1．氣孔類別
由于鋁合金具有嚴(yán)重的氧化和吸氣傾向，熔煉過程中又直接與爐氣或外界大氣相接觸，因此，如熔煉過程中控制稍許不當(dāng)，鋁合金就很容易吸收氣體而形成氣孔，最常見的是針孔。針孔（gas porosity/pin-hole），通常是指鑄件中小于1mm的析出性氣孔，多呈圓形，不均勻分布在鑄件整個(gè)斷面上，特別是在鑄件的厚大斷面和冷卻速度較小的部位。根據(jù)鋁合金析出性氣孔的分布和形狀特征，針孔又可以分為三類①，即：
(1) 點(diǎn)狀針孔：在低倍組織中針孔呈圓點(diǎn)狀，針孔輪廓清晰且互不連續(xù)，能數(shù)出每平方厘米面積上針孔的數(shù)目，并能測(cè)得出其直徑。這種針孔容易與縮孔、縮松等予以區(qū)別開來(lái)。
(2) 網(wǎng)狀針孔： 在低倍組織中針孔密集相連成網(wǎng)狀，有少數(shù)較大的孔洞，不便清查單位面積上針孔的數(shù)目，也難以測(cè)出針孔的直徑大小。
(3) 綜合性氣孔：它是點(diǎn)狀針孔和網(wǎng)狀針孔的中間型，從低倍組織上看，大針孔較多，但不是圓點(diǎn)狀，而呈多角形。
鋁合金生產(chǎn)實(shí)踐證明，鋁合金因吸氣而形成氣孔的主要?dú)怏w成分是氫氣，并且其出現(xiàn)無(wú)一定的規(guī)律可循，往往是一個(gè)爐次的全部或多數(shù)鑄件均存在有針孔現(xiàn)象；材料也不例外，各種成分的鋁合金都容易產(chǎn)生針孔。
2． 針孔的形成
鋁合金在熔煉和澆注時(shí)，能吸收大量的氫氣，冷卻時(shí)則因溶解度的下降而不斷析出。有的資料介紹②，鋁合金中溶解的較多的氫，其溶解度隨合金液溫度的升高而增大，隨溫度的下降而減少，由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)，氫在鋁合金中的溶解度下降19倍。（氫在純鋁中的溶解度與溫度的關(guān)系見圖1③）。因此鋁合金液在冷卻的凝固過程中，氫的某一時(shí)刻，氫的含量超過了其溶解度即以氣泡的形式析出。因過飽和的氫析出而形成的氫氣泡，來(lái)不及上浮排出的，就在凝固過程中形成細(xì)小、分散的氣孔，即平常我們所說(shuō)的針孔（gas porosity）。在氫氣泡形成前達(dá)到的過飽和度是氫氣泡形核的數(shù)目的函數(shù)，而氧化物和其他夾雜物則在起氣泡核心的作用。
在一般生產(chǎn)條件下，特別是在厚大的砂型鑄件中很難避免針孔的產(chǎn)生。在相對(duì)濕度大的氣氛中溶煉和澆注鋁合金，鑄件中的針孔尤其嚴(yán)重。這就是我們?cè)谏a(chǎn)中常常有人納悶干燥的季節(jié)總比多雨潮濕的時(shí)節(jié)鋁合金鑄件針孔缺陷少些的原因。
一般說(shuō)來(lái)，對(duì)鋁合金而言，如果結(jié)晶溫度范圍較大，則產(chǎn)生網(wǎng)狀針孔的機(jī)率也就大得多③。這是因?yàn)樵谝话汨T造生產(chǎn)條件下，鑄件具有寬的凝固溫度范圍，使鋁合金容易形成發(fā)達(dá)的樹枝狀結(jié)晶。在凝固后期，樹枝狀結(jié)晶間隙部分的殘留鋁液可能相互隔絕，分別存在于近似封閉的小小空間之中，由于它們受到外界大氣壓力和合金液體的靜壓作用較小，當(dāng)殘留鋁液進(jìn)一步冷卻收縮時(shí)能形成一定程度的真空（即補(bǔ)縮通道被阻塞），從而使合金中過飽和的氫氣析出而形成針孔。
3． 形成氣孔的氫氣的來(lái)源與析出
鋁合金中氣孔的產(chǎn)生，是由于鋁合金吸氣而形成的，但氣體分子狀態(tài)的氣體一般不能溶解于合金液中，只有當(dāng)氣體分子分解為活性原子時(shí)，才有可能溶解。合金液中氣體能溶解的數(shù)量多少，不僅與分子是否容易分解為活性原子有關(guān)，還直接與氣體原子類別有關(guān)。在鋁合金熔煉過程中，通常接觸的爐氣有：氫氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等，這些氣體主要是由燃料燃燒后產(chǎn)生的，而耐火材料、金屬爐料及熔劑、與氣體接觸的工具等也可以帶入一定量的氣體，如新砌的爐襯、爐子的耐火材料、坩堝等，通常需要使用幾天或幾周的時(shí)間，其化學(xué)結(jié)合的氫才能充分從粘結(jié)劑中釋放出來(lái)。一般而言，爐氣成分是由燃料種類以及空氣量來(lái)決定的。普通焦炭坩堝爐，爐氣成分主要為二氧化碳、二氧化硫和氮?dú)猓幻簹狻⒅赜哇釄鍫t主要為水蒸氣、氮?dú)猓欢鴮?duì)目前大多數(shù)熔煉廠家使用的電爐熔煉來(lái)說(shuō)，爐氣成分主要是氫氣。因此，采用不同的熔煉爐熔煉時(shí)，鋁合金的吸氣量和產(chǎn)生氣孔的程度是不同的。
鋁合金生產(chǎn)實(shí)踐證明，氫是唯一能大量溶解于鋁或鋁合金中的氣體，是導(dǎo)致鋁合金形成氣孔的主要原因，是鋁合金中最有害的氣體，也是鋁合金中溶解度最大的氣體。在鑄件凝固過程中由于氫的析出而產(chǎn)生的孔隙，不僅減少了鑄件的實(shí)際截面積而且是裂紋源。惰性氣體不能溶于鋁或鋁合金，其他氣體一般與鋁或鋁合金反應(yīng)形成鋁的化合物，如Al2O3、AlCl3、AlN、Al4C3等等。由圖1可知，氫在液態(tài)鋁或鋁合金中的溶液解度很大，而幾乎不溶解于固態(tài)鋁（在室溫條件下，其溶解度約在0.003﹪以下）。
在鋁合金熔煉時(shí)，周圍空氣中的氫氣含量并不多，氫的最通常的來(lái)源是鋁和水蒸氣的反應(yīng)，而水蒸氣主要來(lái)源于爐氣中的水分、設(shè)備及工具吸附的水分、一些材料的結(jié)晶水與鋁銹Al(OH)2分解出來(lái)的水分等，其反應(yīng)式如下：
3H2O(水蒸氣)+2Al=Al2O3+6[H](1)
含鎂鋁合金由于還發(fā)生下列反應(yīng)，更容易吸收氫：
H2O(水蒸氣)+ Mg=MgO+2[H](2)
另外，金屬爐料或回爐料帶入的油污、有機(jī)物、鹽類熔劑等與鋁液反應(yīng)也能生成氫：
4mAl+3CmHn=mAl4C3+3n[H] (3)
鎂、鈉、鋰可以改變鋁的表面的氧化膜，使活性氫原子容易進(jìn)入；金屬氟和鈹則能在鋁的表面形成更致密的氧化膜，降低氫向鋁液或鋁合金中擴(kuò)散的速度，對(duì)鋁合金起到保護(hù)作用。形成氫化物的元素，如鈣、鈦、鋰、銫等金屬均能強(qiáng)烈地?cái)U(kuò)大氫在鋁液中的溶解度。不同溫度下活性氫原子在鋁液或鋁合金中的溶解度見表1。
4．氣孔對(duì)鋁合金鑄件性能的影響
針孔對(duì)鋁合金性能的影響主要表現(xiàn)在能使鑄件組織致密度降低，力學(xué)性能下降。為此，在鋁合金鑄件生產(chǎn)實(shí)踐中，加強(qiáng)對(duì)氣孔等級(jí)對(duì)力學(xué)性能的影響研究，通過控制針孔等級(jí)來(lái)保證鋁合金鑄件品質(zhì)是非常重要的。針孔等級(jí)評(píng)定，低倍檢驗(yàn)按GB10851-89進(jìn)行，當(dāng)有爭(zhēng)議時(shí)按表2規(guī)定執(zhí)行；X射線照相按GB11346-89鋁合金鑄件針孔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)選用目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的兩種合金ZL101（Al-Si-Mg系）和ZL201（Al-Cu-Mn系）, 并在T4狀態(tài)測(cè)定бb和σ5的試驗(yàn)結(jié)果表明（ZL101T4、ZL201ST4各種針孔試樣的力學(xué)性能分別見表3、表4）：鑄件力學(xué)性能與針孔等級(jí)之間是線性相關(guān)關(guān)系，隨著針孔等級(jí)級(jí)別增加，力學(xué)性能逐步下降；針孔等級(jí)每增加一級(jí)，力學(xué)性бb下降3%左右，σ5下降 5%左右。對(duì)鋁合金鑄件切取性能試樣要求，鑄件允許存在的針孔級(jí)別詳見GB9438-8
這里應(yīng)當(dāng)指出的是，由于鑄件壁厚效應(yīng)的影響，即使針孔嚴(yán)重程度相同，壁厚大的部位力學(xué)性能下降，壁厚小的則較高。由于鑄件的力學(xué)性能取決于多種因素，不僅與針孔等級(jí)有關(guān)，還與合金的化學(xué)成分的波動(dòng)、鑄 件的凝固速度、熱處理效果、其他缺陷的存在因素有關(guān)，所以同一級(jí)別的針孔試樣，力學(xué)性能將在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)波動(dòng)。
5． 鋁合金鑄件針孔形成的主要因素
綜上所述，針孔是鋁合金鑄件中容易出現(xiàn)的且對(duì)鑄件品質(zhì)造成一定影響的一種鑄造缺陷，氫是造成針孔的主要原因（有的資料介紹，鋁液中所溶解的氣體中80%-90%是氫），而氫的主要來(lái)源是水蒸氣分解所產(chǎn)生的。因此，鋁合金在熔煉過程中造成水蒸氣產(chǎn)生的原因，也就是直接影響針孔形成的主要因素。影響針孔形成的主要因素有：
5.1 原材料、輔助材料的影響
在鋁合金熔煉澆注過程中，所使用的原材料、輔助材料、一些材料中的結(jié)晶水和鋁銹AL（OH）2分解會(huì)產(chǎn)生水分，造型材料中有多種有機(jī)和無(wú)機(jī)輔料帶有的水分，鑄型材料中的輔料、涂料等因?yàn)轭A(yù)熱不良含有的水分等等，在鋁合金熔煉澆注時(shí)，會(huì)因水蒸氣的分解而產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體都有可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔。涂料中粘結(jié)劑，雖然可以增加涂層厚度，但也相應(yīng)增大了發(fā)氣量。
5.2 熔煉設(shè)備及工具的影響
不同熔煉設(shè)備熔化鋁合金時(shí)，鋁合金的吸氣量和形成氣孔的程度是不同的。新坩堝及有銹蝕、污物的舊坩堝，使用前應(yīng)吹砂或用其他方法清除干凈，并加熱至700℃-800℃，保溫2h-4 h，以去除坩堝所吸附的水分
