鋳造 "は液体金属成形プロセスである。

\鋳造とは、液体金属を成形することである。高温の液体金属は大気中で表面が酸化され、酸化皮膜ができることはよく知られている。

しかし、長い間、この酸化皮膜がアルミニウム合金鋳物の品質に与える影響については、基本的に溶湯中の非金属介在物の問題を考えるにとどまり、それ以上の議論はなされてこなかった。

J.英国バーミンガム大学のキャンベル氏は、長年の研究に基づき、折り曲げられたバイフィルムがマクロおよびミクロの側面からアルミニウム合金鋳物の品質に非常に重要な影響を与えることを発見した。Campbellらは、バイフィルムの理解こそが最もエキサイティングな発見であると考えている。現時点では、キャンベルらによって得られた予備的な結論と洞察のことを、仮に "bi-films theory "と呼ぶことにする。

液状アルミニウム合金に関与する酸化皮膜の中間層の後、その鋳造品質への影響は、大まかに2つの側面に分けることができる：

一つは巨視的な側面である。金属マトリックスを切断して機械的特性を低下させるだけでなく、ポロシティや微小な収縮などの鋳造欠陥を誘発する；

もうひとつは微視的な側面で、これは結晶粒径、デンドライト間の距離、アルミニウム-シリコン合金中のNaとSrの修飾効果に重要な影響を与える。

1.液体金属表面の酸化皮膜の特徴

酸化皮膜の特性を分析する場合、それが付着している金属母液の密度や融点も同時に考慮することはできない。鉄鋼でいえば、鋳鋼品の製造を例に挙げる。溶鋼の酸化によって生成するFeOは、融点も密度も溶鋼よりはるかに低く、高温で非常に活性であり、単独で存在することは基本的に不可能である。FeOはSiO2と結合して低融点のFeOを形成することができる。SiO2となり、鋼中のケイ素やマンガンと反応してMnOとSiO2を形成し、さらに結合してMnO.SiO2となる。また、鋼中の炭素と反応してCOを形成することができ、そのごく一部が存在することになる。溶鋼中に溶解する。脱酸処理が不適切であったり、出鋼後に溶鋼を二度酸化させたりすると、鋼中の非金属介在物が増加したり、鋳片表面に気孔やスラグ介在物などの欠陥が発生したりする。しかし、溶鋼表面に生成した酸化物は、溶鋼温度よりも融点が低く、蓄積するしかない。酸化皮膜中間層に折り畳まれて溶鋼中に浮遊することはできないので、酸化皮膜中間層に起因する問題は生じない。.

アルミニウム合金とマグネシウム合金の状況は全く異なる。アルミニウム合金について簡単に説明すると次のようになる：アルミニウムは液体状態では非常に活性であり、溶融アルミニウムの表面は大気中の酸素と容易に反応してAl2O3膜を形成する。Al2O3の融点は液体アルミニウム合金の融点よりはるかに高く、非常に安定している。Al2O3の密度は溶融アルミニウムよりもわずかに高い。そのため、Al2O3膜はアルミニウム液中に懸濁しやすく、凝集してアルミニウム液から分離することはありません。アルミニウム合金液が乱れると、表面のAl2O3膜がサンドイッチ状に折れて溶湯に引き込まれ、アルミニウム合金特有の多くの問題を引き起こす。

2.酸化膜中間層の形成とその弊害

アルミニウム合金液は、製錬工程、溶解炉からの注湯時、変成処理時、高風速での噴霧・精製時、注湯時に強く乱される。液体金属表面の乱れは、その表面の酸化皮膜を引っ張り、膨張、折れ、破断を引き起こす。酸化皮膜の断絶で露出した清浄な合金液面は酸化され、新たな酸化皮膜を生成する。酸化皮膜の折れ曲がりによって、大気に面した側の乾燥面同士が密着し、その間に少量の空気が包まれて「酸化皮膜サンドイッチ」となる。酸化皮膜の中間層は溶湯に巻き込まれやすく、乱れた溶湯の作用で小さな塊に絞られる。

Al2O3の融点はアルミニウム合金液の温度より1000℃以上高く、化学的安定性が高いため、小さなクラスターは融着せず、アルミニウム合金中に溶解しない。Al2O3の密度はアルミニウム合金液の密度より若干高いが、空気中に包まれた酸化皮膜中間層の密度はアルミニウム合金液の密度に比較的近い。従って、大型保持炉での長期静置時に酸化皮膜中間層が陥没する可能性があることに加え、一般的な鋳造製造条件下では、酸化皮膜中間層はアルミニウム合金液中でより安定に浮遊することになる。酸化皮膜中間層を浮遊させたアルミニウム合金液は、再び攪拌されると、より多くの酸化皮膜中間層を生成する。鋳物の製造工程では、合金の製錬、炉からの注湯、改質処理、精製処理、注湯などの操作により、アルミニウム合金液に強い乱れが生じる。元の酸化皮膜中間層を保持するだけでなく、アルミニウム合金液は再び乱され、新たな酸化皮膜中間層が連続的に追加されます。そのため、キャビティに入る溶湯には、多数の微小な酸化皮膜中間層が含まれる。溶湯がキャビティに充満した後は静止状態にあり、クラスター状にしぼんだ酸化皮膜の中間層は徐々に伸びて小片になる。溶湯が液相線以下に冷却された後は、デンドライトの核生成と成長も、凝集体にしぼられた酸化皮膜中間層の伸びを促進する要因となる。

鋳物が凝固した後、多数の小さな薄片状の酸化皮膜層間は、それ自体が小さな亀裂であり、金属母材を切断する役割を果たす。もちろん合金の機械的特性は低下するが、より有害なのは気孔や小さな引け巣の誘発である。液体金属の温度が徐々に低下するにつれて、溶融金属中の水素の溶解度は低下し続けるが、液体金属から気孔の形で水素が析出することは非常に困難である。均質な液相中に別の新しい相（気相）が生成する場合、それは常に最初に数個の原子または分子の凝集によって形成され、その体積は小さい。この小さな新相の比表面積（単位体積あたりの表面積）は非常に大きい。新しい界面を生成するためには、その界面に仕事をする必要がある。これが新しい相の界面エネルギー、つまり表面積と表面張力である。の積である。アルミニウム合金液の冷却過程で、このような大きなエネルギーを得ることは現実的に不可能である。たとえ新相のコアが生成したとしても、その成長には多くのエネルギーが必要であり、新相のサイズがある臨界値を超えて初めて成長可能となる。臨界値より小さいサイズの新位相のコアは成長できず、自然に消滅するだけである。理論的には、気相が液相中で核生成し成長することは非常に難しい。実際には。他の誘発因子がない場合、水素含有量が基本的に正常であるという条件下では、均質なアルミニウム合金中に水素の析出による気孔を生成することは不可能である。

溶融金属が多量の浮遊酸化皮膜中間層を含む場合、状況は全く異なる。酸化皮膜中間層のほとんどは少量の空気で覆われている。溶湯の温度が下がり、溶湯への水素の溶解度が低下すると、酸化皮膜中間層中の小さな気泡は水素のための真空となり、溶湯に溶解した水素は気泡に向かって移動する。媒体拡散は非常に便利である。水素は小さな気泡の中に拡散し、酸化皮膜中間層を膨張させ、鋳物に気孔を生じさせる。アルミニウム合金液の精製処理が良好で、溶湯中の水素含有量が非常に少なければ、鋳物中に気孔はほとんどできません。しかし、溶湯中に酸化皮膜介在層がなければ、溶湯中の水素含有量が多くても、凝固時に水素は過飽和状態で合金中に溶解するのみで、気孔を生じさせることはできない。鋳造時の供給条件が悪いと、凝固収縮の過程で引け巣が発生する。酸化皮膜の中間層は中空であるため、引き剥がされやすく、収縮空洞は酸化皮膜の中間層に多く形成される。この場合、溶湯中に溶け込んだ水素も拡散し、気孔が拡大する。

以上のことから、アルミニウム合金鋳物では、酸化皮膜中間層が材料の機械的性質の劣化や鋳物のピンホール欠陥、ポア欠陥の主な原因であると考えられる。材料の機械的性質を改善し、鋳物の密度を高めるためには、脱ガス精製操作を強化することよりも、酸化皮膜中間層を除去する対策を講じることが重要である。