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ Ｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｉ ｎ
Ａ２０１ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ ’
ＫＵＯ Ｙｅｏｎｇ－ｓａｎｔ
ＩＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｅｎＫｕｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｈｕａ，Ｔａｉｗａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｔｏ ｗｉｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｔｏ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ａ２０１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ
ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｂｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ，ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｕｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｇ／ ０，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．
Ｋｅｙ ｗａｒｄ：ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ；Ａ２０１ ＡＩ ａｌｌｏｙ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ；ｓｏｌｉｄｕｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
铝合金铸件的针孑Ｌ，其来源与铝合金中残存的氢
受的说法［３］。由于铝合金凝固模式为糊状凝固型，因此
气量有关，铝合金的糊状凝固形态，亦极易令铸件在 其产生微孑Ｌ隙的主要时机，应属于凝固末期，而在此凝
凝固时产生缩松［１］。
固过程中，各项热参数与针孑Ｌ的产生有直接的关系。
Ｅｓｔｗｉｓｔｌｄ２￣等人曾明确指出针孑Ｌ形成的物理条件为 以往的研究中，已可见到针孑Ｌ量与冷却速率＆州、
—
Ｐａ＞Ｐ日 ｌ＋Ｐｈ一
局部凝固时间ｔ￣２，５－ 、热梯度Ｇ ， 、固相前进速度Ｖ［ ０９
式中： 为熔化时在铝合金中氢气造成的平衡压力；Ｐａ 以及铸件几何形状…］有关。本研究做了系统性、完整
为凝固收缩补充不足所引起的负压；Ｐ帅为大气压力；
的试验，将所得数据予以归纳，并从中建构铝合金中
Ｐｈ为液态金属静压力；Ｐｓ为微孑Ｌ隙克服表面张力成核所
针孑Ｌ形成的机构，以改进铸造工艺。
需的压力。
Ａ２０１铝合金具有１２４￣１２７℃的宽凝固范围，导致其
上式的意义为：铸件中针孑Ｌ形成时，会受到大气 铸造性不如铝硅系列合金优良，铸件更容易出现微孑Ｌ
压力及金属静压两种力，在金属凝固收缩时，因有局
隙，适合作为研究主体。在本研究中使用不同尺寸的柱
部的真空而产生一负压（ ，同时由金属中逸出的氢
状冒口，并且变化平板铸件的厚度及长度，浇注含
气，会产生气体的平衡压力，对尚未凝固的部分，形 １．Ｏ０％Ａｇ的Ａ２０１铝合金，获取不同的数据，以利分析。
成气泡时则有一表面张力待克服。由前述方程式来探
讨，当两边形成一个压力差△Ｐ日寸，微孔隙就会产生。
１ 试验方法 ・
对从事铸造工程研究者而言，欲获得一完美的铸
１．１砂型制作
件，则在于如何控制金属液在铸型内的流动与凝固，其
试验中所使用的平板铸件及浇冒口设计如图１所
中流动属于流力及流路系统设计的范畴，凝固则与金属
示，冒口内置热电偶，铸件部分自冒口端，每隔２．５
液的补充有关。在金属液补充过程中，液体补充、质量
ｃｍ亦置热电偶１支，以测量相关热参数。试验中冒口
补充、树枝状晶间补充、破裂补充及固体补充是可被接
直径（Ｒ）有６种尺寸，冒口的高度为直径的１．５倍，平
收稿日期：２００６－０３－２２收到初稿，２００６－０５—２６收到修订稿。
作者简介：郭永圣（１９５２一），男，江苏高邮人，博士，副教授，主要从事有色金属研究。电话：＋８８６—９１２—８１８８６６，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｓｋｕｏ＠ｃｔｕ．ｅｄｕ．ｔｗ
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铸造 郭永圣：Ａ２０１铝合金针孔形成机制的探讨 ・９３１・
板铸件的宽度保持在１４ ｃｍ，厚度（丁）有两种尺寸，
长度（Ｌ）有３种尺寸。冒口及平板的尺寸组合如表１所
示。冷铁的材质为低碳钢。造型以ｃＯ 造型法制作，以
冷却速度不同的硅砂（Ａ类型）及铬铁矿砂（Ｃ类型）
制作砂型。制造完成的砂型在浇注前均经过８ ｈ以上、
验误差，测得的质量经式（１）换算成密度。
密度 而 （１）
式中： 为空气中试片的重量； 为酒精中试片的重
量；Ｄｍ为无水酒精的体积重量，针孔量的计算则由式
（２）计算得到；
Ｐ＝（Ｄｓ—Ｄ／Ｄ￣）ｘｌ００％ （２）
１５０℃的烘型处理后浇注，以降低型中的水分。
宴
式中：Ｐ为针孑Ｌ量，％；Ｄ 标准密度；Ｄ为试片密度。
图１试验设计方案图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ
表１冒口及平板铸件之尺寸
Ｔａｂｌｅ １ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ ｒｉｓｅｒｓ
项目 结果
平板厚度 １ ｃｍ ２ ｃｍ
平板长度／ｃｍ １０ ２０ ３０ １０ ２０ ３０
冒口直径／ｃｍ Ｘ Ｘ
２ Ｘ Ｘ Ｘ
３ Ｘ Ｘ Ｘ
４ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ
６ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ
８ Ｘ Ｘ Ｘ
１１ Ｘ Ｘ
注：ｘ代表制作铸件。
１．２密度试片制作
制作密度试片，主要目的为测量其中针孔
（Ｐｏｒｏｓｉｔｙ）的数量，密度试片切取的位置如图２所示，
由冒口至冷端，配合热电偶位置，每２５ ｍｍ切取一小
块，以阿基米得法（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ’Ｍｅｔｈｏｄ）测试密度。
密度的测试，使用小数点以下４位之电动天平，量测试
片在空气中及液体中的质量，本试验中的液体系采用
高纯度的无水酒精，以期减少试片表面张力造成的试
＇
图２密度试片取样示意图
Ｆｉｇ．２ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐｉｅｃｅ ｆｏｒ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｔｅｓｔ
２结果与讨论
２。１ 冷却曲线
经过热电偶纪录的硅砂砂型（Ａ类型）的冷却曲
线如图３所示，图中４．１．２０代表浇注冒口为４０ ＨｌＩＩ１、厚
度１０ ｍｍ，长度为２００ ｍｍ的平板铸件。右上端的符号，
代表铸件中距冒口不同位置热电偶，所测得的冷却曲
线。相关的热参数均由类似图３的冷却曲线计算获得。
７００
６５０
６００
乏
看５５０
５２３
５００
４—１—２０
Ａ类铸型
１．００％Ａｇ
Ｏ●△口 ●
时问／ｍｉｎ
冒
ｒ＿５ ５ ５ ５
＂
图３ ４—
盯
１．２Ｏ平板铸件冷却曲线
▲ｏ◆，
Ｆｉｇ－３ Ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ４—１—２０ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ
５ ５
＂
５
盯
５
２。２针孔成核机构
在铝合金凝固的最后阶段，可考虑金属补充及针
孔形成是同时进行的过程。在金属补充阶段时，应属
于树枝间状补充，其与金属液穿过陶瓷滤网多孔状物
质的行为相似，将此考虑为毛细管间的金属液体流动
现象，则根据Ｄａｒｃｙ’Ｓ定律ｌｌ２＿”】的研究可得：
Ｏ－－ ： ２ ｒ 、
、 １１・Ｌ 、
式中：Ｑ为液体流速；Ａ为毛细管面积；ｄ助毛细管两
．
端压力差（△Ｐ）；Ｌ为毛细管长度；／１为黏滞系数；Ｋ为
渗透性。
式中的液流速应与金属凝固时的固相前进速度
（ ）有关，则 Ｃ ，Ｃ为一常数；毛细管的面积可
由枝晶臂间距的平方（ＤＡＳ） 代表，在Ｋｕｏ［ｔ４］的研究中，
可见到ＤＡｓ与凝固时间的关系为：ＤＡＳ＝Ｉ．８４／０ ； 而
热梯度：Ｇ＝ＡＴ／ＡＸ，Ａ丁为毛细管两端的温度差；ＡＸ
可为毛细管的长度Ｌ；ｎ及Ｋ均为常数。将相关数据代
入方程式（３）可得到
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器 （４）
式中：Ｇ为常数。
针孔成核后，如有足够的时间，则应考虑其成长；
由物理现象而言，可假设针孑Ｌ为球形，对以半径为ｒ的
球来说，其体积的成长由式（５）积分得到。
Ｊ
ｄＶ＝４，ｒｒｌｆｄｒ （５）
当体积成长时，球的半径亦会随时间而长大，因
此，半径与时间应有式（６）关系：
ｒ＝Ｂ１ （６）
Ｂ 及ｍ均为常数，将式（６）代人式（５）并积分：
Ｖ ｓ ｆ｝，（℃・ｃｍ
。
。’）
，
．
『（１ 』 ｄｒ
图５铬砂型Ａ２０ １铝合金针孔量与补缩参数关系图
可得到 ＡＶ＝Ｂ２￣ｍ （７）
Ｆｉｇ．５ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｆｅｅｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ
Ａ２０ １ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｉｎ ｃｈｒｏｍｉｔｅ ｓａｎｄ ｍｏｌｄｓ
式中： 为一常数，此式表示微孔隙的体积生长与凝
固时间成 的比例关系。同时再考虑针孔成核及成长
参考文献：
时，合并式（４）及式（７），可得一个理论补充参数：
［１］ＡＦＳ．Ｂａｓｉｃ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｇａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｒｉｓｅｒｉｎｇ［Ｍ］ｌ Ｄｅｓ Ｐｌａｉｎｅｓ ｌＬ，
叼＝＝＝ ＡＧ （８）
ＡＦＳ，１ ９７３，ｃｈ．６．６２４—６２９．
‘
［２］ ＥＮＴＷＩＳＥＴＪＥ Ｒ Ａ，ＧＲＵｚＬＥＳ Ｊ Ｅ ａｎｄ ＴＨＯＭＡＳ Ｐ Ｍ．
式中：Ａ是常数，由实验所得的数据［ ，将针孔量、热
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｉｎ ａｌｍｕｉｎｕｍ ｂａｓｅ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］ｌ ＡＦＳ Ｔｒａｎｓ．，
１９７７，８５：３４５—３４９．
梯度（Ｇ）、固相前进速度（ 、及凝固时间（ 进
［３］ＣＡＭＰＢＥＬＬ Ｊ．Ｆｅｅｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｊ］ｌ ＡＦＳ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ
行回归分析，则式（８）将变为
Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｍａｒｃｈ １９６９：１—８．
叼＝＝＝器 （９）
［４］ＫＵＯＹ Ｓ＆ＣＨＡＮＧＥ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｎｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｙｔ
ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ａ２０１ ａｌｍｕｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｊ］ｌ Ｊ．ｏｆ Ｔａｉｗａｎ Ｆｏｕｎｄｒｙ
当以Ｇ／ 为－＋ｂ充参数、寻找其与针孔量之关
Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９１，７０：１９—２８．
系时，即考虑铸件之凝固时间、热梯度、及固相前进
［５］ ＩＲＡＮＩ Ｄ Ｒ ａｎｄ Ｋ０ＮＤＩＣ Ｖ．Ｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ
速度等，可得到图４（硅砂型，Ａ类型）及图５（铬砂
ｓｈｒｉｎｋａｇｅ，ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｏｆ ｌｉ￣ａｔ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＡＦＳ Ｔｒａｎｓ．，１９６９，７７：
型，Ｃ类型）。由图中可见，补充参数值越大时，则针
２０８—２ｌ１．
孔量越少，可验证此依补充参数为唯一合理的参数。
［６］ＢＥＲＲＹ Ｊ Ｔ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＡｌ ｃａｓｔａｌｌｏｙｓ［Ｊ】ｌ ＡＦＳ Ｔｒａｎｓ．，１９７０，７８：４２１－４２８．
［７］ＫＵＴＵＭＢＡ Ｒａｏ Ｇ Ｖ．Ａｃｔｉｏｎ ｏｆｃｈｉｌｌｓ ｏｎ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｕｎｄｎｅｓｓ
ｏｆ ａｌｍｕｉｎｕｍ—ｃｏｐｐｅｒ—ｓｉｌｉｃｏｎ ａｌｌｏｙ ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｄ］．Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ ＩｌＬ
３
Ｍａｄｒａｓ．１９７２．
一
［８］ＨＡＴＣＨ Ｊ Ｅ．Ａｌｍｕｉｎｕｍ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｃｈ．６［Ｍ］．
、一
２
ＡＳＭ，１９８４．
Ｊ
［９】ＡＳＭ．Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ“Ｃａｓｔｉｎｇｓ”Ｖｏ１．１５ ９ｔｈ［Ｍ］．ＡＳＭ Ｅｄ．，
１ ９８９．５７７—５８０．
［１０］ＫＵＯ Ｙ Ｓ＆ＣＨＡＮＧ Ｅ．Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆＴｈｅｒｍａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｏ ｔｈｅ
Ｐｏｒｏｓｉｙｔ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ａ２０ １ Ａｌｍｕｉｎｕｍ Ｐｌａｔｅ Ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｃ］／／Ｃｈｉｎｅｓｅ
０
Ｆｏｕｎｄｒｙ Ａｎｎｕａｌ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ．１ ９９ １：７４－８３．
Ｔ
Ｇ，（℃・ｃｍ ２）
［１１］ＭＡＨＡＤＥＶＡＮ Ｎ Ｓ ａｎｄ ＳＥＳＨＡＤＲＩ Ｍ Ｒ．Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ ｏｆｒｉｓｅｒｓ ｆｏｒ
图４硅砂型Ａ２０１铝合金针孔量与补缩参数关系图
ｌｏｎｇ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｎｇｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＡＦＳ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｊｕｎｅ １９７１：７－８２．
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｆｅｅｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ
［１２］ＳＣＨＥＩＤＥＧＧＥＲＡＥ．ＴｈｅＰｈｙｓｉｃｓｏｆＦｌｏｗＴｈｒｏｕｇｈＰｏｒｏｕｓＭｅｄｉａ
Ａ２０１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃａ ｓａｎｄ ｍｏｌｄｓ
３ｒｄ．ｅｄ［Ｍ］．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ ｏｆＴｏｒｏｎｔｏ Ｐｒｅｓｓ，１９７４．７３．
［１３］ＹＥＵＮ Ｋ Ｓ ａｎｄ ＰＯＩＲ１ＥＲＤ Ｒ．Ｍｏｌｄｅｌｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
３结论
ａ ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ ａｌｌｏｙ［Ｊ］ｌ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ，１９８８，１（３）：１６１—１７０．
（１）对Ａ２０１铝合金而言，Ｇ］Ｖｓｔ 可为一补充参数，
［１４］ＫＵＯ Ｙ Ｓ Ｐｈ．Ｄ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆｒｉｓｅｒ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
，
参数越大时，针孔量变少。
４２０１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｄ】．Ｔｈｅｓｉｓ ＮＣＫＵ Ｔａｉｎａｎ．１９９０．
（２）整合铝合金凝固时间、热梯度、及固相前进速
度等热参数，推论出铝合金中针孔量形成的一有效机制。
（编辑：郭桂林，ｇｕｏｇｌ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ）
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2024年4月11日发(作者：郑念云)
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９３０・ ＦＯＵＮＤＲＹ
ＶｏＩ．５５ Ｎｏ．９
Ａ２０１铝合金针孔形成机制的探讨
郭永圣
（建国科技大学机械工程系，台湾彰化）
摘要：本研究的目的为藉由完整的试验，找出铝合金中针孔与铝合金凝固期间热参数之间的关系，进而于铸造实际处
理时，可为铸造方案设计及金属凝固提供参考。Ａ２０１￣合金有１２７℃的凝固范围，适合作为研究对象；经由有系统的
改变冒口大小，及平板铸件的长度及厚度，并浇注于两种不同的砂型中，通过变化铝合金凝固时的各种热参数，例如：
局部凝固时间、冷却速率、液相前进速度及热梯度等，经计算针孔量，可得出热参数与针孔量间的关系。试验结果显
示，Ａ２０１铝合金的针孔量减少与补充参数值Ｇ／ ｍ增大有一定的关系。
关键词：针孑Ｌ量；Ａ２０１铝合金；热参数；热梯度
中图分类号：ＴＧ１４６．２ ｌ 文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４９７７（２００６）０９—０９３０—０３
Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎ ｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ Ｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｉ ｎ
Ａ２０１ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ ’
ＫＵＯ Ｙｅｏｎｇ－ｓａｎｔ
ＩＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｅｎＫｕｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｈｕａ，Ｔａｉｗａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｔｏ ｗｉｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｔｏ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ａ２０１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ
ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｂｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ，ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｕｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｇ／ ０，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．
Ｋｅｙ ｗａｒｄ：ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ；Ａ２０１ ＡＩ ａｌｌｏｙ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ；ｓｏｌｉｄｕｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
铝合金铸件的针孑Ｌ，其来源与铝合金中残存的氢
受的说法［３］。由于铝合金凝固模式为糊状凝固型，因此
气量有关，铝合金的糊状凝固形态，亦极易令铸件在 其产生微孑Ｌ隙的主要时机，应属于凝固末期，而在此凝
凝固时产生缩松［１］。
固过程中，各项热参数与针孑Ｌ的产生有直接的关系。
Ｅｓｔｗｉｓｔｌｄ２￣等人曾明确指出针孑Ｌ形成的物理条件为 以往的研究中，已可见到针孑Ｌ量与冷却速率＆州、
—
Ｐａ＞Ｐ日 ｌ＋Ｐｈ一
局部凝固时间ｔ￣２，５－ 、热梯度Ｇ ， 、固相前进速度Ｖ［ ０９
式中： 为熔化时在铝合金中氢气造成的平衡压力；Ｐａ 以及铸件几何形状…］有关。本研究做了系统性、完整
为凝固收缩补充不足所引起的负压；Ｐ帅为大气压力；
的试验，将所得数据予以归纳，并从中建构铝合金中
Ｐｈ为液态金属静压力；Ｐｓ为微孑Ｌ隙克服表面张力成核所
针孑Ｌ形成的机构，以改进铸造工艺。
需的压力。
Ａ２０１铝合金具有１２４￣１２７℃的宽凝固范围，导致其
上式的意义为：铸件中针孑Ｌ形成时，会受到大气 铸造性不如铝硅系列合金优良，铸件更容易出现微孑Ｌ
压力及金属静压两种力，在金属凝固收缩时，因有局
隙，适合作为研究主体。在本研究中使用不同尺寸的柱
部的真空而产生一负压（ ，同时由金属中逸出的氢
状冒口，并且变化平板铸件的厚度及长度，浇注含
气，会产生气体的平衡压力，对尚未凝固的部分，形 １．Ｏ０％Ａｇ的Ａ２０１铝合金，获取不同的数据，以利分析。
成气泡时则有一表面张力待克服。由前述方程式来探
讨，当两边形成一个压力差△Ｐ日寸，微孔隙就会产生。
１ 试验方法 ・
对从事铸造工程研究者而言，欲获得一完美的铸
１．１砂型制作
件，则在于如何控制金属液在铸型内的流动与凝固，其
试验中所使用的平板铸件及浇冒口设计如图１所
中流动属于流力及流路系统设计的范畴，凝固则与金属
示，冒口内置热电偶，铸件部分自冒口端，每隔２．５
液的补充有关。在金属液补充过程中，液体补充、质量
ｃｍ亦置热电偶１支，以测量相关热参数。试验中冒口
补充、树枝状晶间补充、破裂补充及固体补充是可被接
直径（Ｒ）有６种尺寸，冒口的高度为直径的１．５倍，平
收稿日期：２００６－０３－２２收到初稿，２００６－０５—２６收到修订稿。
作者简介：郭永圣（１９５２一），男，江苏高邮人，博士，副教授，主要从事有色金属研究。电话：＋８８６—９１２—８１８８６６，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｓｋｕｏ＠ｃｔｕ．ｅｄｕ．ｔｗ
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铸造 郭永圣：Ａ２０１铝合金针孔形成机制的探讨 ・９３１・
板铸件的宽度保持在１４ ｃｍ，厚度（丁）有两种尺寸，
长度（Ｌ）有３种尺寸。冒口及平板的尺寸组合如表１所
示。冷铁的材质为低碳钢。造型以ｃＯ 造型法制作，以
冷却速度不同的硅砂（Ａ类型）及铬铁矿砂（Ｃ类型）
制作砂型。制造完成的砂型在浇注前均经过８ ｈ以上、
验误差，测得的质量经式（１）换算成密度。
密度 而 （１）
式中： 为空气中试片的重量； 为酒精中试片的重
量；Ｄｍ为无水酒精的体积重量，针孔量的计算则由式
（２）计算得到；
Ｐ＝（Ｄｓ—Ｄ／Ｄ￣）ｘｌ００％ （２）
１５０℃的烘型处理后浇注，以降低型中的水分。
宴
式中：Ｐ为针孑Ｌ量，％；Ｄ 标准密度；Ｄ为试片密度。
图１试验设计方案图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ
表１冒口及平板铸件之尺寸
Ｔａｂｌｅ １ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ ｒｉｓｅｒｓ
项目 结果
平板厚度 １ ｃｍ ２ ｃｍ
平板长度／ｃｍ １０ ２０ ３０ １０ ２０ ３０
冒口直径／ｃｍ Ｘ Ｘ
２ Ｘ Ｘ Ｘ
３ Ｘ Ｘ Ｘ
４ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ
６ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ
８ Ｘ Ｘ Ｘ
１１ Ｘ Ｘ
注：ｘ代表制作铸件。
１．２密度试片制作
制作密度试片，主要目的为测量其中针孔
（Ｐｏｒｏｓｉｔｙ）的数量，密度试片切取的位置如图２所示，
由冒口至冷端，配合热电偶位置，每２５ ｍｍ切取一小
块，以阿基米得法（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ’Ｍｅｔｈｏｄ）测试密度。
密度的测试，使用小数点以下４位之电动天平，量测试
片在空气中及液体中的质量，本试验中的液体系采用
高纯度的无水酒精，以期减少试片表面张力造成的试
＇
图２密度试片取样示意图
Ｆｉｇ．２ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐｉｅｃｅ ｆｏｒ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｔｅｓｔ
２结果与讨论
２。１ 冷却曲线
经过热电偶纪录的硅砂砂型（Ａ类型）的冷却曲
线如图３所示，图中４．１．２０代表浇注冒口为４０ ＨｌＩＩ１、厚
度１０ ｍｍ，长度为２００ ｍｍ的平板铸件。右上端的符号，
代表铸件中距冒口不同位置热电偶，所测得的冷却曲
线。相关的热参数均由类似图３的冷却曲线计算获得。
７００
６５０
６００
乏
看５５０
５２３
５００
４—１—２０
Ａ类铸型
１．００％Ａｇ
Ｏ●△口 ●
时问／ｍｉｎ
冒
ｒ＿５ ５ ５ ５
＂
图３ ４—
盯
１．２Ｏ平板铸件冷却曲线
▲ｏ◆，
Ｆｉｇ－３ Ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ４—１—２０ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ
５ ５
＂
５
盯
５
２。２针孔成核机构
在铝合金凝固的最后阶段，可考虑金属补充及针
孔形成是同时进行的过程。在金属补充阶段时，应属
于树枝间状补充，其与金属液穿过陶瓷滤网多孔状物
质的行为相似，将此考虑为毛细管间的金属液体流动
现象，则根据Ｄａｒｃｙ’Ｓ定律ｌｌ２＿”】的研究可得：
Ｏ－－ ： ２ ｒ 、
、 １１・Ｌ 、
式中：Ｑ为液体流速；Ａ为毛细管面积；ｄ助毛细管两
．
端压力差（△Ｐ）；Ｌ为毛细管长度；／１为黏滞系数；Ｋ为
渗透性。
式中的液流速应与金属凝固时的固相前进速度
（ ）有关，则 Ｃ ，Ｃ为一常数；毛细管的面积可
由枝晶臂间距的平方（ＤＡＳ） 代表，在Ｋｕｏ［ｔ４］的研究中，
可见到ＤＡｓ与凝固时间的关系为：ＤＡＳ＝Ｉ．８４／０ ； 而
热梯度：Ｇ＝ＡＴ／ＡＸ，Ａ丁为毛细管两端的温度差；ＡＸ
可为毛细管的长度Ｌ；ｎ及Ｋ均为常数。将相关数据代
入方程式（３）可得到
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Ｓｅｐ．２００６
・
９３２・ ＦＯＵＮＤＲＹ Ｖ０Ｉ．５５ Ｎｏ．９
器 （４）
式中：Ｇ为常数。
针孔成核后，如有足够的时间，则应考虑其成长；
由物理现象而言，可假设针孑Ｌ为球形，对以半径为ｒ的
球来说，其体积的成长由式（５）积分得到。
Ｊ
ｄＶ＝４，ｒｒｌｆｄｒ （５）
当体积成长时，球的半径亦会随时间而长大，因
此，半径与时间应有式（６）关系：
ｒ＝Ｂ１ （６）
Ｂ 及ｍ均为常数，将式（６）代人式（５）并积分：
Ｖ ｓ ｆ｝，（℃・ｃｍ
。
。’）
，
．
『（１ 』 ｄｒ
图５铬砂型Ａ２０ １铝合金针孔量与补缩参数关系图
可得到 ＡＶ＝Ｂ２￣ｍ （７）
Ｆｉｇ．５ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｆｅｅｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ
Ａ２０ １ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｉｎ ｃｈｒｏｍｉｔｅ ｓａｎｄ ｍｏｌｄｓ
式中： 为一常数，此式表示微孔隙的体积生长与凝
固时间成 的比例关系。同时再考虑针孔成核及成长
参考文献：
时，合并式（４）及式（７），可得一个理论补充参数：
［１］ＡＦＳ．Ｂａｓｉｃ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｇａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｒｉｓｅｒｉｎｇ［Ｍ］ｌ Ｄｅｓ Ｐｌａｉｎｅｓ ｌＬ，
叼＝＝＝ ＡＧ （８）
ＡＦＳ，１ ９７３，ｃｈ．６．６２４—６２９．
‘
［２］ ＥＮＴＷＩＳＥＴＪＥ Ｒ Ａ，ＧＲＵｚＬＥＳ Ｊ Ｅ ａｎｄ ＴＨＯＭＡＳ Ｐ Ｍ．
式中：Ａ是常数，由实验所得的数据［ ，将针孔量、热
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｉｎ ａｌｍｕｉｎｕｍ ｂａｓｅ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］ｌ ＡＦＳ Ｔｒａｎｓ．，
１９７７，８５：３４５—３４９．
梯度（Ｇ）、固相前进速度（ 、及凝固时间（ 进
［３］ＣＡＭＰＢＥＬＬ Ｊ．Ｆｅｅｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｊ］ｌ ＡＦＳ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ
行回归分析，则式（８）将变为
Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｍａｒｃｈ １９６９：１—８．
叼＝＝＝器 （９）
［４］ＫＵＯＹ Ｓ＆ＣＨＡＮＧＥ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｎｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｙｔ
ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ａ２０１ ａｌｍｕｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｊ］ｌ Ｊ．ｏｆ Ｔａｉｗａｎ Ｆｏｕｎｄｒｙ
当以Ｇ／ 为－＋ｂ充参数、寻找其与针孔量之关
Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９１，７０：１９—２８．
系时，即考虑铸件之凝固时间、热梯度、及固相前进
［５］ ＩＲＡＮＩ Ｄ Ｒ ａｎｄ Ｋ０ＮＤＩＣ Ｖ．Ｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ
速度等，可得到图４（硅砂型，Ａ类型）及图５（铬砂
ｓｈｒｉｎｋａｇｅ，ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｏｆ ｌｉ￣ａｔ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＡＦＳ Ｔｒａｎｓ．，１９６９，７７：
型，Ｃ类型）。由图中可见，补充参数值越大时，则针
２０８—２ｌ１．
孔量越少，可验证此依补充参数为唯一合理的参数。
［６］ＢＥＲＲＹ Ｊ Ｔ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＡｌ ｃａｓｔａｌｌｏｙｓ［Ｊ】ｌ ＡＦＳ Ｔｒａｎｓ．，１９７０，７８：４２１－４２８．
［７］ＫＵＴＵＭＢＡ Ｒａｏ Ｇ Ｖ．Ａｃｔｉｏｎ ｏｆｃｈｉｌｌｓ ｏｎ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｕｎｄｎｅｓｓ
ｏｆ ａｌｍｕｉｎｕｍ—ｃｏｐｐｅｒ—ｓｉｌｉｃｏｎ ａｌｌｏｙ ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｄ］．Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ ＩｌＬ
３
Ｍａｄｒａｓ．１９７２．
一
［８］ＨＡＴＣＨ Ｊ Ｅ．Ａｌｍｕｉｎｕｍ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｃｈ．６［Ｍ］．
、一
２
ＡＳＭ，１９８４．
Ｊ
［９】ＡＳＭ．Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ“Ｃａｓｔｉｎｇｓ”Ｖｏ１．１５ ９ｔｈ［Ｍ］．ＡＳＭ Ｅｄ．，
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［１０］ＫＵＯ Ｙ Ｓ＆ＣＨＡＮＧ Ｅ．Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆＴｈｅｒｍａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｏ ｔｈｅ
Ｐｏｒｏｓｉｙｔ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ａ２０ １ Ａｌｍｕｉｎｕｍ Ｐｌａｔｅ Ｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｃ］／／Ｃｈｉｎｅｓｅ
０
Ｆｏｕｎｄｒｙ Ａｎｎｕａｌ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ．１ ９９ １：７４－８３．
Ｔ
Ｇ，（℃・ｃｍ ２）
［１１］ＭＡＨＡＤＥＶＡＮ Ｎ Ｓ ａｎｄ ＳＥＳＨＡＤＲＩ Ｍ Ｒ．Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ ｏｆｒｉｓｅｒｓ ｆｏｒ
图４硅砂型Ａ２０１铝合金针孔量与补缩参数关系图
ｌｏｎｇ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｎｇｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＡＦＳ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｊｕｎｅ １９７１：７－８２．
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｆｅｅｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ
［１２］ＳＣＨＥＩＤＥＧＧＥＲＡＥ．ＴｈｅＰｈｙｓｉｃｓｏｆＦｌｏｗＴｈｒｏｕｇｈＰｏｒｏｕｓＭｅｄｉａ
Ａ２０１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃａ ｓａｎｄ ｍｏｌｄｓ
３ｒｄ．ｅｄ［Ｍ］．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ ｏｆＴｏｒｏｎｔｏ Ｐｒｅｓｓ，１９７４．７３．
［１３］ＹＥＵＮ Ｋ Ｓ ａｎｄ ＰＯＩＲ１ＥＲＤ Ｒ．Ｍｏｌｄｅｌｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
３结论
ａ ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ ａｌｌｏｙ［Ｊ］ｌ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ，１９８８，１（３）：１６１—１７０．
（１）对Ａ２０１铝合金而言，Ｇ］Ｖｓｔ 可为一补充参数，
［１４］ＫＵＯ Ｙ Ｓ Ｐｈ．Ｄ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆｒｉｓｅｒ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
，
参数越大时，针孔量变少。
４２０１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｄ】．Ｔｈｅｓｉｓ ＮＣＫＵ Ｔａｉｎａｎ．１９９０．
（２）整合铝合金凝固时间、热梯度、及固相前进速
度等热参数，推论出铝合金中针孔量形成的一有效机制。
（编辑：郭桂林，ｇｕｏｇｌ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ）
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